电工学-第10章集成运算放大器

第10章集成运算放大器10.1集成电路10.2集成运算放大器的概述10.3反馈的基本概念

10.4理想运算放大器

10.5基本运算电路10.6电压比较器10.7RC正弦波振荡电路

*10.8

有源滤波器

下一章上一章返回主页110.1集成电路集成电路是20世纪60年代发展起来的固体组件。它是用微电子技术将元件、导线、电路集成在一块很小的半导体芯片上。集成电路的发展进程：

1960年：小规模集成电路SSI。

1966年：中规模集成电路MSI。

1969年：大规模集成电路LSI。

1975年：超大规模集成电路VLSI。2大连理工大学电气工程系集成电路分类(1)模拟电路处理模拟信号的电路。如集成功率放大器、集成运算放大器等。(2)数字电路处理数字信号的电路。如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。集成电路芯片3大连理工大学电气工程系特点：①输入级采用差分放大电路，KCMR

和ri

很高。②中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。③输出级采用互补对称放大电路和共集放大电路，

ro

很小，带负载能力很强。④直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。⑤体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。10.2集成运算放大器的概述一、集成运算放大器的组成输入级

中间级

输出级

输入端输出端集成运算放大器的组成4大连理工大学电气工程系CF74181723456集成运算放大器的图形符号、引脚和外部接线图净输入电压运算放大器的符号－uD＋－＋＋u－u＋uO

Ao同相输入端反相输入端输出端+UCC－UEE87100dB231546u－u+uO5大连理工大学电气工程系uO=f(uD)线性区

uO=AouD

=Ao

(u＋－u－)饱和区正饱和电压：

uO

=＋UOM≈＋UCC

负饱和电压：

uO=－UOM≈－UEE

二、电压传输特性

uDOuO负饱和区正饱和区线性区－UOM+UOM电压传输特性6大连理工大学电气工程系净输入信号xD输出信号

xO

输入信号

xI放大电路Ao比较环节开环放大倍数：Ao=xoxD闭环放大倍数：Af=xoxI反馈系数：xFxoF

=反馈信号

xF

反馈电路F10.3反馈的基本概念反馈示意图7大连理工大学电气工程系一、反馈的分类1.正反馈和负反馈

正反馈:xF与xI作用相同,使xD增加；

负反馈:

xF与xI作用相反,使xD减小。2.

电流反馈和电压反馈

电流反馈：反馈信号取自输出电流，xF

∝iO；

电压反馈：反馈信号取自输出电压，xF∝uO。3.

串联反馈和并联反馈

串联反馈:xF与xI

以串联的形式作用于净输入端；并联反馈:xF与xI以并联的形式作用于净输入端。

8大连理工大学电气工程系*二、反馈的判断1.正反馈和负反馈＋＋＋判断方法：瞬时极性法。－＋Ao

＋RFRL

R

R1R2＋uO

－uI－

uF＋

－uD＋＋＋uORFiF

－＋∞＋R1R2uIiI

iD

RL正反馈负反馈9大连理工大学电气工程系uORFiF

－＋∞＋R1R2uIiI

iD

RL2.电流反馈和电压反馈输出端短路法:

令RL=0，此时uO=0，若xF=0则为电压反馈，否则为电流反馈。输出端开路法:

令RL=∞，此时iO=0，若xF

=0则为电流反馈，否则为电压反馈。－＋Ao

＋RFRL

R

R1R2＋uO

－uI－

uF＋

－uD＋判断方法电压反馈电流反馈10大连理工大学电气工程系3.串联反馈和并联反馈uORFiF

－＋∞＋R1R2uIiI

iD

RL－＋Ao

＋RFRL

R

R1R2＋uO

－uI串联反馈在输入端是以电压的形式出现的；并联反馈在输入端是以电流的形式出现的。判断方法并联反馈串联反馈11大连理工大学电气工程系Xo/XD1＋XF/

XD=三、负反馈对放大电路性能的影响

xFAoFxI

xD

xO=XoXD＋XF

XD=XI－XFXoXI|

Af|

=

|Ao|1＋|F||Ao|

|Af|

=1|F||Af|

≈当|F||Ao

|1，称为深度负反馈

|Af|<|Ao|

Xo/XD=XFXoXoXD1＋反馈示意图12大连理工大学电气工程系1.提高了电压放大倍数的稳定性11＋|F||Ao|

d|Ao||Ao|

=d|Af||Af|d|Af||Af|d|Ao||Ao|＜故电压放大倍数的稳定性提高了。

|Ao|1＋|F||Ao|

|Af|

=>1若为深度负反馈,|F||Ao|>>1

d|Af||Af|d|Ao||Ao|<<13大连理工大学电气工程系[例10.2.1]某放大电路的|Ao|=1000，由于某一原因,使其变化率为，若电路的反馈系数|

F|=0.009，则闭环电压放大倍数的变化率？=2%11＋0.009×1000=×20%[解]d|Ao||Ao|

11＋|F||Ao|

=d|Af||Af|d|Ao||Ao|=20%14大连理工大学电气工程系2.加宽了通频带

0.707|Af|

|Ao|未加入反馈后Of|A|0.707|Ao|Bof1f2Bff3f4加入反馈后|Af|加宽通频带15大连理工大学电气工程系电压负反馈稳定输出电压。电流负反馈稳定输出电流。

4.稳定了输出电压或输出电流

3.改善非线性失真无负反馈时有负反馈时ICiCOtUCC/RC

ICiCOtUCC/RC

改善非线性失真16大连理工大学电气工程系5.改变了输入电阻或输出电阻

串联反馈使输入电阻增加。并联反馈使输入电阻减小。电压负反馈使输出电阻减小。电流负反馈使输出电阻增加。17大连理工大学电气工程系10.4理想运算放大器一、理想运放的主要条件开环电压放大倍数：Ao→∞开环输入电阻：ri→∞开环输出电阻：ro→0共模抑制比：KCMR→∞u－u＋uO

－

uD＋－＋∞＋理想运放的符号18大连理工大学电气工程系二、理想运放的特性uO=＋UOM≈＋UCC

(2)当u＋＜u－时，即uD<0uO=－UOM≈－UEE

(1)当u＋＞u－时，即uD>0

OuOuD+UOM－UOM1.工作在饱和区时的特点

不加反馈时，稍有uD即进入饱和区。理想运算放大器的电压传输特性19大连理工大学电气工程系2.工作在线性区时的特点iD反馈电路u－u＋uO－＋∞＋(1)Ao→∞

uOAouD==0

u＋=u－

(2)ri→∞

uDriiD==0(3)ro→0

uOL=uOC故称为虚短路。故称为虚开路。即输出电压不受负载的影响。引入负反馈后的理想运放20大连理工大学电气工程系10.5基本运算电路Af一、比例运算电路1.反相比例运算电路

u－=u＋=0iD=0i1=iFuIR1－uORF=ＲFＲ1uO=－

uIu－u＋uO

RFiF

－＋∞＋R1R2uI

i1

iD

虚地反相比例运算电路21大连理工大学电气工程系①uO与uI

成反相比例；uO

的大小只与R1、RF的阻值和uI有关。②若R1=RF，则uO

=－uI。

故称为反相器。③R2为平衡电阻，R2=R1∥RF说明ＲFＲ1uO=－

uI反相比例运算电路u－u＋uO

RFiF

－＋∞＋R1R2uI

i1

iD

22大连理工大学电气工程系2.同相比例运算电路i1iDu－u＋uORFiF－＋∞＋R1R2uIAfRFR1uO=)uI(1＋uO=RF

iF＋

R1i1

uI=R1

i1iF=i1同相比例运算电路23大连理工大学电气工程系说明①uO

与uI

同相位，且Af≥1；

uO

的大小只与R1、RF的阻值和

uI有关。②若RF=0,R1=∞,R2=0时,

uO

=uI称为电压跟随器

③平衡电阻R2=R1∥RF。uO

－＋∞

＋uI

电压跟随器RFR1uO=)uI(1＋i1iDu－u＋uORFiF－＋∞＋R1R2uI同相比例运算电路24大连理工大学电气工程系[例10.5.1]应用运放来测量电阻的原理电路如图所示，

其中uI=U=

10V，输出端接有满量程为5V的电压表，被测电阻为Rx。(1)试找出被测电阻的阻值Rx与电压表读数之间的关系；(2)若使用的运放为CF741型，为了扩大测量电阻的范围，将电压表量程选为50V是否有意义？[解](1)uORx－＋∞＋R1uI

＋U

－－＋V0~5V1M10VＲxＲ1uO=－uIＲ1

uIＲx

=－uO106

10

=－uO

=－105uO

25大连理工大学电气工程系电压表读数

uO

V

－1－2－3－4－5被测电阻值

Rx

1052×1053×1054×1055×105所以:(2)查附录可知，CF741型集成运放的最大输出电压为13V，超出此值时输入与输出不再有线性关系，所以，选用50V量程的电压表是没有意义的。26大连理工大学电气工程系二、加法运算电路u＋=u－

=0

u－u＋uORFiF－＋∞＋R12R2uI1iI1iI2uI2R11ＲFＲ12ＲFＲ11+uI2)uO=－(uI1

当uI1单独作用时,uO1=－ＲFＲ11uI1当uI2单独作用时,根据叠加定理:uO=uO1＋uO2uO1=－ＲFＲ12uI2加法运算电路虚地27大连理工大学电气工程系①当R11=R12=R1时：②当R11=R12=RF时：uO=－(uI1+uI2)，

③平衡电阻：R2

=R11∥R12∥RF。说明u－u＋uORFiF－＋∞＋R12R2uI1iI1iI2uI2R11ＲFＲ12ＲFＲ11+uI2)uO=－(uI1ＲFＲ1uO=－(uI1+uI2)加法运算电路28大连理工大学电气工程系三、减法运算电路

当uI1单独作用时,uO1=－ＲFＲ1uI1当uI2单独作用时,RFR1uO2=(1＋)u＋R3R2＋R3u＋=uI2=(1＋RFR1)R3R2＋R3uI2u－u＋uORF－＋∞＋R1R2uI2uI1R3u－u＋uORF－＋∞＋R1R2uI1R3u－u＋uORF－＋∞＋R1R2uI2R3根据叠加定理:uO=uO1＋uO2减法运算电路29大连理工大学电气工程系ＲFＲ1R3R2＋R3RFR1=(1＋)uI2－uI1

uO=uO1＋uO2ＲFＲ1uO=(uI2－uI1)Ｒ3Ｒ2ＲFＲ1当=时,①②当R1=RF时,uO=uI2

–uI1③平衡电阻R2∥R3=R1∥RF。

说明u－u＋uORF－＋∞＋R1R2uI2uI1R3R3/R21＋R3/R2减法运算电路30大连理工大学电气工程系[例10.5.2]如图为两级运放组成的电路，已知uI1=0.1V，uI2

=0.2V，uI3

=0.3V，求uO。∞－＋＋△uI1uI2∞－＋＋△uI3+uO－30k30k30k10k10k10k10k10kＲF1Ｒ12ＲF1Ｒ11uO1=－(uI1＋uI2)第一级为加法运算电路：[解]第二级为减法运算电路：R5R4+R5RF2R3(1＋)uI3ＲF2Ｒ3－uO1

uO==0.3V=0.6V31大连理工大学电气工程系四、微分运算电路u－u＋uORF－＋∞＋R2uIiFC＋uC－iC

u+=u－=

0iF=iC

duCuO=－RFCdtduIuO=－RFCdtduC=CdtuORF－OuO

tOuItUI①当uI为阶跃电压时,

uO为尖脉冲电压。说明②平衡电阻R2=RF。

微分运算电路虚地波形32大连理工大学电气工程系五、积分运算电路

u＋=u－=

0iI=iF1R1CuO=－uIdt∫＋uC－u－u＋uOR1－＋∞＋R2uIiFCiIduCdt

CuIR1=uO=－uC说明①当uI为阶跃电压时,

uO随时间线性积分到负饱和值为止。OuIUIttOuO－UOM②平衡电阻R2=R1。

积分运算电路波形虚地

33大连理工大学电气工程系10.6电压比较器一、单限电压比较器+UOM电压传输特性R－＋∞＋RuIUR－UOMuOuIuOOUR－UOMR－＋∞＋RuIURuO+UOMuIuOOUR信号输入方式34大连理工大学电气工程系零电压比较器可以实现波形变换,即可以把正弦波变换为方波。当UR=0时，称为零电压比较器－UOMtuIO

tuO

O

＋UOMR－＋∞＋RuIuO零电压比较器输出波形35大连理工大学电气工程系[例10.6.1]如图所示是利用运放组成的过温保护电路，R3是负温度系数的热敏电阻，温度升高时，阻值变小，KA是继电器，要求该电路在温度超过上限值时，继电器动作，自动切断加热电源。试分析该电路的工作原理。[解]从图中可得：正常工作时，uI＜UR，uO=－UOM晶体管T截止，→KA线圈不通电,→KA不会动作。uOR1

－＋∞＋R2uI＋UCCR4R3UR

T

KA

R2R1＋R2UR=UCC(2)R4R3＋R4uI=UCC(1)36大连理工大学电气工程系当温度超过上限值时，

R3的阻值下降；根据公式(1)可知uI增加，当uI>UR时，uO=＋UOM晶体管T饱和导通，→

KA线圈通电,→KA产生动作，→切除加热电源，→实现过温保护。uOR1

－＋∞＋R2uI＋UCCR4R3UR

T

KA

37大连理工大学电气工程系+UOM－UOM二、滞回电压比较器当

uO=+UOM时,u+

=UH=RFR2+RF

UR+R2R2+RF

UOM当

uO=－UOM

时,u+

=UL=RFR2+RF

UR－R2R2+RF

UOMOuO

uIULUHuO+_R1

－＋∞＋R2uIURRF滞回电压比较器电压传输特性上限触发电压

下限触发电压

38大连理工大学电气工程系+UOM－UOMOuO

uIULUHuO+_R1

－＋∞＋R2uIURRf△U=UH–

UL——称为滞回宽度改变R2和RF，可以改变U、UL、UH。电压传输特性滞回电压比较器39大连理工大学电气工程系三、双限电压比较器当

uI＜UL时,

uO1=－UOMuO2=＋UOM当

uI>UH时,

uO1=＋UOMuO2=－UOM当UH＜uI＜UL时,uO1=－UOM

uO2=－UOMuO=＋UOMuO=＋UOMuHuO2uO1D1

D2

uO－＋∞＋uL－＋∞＋uIuLuHuIuOO+uOMuO=0

双限电压比较器电压传输特性40大连理工大学电气工程系AoF=110.7RC正弦波振荡电路＋Uo－＋Ui－－Uf

＋放大电路

A0反馈电路

F正弦波振荡器原理电路uORCC－＋∞＋RFR1RRC正弦波振荡器Uf=F

UoUoAoUi=反馈电路同相比例电路41大连理工大学电气工程系1.自励振荡的相位条件反馈电压Uf的相位要与输入电压Ui的相位相同。·

·即必须是正反馈。

RC串并联电路

＋Uf=Ui

－

＋UO－RRCC=UfUoRXC

3＋jR2－XC

1=2Z并Z总(R－jXC

)＋[R∥(－jXC)]R∥(－jXC

)=42大连理工大学电气工程系UfUoR=

XC

=2pfnC112pRCfn=RXC

3＋jR2－XC

1=2若满足Uf和Ui同相位··=UfUo13——振荡频率F=

RC串并联选频电路

＋Uf=Ui

－

＋Uo－RRCC

改变R、C可以改变振荡频率。43大连理工大学电气工程系|Ao|

=3=UfUoF=132.自励振荡的幅度条件反馈电压与输入电压大小相等。即|Ao||F|=1。RFR11＋=3ＲF=2R1Uf=F

Uo··UoAoUi=··

uORRCC－＋∞＋RFR1θRC正弦波振荡器44大连理工大学电气工程系RC正弦波振荡器再反馈→Ui=Uf=|F|Uo2

3.自励振荡的起振条件

振荡电路的组成→接通电源→Uo1反馈→Ui=Uf=|

F|Uo1

放大→Uo2=|

Ao

||

F|

Uo1＞

Uo1再放大→Uo3=|

Ao

||F|Uo2

＞Uo2起振的过程①放大电路②正反馈电路③选频网络……反馈电路放大电路uORCC－＋∞＋RFR1R选频电路45大连理工大学电气工程系——才能起振——振荡稳定——不能起振①

|Ao||

F

|＞1

②

|Ao||

F

|=1③

|Ao||

F

|＜1

总之，起振过程是由|Ao||F|>1，一直到|Ao||

F|=1，达到稳定的过程。振荡波形46大连理工大学电气工程系|Ao|

=3ＲF=2R1振荡稳定时:|Ao||

F

|=1|Ao|

＞3ＲF>2R1起振时:|Ao||

F

|＞1ＲF

为非线性电阻，选择负温度系数的热敏变阻。

uORRCC－＋∞＋RFR1θRC正弦波振荡器