第四章集成运算放大器

第四章集成运算放大电路本章主要内容：3．集成运放在信号运算、信号处理及信号产生方面的应用。1．集成运放的组成及主要参数；2．理想集成运放两种工作方式的主要特点和分析方法；1.理想运放“虚短”、“虚断”的含义；2.集成运放两种工作状态的特点和分析方法；3.各种信号发生电路、比较电路的原理。本章重点：一、集成运算放大器电路简介集成运算放大器（简称集成运放）是一种多级放大电路，性能理想的运放实际上是一种具有高开环放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、工作点漂移小并具有深度负反馈的多级直接耦合放大器。第四章集成运算放大电路

第一节概述电路设计特点：级间采用直接耦合方式利用对称结构改善电路性能集成运算放大器内部组成框图。第四章集成运算放大电路

第一节概述采用差分放大电路构成，第一级放大采用共射极放大电路，提供足够大的电压放大倍数采用共集电极放大电路或功放中的互补对称电路。提供足够大的输出功率满足负载需要，提供稳定合适的偏置电流。1．输入级采用差分放大电路构成。具有对称性好、输入电阻高、可以有效减小零点漂移、抑制干扰信号等优点，因此可以有效放大有用信号。2．中间级为整个电路提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放大电路，集电极电阻用晶体管恒流源代替，恒流源的动态电阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。3．输出级输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足够大的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低，带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。4．偏置电路为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流过大时将运放烧坏。第四章集成运算放大电路

第一节概述◆

输入方式:

①反相输入

②同相输入（共模输入）

③差分输入（混合输入）反相输入端同相输入端输出端uou－u+－ud+Ao－++集成运放的国标图形符号100dB2387546u－u+uo+UCC－UEEF007的外部接线和管脚图国际流行符号国标符号具有电源引脚的集成运放国际流行符号

运算放大器外形图二、集成运算放大器的主要参数

三个概念1.反馈—将电路的输出量(电压或电流)的一部分或全部，以一定的方式通过某种电路（反馈）回送到输入端或输入回路，去影响输入量（电流或电压），以改善放大电路的某些性能。输入输出

放大电路

反馈网络若反馈信号增强净输入信号－输出信号得到提高－正反馈；若反馈信号削弱净输入信号－输出信号得到削弱－负反馈；

闭环－放大电路的输入回路与输出回路之间有联系，即有反馈时；开环－放大电路的输入回路与输出回路之间无联系，即无反馈时。1.开环电压放大倍数（开环电压增益）Auo——在输出端开路，无外接反馈电路时，两个输入端加电压输入信号，此时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数，简称开环电压放大倍数，一般用分贝表示。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。理想情况下，Auo＝∞u－u+Ao－++2.开环差模输入电阻rid

——集成运放加入差模信号时的开环等效输入电阻。表征了输入级从信号源取用电流的大小，其值越大越好。3.开环输出电阻ro

——没有外接反馈电路时，输出级的输出电阻。表征了集成运放带负载的能力，其阻值越小越好。4.输入失调电压uio——实际的集成运放中，当输入电压为零时，输出电压不等于零，为使输出电压为零，须在输入端加补偿电压，该补偿电压就称为输入失调电压。它表征了输入级差分对管（或）不对称的程度，一般在毫伏级。5.最大输出电压UOM——能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。6.共模抑制比KCMRR——它表示集成运放的差模放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值，即：

KCMRR越大，说明运算放大器抑制共模信号的性能越好。◆

理想运放的主要条件：(1)开环放大倍数：Ao→∞(2)开环输入电阻：ri→∞(3)开环输出电阻：ro→0(4)共模抑制比：KCMRR→∞uou－u+－ud+∞－++△理想运放的图形符号三、理想集成运放的技术指标及符号第四章集成运算放大电路

第一节概述四、集成运算放大器的电压传输特性两个工作区——线性工作区和非线性工作区1．线性工作区+UO(sat)－UO(sat)理想特性实际特性Ouou+u-第四章集成运算放大电路

第一节概述或集成运放处于线性区的特点uo∞－++△ui1Rfu－u+i1if（1）“虚短”——集成运放两个输入端的电压近似相等，即u+≈u-。特殊情况：反相端有信号输入时，同相输入端接“地”——反相输入端是一个不接“地”的“地”电位，通常称为“虚地”ui2（2）“虚断”——流进集成运放两个输入端的电流近似等于零，即i+＝i-≈0。原因：由于集成运放开环差模输入电阻很高（理想时∞）理想的集成运放无论工作在线性区还是非线性区，“虚断”现象总是存在的。第四章集成运算放大电路

第一节概述uo∞－++△ui1Rfu－u+i1ifui2（1）（2）集成运放两个输入端电压u+与u－不一定相等，即“虚短”的结论不一定成立。（3）集成运放输入电流仍等于零。即“虚断”现象仍然存在。2.非线性工作区（饱和状态）——处于开环或正反馈时当u+＞u－时：uo=+UO(sat)当u+＜u－时：uo=－UO(sat)第四章集成运算放大电路

第一节概述uo∞－++△ui1u－u+ui2如何判断理想集成运放的工作状态？集成运放电路连接方式：1.开环：2.正反馈：3.负反馈判断方法：集成运放电路开环——非线性工作区用无源网络连接输出端和同相输入端——正反馈，非线性工作区用无源网络连接输出端和反相输入端——负反馈，线性工作区uo∞－++△R1uiRfRpu－u+请判断有无反馈如何分析集成运放电路？（1）分析判断集成运放的工作状态（有无反馈？反馈的极性？）；（2）根据集成运放在线性区和非线性区的特点分析具体电路和输入输出关系。(一)比例运算电路(1)反相比例运算电路u－=u+=0uo∞－++△R1uiRfRpu－u+虚地i1ifi1=ifuiR1=－uoRfuo=－ＲfＲ1ui闭环电压放大倍数Af第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路平衡电阻当Rf=R1时：

uo=－ui反相器uo∞－++△R1uiRfRpu－u+平衡电阻:Rp=R1//Rf平衡电阻的作用：保证集成运放的同相输入端和反相输入端的外接电阻相等，以消除静态基极电流对输出电压的影响。第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路(2)同相比例运算电路uo∞－++△R1RpuiRfu－u+i1ifu－=u+=uiif=i1u－－uoRf=-u－R1uo=RfR1)ui(1+平衡电阻:RP=R1//Rfuo∞－++△ui闭环电压放大倍数Af当电压跟随器

再令

第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路(二)加法运算电路1.反相加法运算电路

uo∞－++△R12RFRpR11ui1ui2R13ui3当

第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路2.同相加法运算电路元件参数：——保证电路能够补偿输入偏置电流、失调电流及其漂移的影响。

应用叠加原理可知，可由和两个电压源单独作用的叠加求出：

单独作用时，令

单独作用时，令

根据“虚短”现象，，而所以输出电压为：

若选取第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路两个电压源共同作用时，第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路(三)减法运算电路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui21．应用集成运放中“虚短”和“虚断”的特点。

当和

当第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路2．应用叠加原理求解

R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2▲当ui1单独作用时:+①②R3uo´∞－++△R1RfR2ui1R3uo´´∞－++△R1RfR2ui2uo′=－ＲfＲ1ui1▲当ui2单独作用时:uo´´=(1+RfR1)u+u－u+u+=R3R2+R3ui2=(1+RfR1)R3R2+R3ui2则：uo=uo´

+uo´´RfR1)=(1+R3R2+R3ui2－ui1ＲfＲ1当=ＲfＲ1Ｒ3Ｒ2时：uo=ＲfＲ1(ui2－ui1)▲平衡电阻:

R2//

R3=R1//RfR3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路例4-3图4-10示电路是具有四个输入电压的双端输入和差运算电路。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的关系式。解：若令则该电路成为同相加法运算电路，

式中，

第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路若令则电路成为反相加法运算电路若令第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路练习题1.设计运算电路实现：uo=-3uiuo∞－++△R1uiRfRp2.求解下图所示电路的运算关系反相比例运算电路反相加法运算电路将uo1代入uo2的表达式，可得3.设计运算电路实现：uo=2ui1-ui2第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路(四)积分运算u－

=u+=0uC=u－－uo=－uoif=i1

i1=uiR1if=CduCdt

=－Cduodtuo=－∫uidt1R1C▲平衡电阻:R2=R10uot－Uit1R1C－UO（sat）(b)波形uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－(a)电路0uitUi(五)微分运算电路u－=u+=0uC=uiif=i1i1=CduCdtif=－uoRfuo=－Rf

Cduidt▲平衡电阻:

R2=Rf0uot(b)波形ifi1+uC－uo∞－++△CuiRfu－u+R2(a)电路0uitUi第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路基本微分电路存在的缺点：①输出端可能出现输出噪声淹没微分信号的现象；②由于电路中的反馈网络构成的RFC滞后环节，它与集成运算放大器的滞后环节合在一起，使电路的稳定储备减小，电路容易引起自激振荡；③突变的输入电压可能造成uo

超过集成运算放大器所允许的最大输出电压，以至于产生堵塞现象，造成自锁状态,使电路不能正常工作。改进型的微分运算电路第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路例4-7试求图所示电路的与的关系式。

此电路是一个反相比例运算和微分运算相结合的电路，因此称为比例－微分调节器（简称PD调节器），用于控制系统中，使调节过程起到加速作用。

解由图可列出第四章集成运算放大电路

第二节模拟信号的运算电路一、电压比较电路基本功能：对输入模拟电压进行比较和鉴别,根据输入模拟电压是大于还是小于给定的参考电压来决定电路的输出状态,也可以由比较电路的输出状态来判断输入电压的大小，故称为电压比较器。构成比较器的集成运放一般接成开环或正反馈状态，使其工作于非线性区。第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路(一)基本电压比较器反相输入端输入模拟电压，同相输入端接参考电压第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路反相输入的基本比较电路1．过零比较电路当参考电压时，即上图中的同相输入端通过电阻R1接地，与参考电压（此时参考电压为零电压）进行比较。当时，，其值接近负电源电压；当输入信号时，则有，其值接近正电源电压。传输特性第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路在过零比较电路中，若输入电压为正弦电压，理想情况下的输出电压为方波，且的频率相同。和第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路是正弦波的周期，且例4-9电路如图所示，输入电压为正弦波，电路的时间常数τ，试画出和的波形。解；反相输入端的参考电压为零，而同相输入端接输入电压，此时的电路为一同相输入过零比较器。若输入电压为正弦波，则同相输入过零比较电路的输出电压为矩形波，并且其极性与输入电压相同。

第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路集成运算的输出端接积分电路，由积分电路对输出电压电路的时间常数很大，接近三角波。

进行积分，由于电容的充放电的时间很长，所以经积分后的输出电压第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路2.任意电平比较器当参考电压时，则为任意电平比较电路。门限电压，反相输入端接入输入电压,输出端通过限流电阻R接在特性相同的的稳压管VS1和VS2上（稳定输出电压，并限制幅度）。在同相输入端加上参考电压；当时，则。其中为稳压对管的稳定输出电压。稍大于时，则有稍小于第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路为正、负半周宽度不等的矩形波输出电压当输入电压为正弦电压时，第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路输入电压和参考基准电压都接在集成运放的反相输入端，同相输入端经平衡电阻接地（）。根据电路的特点，可知在3.基准电压比较器时，电路输出电压的状态在发生变化第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路（3）在过时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端（2）写出集成运放同相输入端、反相输入端电位的表达式，令，解得的输入电压就是门限电压、阈值电压（1）通过研究集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平和输出高电平

分析电压传输特性的方法：例题：下图1所示电路中，稳压管的稳定电压；在图2所示电路中，，基准电压，稳压管的稳定电压；它们的输入电压均为图3所示的三角波。试分别画出两电路输出电压的波形。图1图2图3二、施密特比较器

单限比较器——优点：电路简单、灵敏度高；缺点：抗干扰能力差。施密特比较电路：改进单限比较器。——在开环比较器的基础上增加由电阻构成的正反馈环节（又称施密特触发电路）。第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路

输出电压故将随取值的不同而相应取不同值。

当时，电路的输出；当时，电路的输出为使输出电压由跳变到，以及由跳到所需的输入电压是不同的，也就是这种比较器有两个不同的门限电平。第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路设电路的初始状态为

集成运算放大器同相输入端的电压也变为：稍大于时，电路的输出电压的状态就由转换到,由于电路中正反馈的作用，电路输出电压的状态转换非常迅速。同理，电路的输出状态转换成后，当减小到稍小于时，电路的输出电压就由转换到第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路其中称上门限电压，称下门限电压。和之差称为回差电压。

第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路2)改变参考电压的大小，上和下门限电压同时改变，但回差电压不变，也就是说，当增大或者减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或者左移，但滞回曲线的宽度保持不变；说明：回差电压的大小取决于稳压管的稳压电压和正反馈网络中的，而与参考电压无关；3)由于回差电压的存在，施密特比较器具有较强的抗干扰能力。第四章集成运算放大电路

第三节信号处理电路例4-11稳压管的稳定电压试求两个门限电压，并画出的波形。解：

上门限电压：下门限电压为:第四章集成运算放大