第2章(14)集成运放

2.1放大的概念和电路主要指标2.1.1放大的概念放大的对象：变化量(常用正弦波作测试信号)放大的本质：能量的控制和转换

在输入信号的作用下，通过放大电路，将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载上获得的能量大于信号源提供的能量。第2章集成运放及其基本运用◆放大电路的核心元件：有源元件。用于能量的控制和转换。◆放大的特征：功率放大、幅度放大。负载上获得比输入信号大得多的电压或电流，或者兼而有之。◆放大的基本要求：不失真。这是放大的前提，要求放大电路中的有源元件工作在合适的区域，使输入量与输出量始终保持线关系。2.1.2.放大电路的性能指标1、放大电路的框图2、放大电路的性能指标

电压放大倍数电流放大倍数互阻放大倍数互导放大倍数（1）放大倍数

是衡量放大电路放大能力的指标（2）输入电阻和输出电阻放大电路作为信号源（前级）的负载，输入电阻是衡量其负载效应的参数输入电阻Ri输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。输出电阻Ro对负载来说,放大器的输出端口等效为一个信号源，其内阻就是放大电路的输出电阻，根据戴维南定理，为开路电压由分压公式得输出电阻R0的大小反映了放大电路带负载的能力问题1：对放大电路来说，希望输入电阻Ri越大越好还是越小越好？⑴对输入为电压源的电路，Ri越大越好！（分压大）⑵对输入为电流源的电路，Ri越小越好！（分流大）问题2：

Ro越大越好还是越小越好？⑴输出为电压信号时，Ro越小越好（恒压源）⑵输出为电流信号时，Ro越大越好（恒流源）

R0愈小，负载电阻变化时，Uo的变化愈小，放大电路带电压负载的能力愈强。(3)通频带(衡量放大电路对不同频率信号的适应能力)在信号频率上升到使放大倍数的值等于0.707││的频率。通频带放大器的幅频特性:放大电路只适用于放大某一特定频率范围的信号，在信号频率下降到使放大倍数的值等于0.707││的频率。mA&在输入信号频率太高或太低时，放大倍数的值会下降并产生相移。（4）最大不失真输出电压在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值(UOPP、IOPP)表示，或有效值表示(Uom、Iom)。（5）最大输出功率与效率最大输出功率Pom

：：效率PV：直流电源消耗的功率效率η：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率。直流电源能量的利用率2.2集成运算放大电路2.2.1差分放大的概念（在6.3节中介绍）输入级均采用差分放大电路,具有很强的抑制零点漂移的能力；中间级一般采用有源负载的复合管共射电路，以获得高的匀电压放大倍数；输出级通常采用射极输出或互补对称输出电路，以提高电路的带负载能力；偏置电路一般采用恒流源电路，其特点是直流电阻小，交流电阻大，常用来作有源负载和为各级提供合理而稳定的偏置电流。集成运放的组成2.2.2集成运放的符号及其电压传输特性集成运放的符号+AoduPuNuO同相输入端uP电压传输特性

uO=f(uP–uN)uOuP-uN反向输入端uN。输出端uO。线性区:

线性应用（运算电路）非线性区:非线性应用（比较器）输出电压与输入电压存在线性放大关系，即Aod为差模开环放大倍数输出电压只有两种可能的情况：+UOM或-UOMUOM为输出电压的饱和电压、其数值接近电源值。+UOM-UOM2.2.3理想集成运放理想运放的性能指标1、开环电压增益Aod=∞2、差模输入电阻Rid=∞3、输出电阻R0=04、共模抑制比KCMR=∞5、上限截止频率fH=∞6、输入失调电压UOI及其温漂dUOI/dT为零输入失调电流IOI及其温漂dIOI/dT为零；无内部噪声。2.2.4理想运放两个工作区域的特点1、工作在线性区的特点：

为了使其工作在线性区，需要引入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超出线性范围。uo=Aod（uP-uN）=AodUI

特点:称两输入端“虚短路”（指运放两输入端的电位无限接近，但又不是真正的短路）。称两输入端“虚断路”（指运放两输入端的电流趋于零，但又不是真正的断路）。若Aod=106±UOM=±15V则±UIM=±0.015mV2、理想运放在非线性工作区的特点在电路中，若运放处于开环状态，或引入了正反馈，则运放工作在非线性区。uo≠Aod（uP-uN）这时：特点：（1）输出电压只有两种可能的状态：±UOM。uOu+-u-O+UOM-UOM理想特性当uP＞uN

时uo=＋UOM当uP<uN

时uo=－UOM（2）运放的输入电流等于零，即：iP=iN=0理想运放载非线性区的电压传输特性由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。“虚短”放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。“虚断”在分析信号运算电路时对运放的处理若两输入端任一电位为零，则另一端电位也为零（1）得：“虚地”（3）++∞uou–u+i+i––（2）i+=i–02.3理想运放组成的基本运算电路2.3.1比例运算电路1、反相比例运算电路iR=iF“虚断”“虚地”若R=RF

则：u0＝－ui

称为：

反相器

故R’

=R

//RF为保证静态时输入级的对称性（N和P对地电阻相等），需加平衡电阻R’1.共模输入电压为0(∵uP=uN)，因此对运放的共模抑制比要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小(Ri=R)，因此对输入电流有一定的要求。4.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。反相比例电路的特点：当学完差动放大器和负反馈之后，应该会分析◆举例：T型反馈网络反相比例运算电路N点为虚地由分流公式：由虚断代入得用R2、R3、R4网络Rf可用低阻值R2、R3、R4获得高增益uN=uP当RF=0（此时R已无用）或R=∞时称为：电压跟随器2、同相比例运算电路由虚断：由虚断：由虚断：=uIR’=R//Rf3.共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0（Ro=0），因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。（Ri=∞）同相比例电路的特点：2.3.2加减运算电路（1）、反相求和运算电路ui1单独作用(ui2＝0，ui2＝0)时，求ui2单独作用时，？ui2单独作用时，？1、求和运算电路（2）、同相求和运算电路方法一:令RN＝R∥Rf即

RP

=R1∥R2∥R3∥R4（2）、同相求和运算电路方法二:叠加原理电阻平衡配置要求：

R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf2、加减运算电路则电压放大倍数（1）、差分比例运算电路方法1：用叠加原理若输入信号为：ui=ui2-ui12、加减运算电路由“虚短”

uN=uP

，所以：（1）、差分比例运算电路方法2：利用uN=uP(2)加减运算电路解法1：利用叠加原理求解+图(a)为反相求和运算电路图(b)为同相求和运算电路若R1//R2//Rf＝R3//R4//R5(2)加减运算电路解法2：利用uN=uP列方程即：R1//R2//Rf＝R3//R4//R5通常运放入端外接电阻要对称例1：电路应用实例（仪用放大电路）特点：两个放大级。结构对称的A1、A2

组成第一级，互相抵消漂移和失调，输入电阻大。

A3

组成差分放大级，将差分输入转换为单端输出。当加入差模信号uI时，若R2=R3，则R1的中点为交流地电位，三运放数据放大器原理图对于A1:同理对于A2:ui1ui2A3

为差分比例放大电路。当R4=R5，R6=R7时例2：求v0的数值。解：例3：求数据放大器的输出表达式再看反馈回路可推导出关系：代入上式既可得输出表达式2.3.3积分运算电路和微分运算电路1、积分运算电路由于“虚地”，u-

=0，故uO=-uC由于“虚断”，iI=iC，故uI

=iIR=iCR得：τ=RC——积分时间常数图

2.3.12积分电路的输入、输出波形(1)输入电压为阶跃信号t0t1tuIOtuOOUI当t≤

t0

时，uI=0，uO=0；当t0

<t≤t1

时，uI=UI=常数，当t>t1时，uI=0即输出电压随时间而向负方向直线增长。uo

保持t=t1

时的输出电压值不变。(2)输入电压为正弦波tuOO可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先90

。因此，此时积分电路的作用是移相。tuIOUm注意：为防止低频信号增益过大，常在电容上并联电阻Rf。(Rf用于限制低频电压增益)积分运算电路在不同输入情况下的波形1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输出电压波形？3)输入为正弦波时的输出电压波形？图7.2.18基本微分电路由于“虚断”，故iC

=iR由于“虚地”uN=0可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。实现波形变换，如将方波变成双向尖顶波。2.

微分运算电路微分电路的作用：微分电路的作用有移相功能。t0tuO0U实用微分运算电路实用微分运算电路基本微分运算电路在输入信号时，集成运放内部的放大管会进入饱和或截止状态，以至于即使信号消失，管子还不能脱离原状态回到放大区，出现阻塞现象。为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。限制输出电压幅值滞后补偿限制输入电流1、电压比较器的用途2.4.1电压比较器概述

2.4电压比较器将一个模拟输入电压和参考电压进行比较，根据比较结果输出两个不同的电平：高电平UOH或低电平UOL.用于报警、自动控制、电子测量、鉴幅、波形的产生和变换等电路中。2、电压比较器电路的特点运放工作在开环状态，或引入正反馈，运放工作在非线性区。3、电压比较器的传输特性电压传输特性的三要素：(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL电压传输特性：一般为±UOM；有输出限幅电路时，由限幅电路求出。当uI变化且经过UT时，uO是从UOH变到UOL还是反之(2)阈值电压的数值UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。写出uP和uN的表达式并令其相等，求出的输入电压即为UT）（3）翻转方向要看输入信号是作用于反相端还是同相端，另外看ui<UT还是ui>UT。

4、电压比较器的种类(1)单限比较器

电路只有一个阈值电压,在输入电压变化过程中,当通过UT时,输出电压发生一次跃变。见图(a)(2)滞回比较器

电路具有两个阈值电压,输入电压沿不同的方向变化时,输出电压只发生一次跃变,但发生跃变时的阈值电压不同,具有滞回特性。见图(b)(3)窗口比较器

电路具有两个阈值电压,输入电压沿不同的方向变化时,输出电压发生两次跃变。见图(c)2.4.2单限比较器1、过零比较器阈值电压为0当uI<0时过零比较器的传输特性为：uIuO+UOM-UOMO传输特性uO=+

UOM；当uI>0时uO=-

UOM；uP>uNuN>uP?若信号从同相端输入翻转方向改变利用稳压管限幅的过零比较器用双向稳压管实现双向限幅uIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ当uI<0时：图8.2.6无稳压管时，uO=+

UOM有稳压管后，uO=+

UZ当uI>0时：无稳压管时，uO=-

UOM有稳压管后，uO=-

UZ设稳压管的稳定电压为UZ<UOM这时的传输特性变为：利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波2.一般单限比较器确定跃变方向确定阈值电压当uI<UT时,uN<uP,uO=UOM当uI>UT时,uN>uP,uO=-UOMUOMUOMUT

++uouituituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。2.一般单限比较器跃变方向改变当uI<UT时,uP<uN,uO=-UOM当uI>UT时,uP>uN,uO=UOM当输入信号加到同相输入端时：UOM-UOMUT

改变UREF的大小和正负、改变R1和R2的大小都可以改变UTUT

UT

单限比较器的作用：优点：灵敏度高解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。缺点：抗干扰能力差。(2)确定阈值电压1、工作原理2.4.3滞回比较器(1)确定输出电压的值UOH=＋UOMUOL=－UOM运放引入的是正反馈a、当uo正饱和时(uo=+UOM)：b、当uo负饱和时(uo=-UOM)：UN=UI求UN=UP时的UI（3）确定跃变方向uoui0+Uom-UomUT+UT-设ui,当ui=<UT-时,

uo从-UOM+UOM这时,uo=-UOM,UP=UT－设开始:

uo=+UOM,UP=UT+设ui,当ui=>UT+时,

uo从+UOM-UOM这时,uo=+UOM,UP=UT+传输特性：UT+上门限电压UT-下门限电压UT+-UT-称为回差tuiUT+UT-tuoUom-Uom例题:设输入为正弦波,画出输出的波形。2、正反馈的作用:①使滞回比较器工作在非线性区;uI↑→uO↓→uP↓→uO↓↓,使uO迅速由+UOM跃变为-UOM②加快状态转变的过程,缩短状态转换的时间。

uI↓接近-UT时：uI↑接近UT时：uI↓→uO↑→uP↑→uO↑↑,使uO迅速由-UOM跃变为+UOM

3、加上参考电压后的迟滞比较器：阈值电压：uoui0UT+UT-传输特性+UOM-UOMUN=UI例题：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UREF=9V,当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。uoui0UT1UT2传输特性阈值电压：=10V=2V2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0102传输特性+UOM-UOM输出波形uoui0UT+UT-uoui0+Uom-UomUT+UT-滞回比较器两种电路传输特性的比较:4、信号从同相端输入的滞回比较器阈值电压uoui0+Uom-UomUT+UT-传输特性本章结束下一章窗口比较器参考电压UREF1>UREF2若uI低于UREF2，运放A1输出低电平，A2输出高电平，二极管VD1

截止，VD2导通，输出电压uO为高电平；若uI高于UREF1，运放A1输出高电平，A2输出低电平，二极管VD2

截止，VD1

导通，输出电压uO为高电平；图

双限比较器(a)前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入