第十六章集成运算放大器

集成运算放大器第十六章1

第16章集成运算放大器§16.1集成运算放大器简介§16.2集成运放的基本结构§16.3信号的运算电路§16.4集成运放的非线性应用2教学目的和要求：1、正确理解理想运放的特点；2、熟练掌握比例、求和、减法和积分电路；3、正确理解电压比较器的工作原理重点：

1、理想运放的特点

2、基本运算放大电路分析

3、电压比较器难点：1、电压比较器学时：3个3§16.1集成运算放大器简介将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。集成电路:优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类:模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路INTEGRATEDCIRCUITS4集成电路内部结构的特点1、单个的精度不是很高，但由于是在同一硅片上，用同相工艺生产出来的，性能比较一致。2、元器件相互离得很近，温度特性较一致。3、电阻一般在几十欧至几十千欧，太高或太低都不易制造。4、电感难于制造，电容一般不超过200PF，大电容不易制造。IC5集成运放的简单介绍

实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。输入级中间级输出级偏置电路输入级：由差放构成，可减小零点漂移和抑制干扰。中间级：共射放大电路，用于电压放大。输出级：互补对称电路。降低输出电阻，提高带载能力。偏置电路：由恒流源构成，确定运放各级的静态工作点。6

§16.2集成运放的基本结构输入级中间级输出级-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原理框图输入级：差动放大中间级：共发射极输出级：功率放大7-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：输入级尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,

输入阻抗ri尽可能大。8-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级足够大的电压放大倍数9-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

，输出阻抗ro小。10

ri

高:几十k

几百k运放的特点：KCMRR很大

ro

小：几十

~几百

Ao很大:104以上~107理想运放：

ri

KCMRR

ro

0Ao

运放符号：＋－u－u+uo运放的特点和符号－＋＋

u－

u+

uoA0国标符号国际流行符号11电压传输特性uo=f(ui)线性区：uo

=

Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性uo++u+u–+UCC–UEE–饱和区OAo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。ε12运算放大器线性应用时的分析依据1.因为输入电阻为无穷大，所以输入电流电流为零，相当于开路，所以此性质称为虚断。2.因为开环增益为无穷大，所以输入电压电压相等，相当于短路，所以此性质称为虚短。13理想运放工作在饱和区的特点1.输出只有两种可能，+Uo(sat)或-Uo(sat)不存在虚短现象当：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

2.输出只有两种可能，+Uo(sat)或-Uo(sat)仍存在虚断现象14主要参数1.最大输出电压UOPP

能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益Auo

运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。4.共模输入电压范围UICM

当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差。其值越小越好，一般在零点零几微安级。3.输入失调电压UIO为使输出等于零，

而在输入端加的微小补偿电压。（调零工作已由调零电位器完成）155.输入偏置电流IIB

当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流，其值越小越好。一般在零点几微安级。6.共模输入电压范围UICM

运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能在规定的共模电压范围内才具备。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。16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。

理想运放工作在线性区的条件：在运放的输出与输入之间加深度负反馈。放大倍数与负载无关，可以分开分析。虚短路虚断路§16.3信号的运算电路16.3.1概述17运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积分、微分等简单运算，还能完成对数与反对数以及乘除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用叠加定理。1816.3.2信号的运算电路(1)反相比例运算放大器_++RFR1R2uiuoi1iFi1=iF因要求静态时u+、u-对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF电路组成电压放大倍数根据输入端口电流为0的特性所以，根据输入端口电压为0的特性19当R1=Rf时，u0=-ui电路被称为反向器。结论：⑴Auf为负值，即u0与ui极性相反，因为ui加在反相输入端。⑵Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。⑶可大于1，也可等于1或小于1。20例：电路如下图所示，已知R1=10k

，RF=50k。求：1.Auf

、R2；

2.若R1不变，要求Auf为–10，则RF

、R2应为多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–21(2)同相比例运算放大器uo_++RFR1R2ui(1)电路组成输入电压加在运放的同相输入端，而在反相输入端引入负反馈因要求静态时u+、u-对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF⑵电压放大倍数根据虚短和KVL根据虚断22(3)电压跟随器若令此时电路变成电压跟随器，在电路中起隔离作用。图中由R1和R2构成的分压电路中，开路电压接负载电阻RL后23

如果通过电压跟随器接入负载电阻RL，由于运算放大器电阻趋于，则此电路输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能更好。即负载电阻对前级电路的影响被隔离了，因此，电压跟随器在实际电路中起隔离作用。24求和电路的输出量反映多个模拟输入量相加的结果。所以：当R1=R2=R3=R时，(4)反相求和运算：25(6)减法电路_++RFR1R2ui2uoR3ui1当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，可进行减法运算。当R1=R2，R3=RF时当R1=RF时26方法二：利用叠加定理来求解_++RFR1R2ui2uoR3ui1结论：减法运算电路可以看成是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加27(7)积分运算：i1iFu

i-++R1R2CFuo将反相比例运算放大电路中的反馈元件RF用电容CF代替，就成为积分电路。当输入信号为阶跃信号时，28tui0应用举例1：tuo01、输入方波，输出是三角波。292、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。tuIOUm30

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。ifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。uoCFuiR2R1++––++–RF31(7)微分运算：ui－++uoRFR2i1iFCF微分电路微分运算是积分的逆运算即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。32若输入：则：tui0tuo0则输出信号uo为尖脉冲信号：若输入ui为阶跃信号：tui0Uituo0微分电路稳定性不高，用得较少。（波形如上图）33uoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器ifiRiC3416.3运算放大器在信号处理方面的应用16.3.1有源滤波器16.3.2采样保持电路16.3.3电压比较器35电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时，输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。36理想运放工作在非线性区时的特点uo

≠

Aod

（

u+-

u-

）

当u+>

u-

uo=当u+

<

u-

uo=1.输出电压uo的值只有两种可能：2.理想运放的输入电流等于零，仍然存在虚断。i+=

i-虚断不再存在虚短现象+UO(sat)uOu+-u-O理想特性电压传输特性-UO(sat)+UO(sat)-UO(sat)37⑴基本电压比较器参考电压电压传输特性运放处于开环状态当u+>

u-

uo=+UO(sat)当u+

<

u-

uo=-UO(sat)即当ui<uR,uo=+UO(sat)即ui>uR,uo=-UO(sat)可见，在ui=uR时处输出电压uo

发生跃变。38ui单方向变化时，uo只变化一次电压传输特性39输入信号接在反相端电压传输特性输入信号接在同相端40输入信号接在反相端输入信号接在同相端41⑵输出带限幅的电压比较器Ui<uR时，Ui>uR时，电压传输特性设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向压降，则Ui<uR时，UO=UZ;Ui<uR时，UO=-UZ42uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)⑶过零比较器UR=0电压传输特性利用电压比较器将正弦波变为方波43++uouituituo+Uom-Uom例：利用电压比较器将正弦波变为方波。44tuituo过零附近仍处于放大区Ao不够大时的情况45

16.5

使用运算放大器应注意的几个问题

集成运放的用途广泛，在使用前必须进行测试，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，同时还应注意以下问题。

2.调零：应在闭环状态下调零

方法一：输入为零，调节调零按钮使输出为零。方法二：加一定输入，调节调零按钮使输出为一理想值。1.选用元件

根据实际要求选用运算放大器。选好后，根据管脚图和符号图连接外部电路，包括电源、外接偏置电阻、外接消振电路及调零电路等。

46调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象不能调零原因3.