chapter16 集成运算放大器

第16章集成运算放大器了解通用集成运放的基本组成及主要参数的意义；2.掌握运算放大器的特点、符号和电压传输特性；3.熟悉通用集成运放LM741的管脚功能；4.理解理想运算放大器的条件并掌握其基本分析方法；5.理解用集成运放组成的比例、加法、减法、微分和积分运算电路的工作原理，了解PID和PDD在后续课程中的应用；6.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求：16.1集成运算放大器的简单介绍

集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成运算放大器的特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸开环电压放大倍数Auo

高：80dB~140dB差模输入电阻rid高：105~1011输出电阻ro

低：几十

~几百共模抑制比KCMRR高：70dB~130dB集成运放的总体结构

16.1.2电路的简单说明+UCC–UEEuou–u+输入级中间级输出级同相输入端输出端反相输入端

输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放

。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。集成运算放大器符号同相输入端反相输入端输出端典型集成运放芯片介绍1.μA741（F007、5G24、LM741）单运放2.μA747双运放16.1.3主要参数

运算放大器的性能可用一些参数来表示。为了合理地选用和正确地使用运算放大器，必须了解各主要参数的意义。1.最大输出电压UOPP

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，称为运算放大器的最大输出电压。F007集成运算放大器的最大输出电压约为12V。2.开环电压放大倍数Auo

在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。

Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。Auo一般约为104～107，即80～140dB。3.输入失调电压Uio

理想的运算放大器，当输入电压ui1

=ui2

=0（即把两输入端同时接地）时，输出电压uo

=0。但在实际的运算放大器中，由于制造中元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，uo

≠0。反过来说，如果要u0=0，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。

Ui0一般为几毫伏，愈小愈好。4.输入失调电流Ii0

输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即。Ii0一般在零点零几微安级，其值愈小愈好。5.输入偏置电流IiB

输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流，即它的大小主要和电路中第一级管子的性能有关。愈小愈好，一般在零点几微安级。6.最大共模输入电压UiCM

运算放大器对共模输入信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备。如超出这个电压，运算放大器的共模抑制性能就大为下降，甚至造成器件损坏。

一般为±13V

指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。

±30V7.最大差模输入电压Vidmax

总之，集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入电阻高（约几百千欧）、输出电阻低（约几百欧）、漂移小、可靠性高、体积小等主要特点，所以它已成为一种通用器件，广泛而灵活地应用于各个技术领域中。在选用集成运算放大器时，就像选用其它电路元件一样，要根据它们的参数说明，确定合用的型号。16.1.4理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRR2.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3.理想运放工作在线性区的特点∵uo

=

Auo(u+–

u–

)∴①差模输入电压约等于0

即u+=u–

称“虚短”

②输入电流约等于0

即i+=i–0称“虚断”

电压传输特性

Auo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。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo线性区-Uo(sat)+Uo(sat)4.理想运放工作在非线性区的特点①输出只有两种可能+Uo(sat)或–Uo(sat)②i+=i–0

，仍存在“虚断”现象电压传输特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)饱和区当u+>u–

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo

=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

16.2

集成运放

在信号运算方面的运用一、比例运算电路二、加法运算电路三、减法运算电路四、积分运算电路五、微分运算电路16.2.1比例运算1.

反相比例运算（1）电路组成

以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。（2）电压放大倍数∵虚短

∴

u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点∵虚断，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–∴i1if

∵要求静态时u+、u-对地电阻相同，∴平衡电阻R2=R1//RF

⑤电压并联负反馈，输入、输出电阻低，

ri

=R1。共模输入电压低。结论：①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。∵ui

加在反相输入端。②Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④∵

u-=u+=0，∴反相输入端“虚地”。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.∵

Auf

=–RF

，R1

=–RF

10=–10

∴RF=Auf

R1=1010=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例运算∵虚断，∴

u+=ui

（1）电路组成（2）电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++–∵虚短，∴

u–=ui

，反相输入端不“虚地”

∵要求静态时u+、u-对地电阻相同，

∴平衡电阻R2=R1//RFu+u–⑤电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。结论：①Auf为正值，即

uo与ui

极性相同。∵ui

加在同相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④u-=u+

≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。当R1=或RF

=0时，uo=ui

，

Auf=1，

称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：负载电流的大小与负载无关。例2：负载浮地的电压——电流的转换电路1.

能测量较小的电压；2.

输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi116.2.2加法运算电路

1.反相加法运算电路∵虚短u-=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–∵虚断，i–=0

∴

ii1+ii1=if

2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理：

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–思考u+=?也可写出u-和u+的表达式，利用u-=u+的性质求解。1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–16.2.3减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量放大电路分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––16.2.4积分运算电路由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uc+–当电容CF的初始电压为uc(t0)时，则有若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui

时，则uitO积分饱和线性积分时间线性积分时间-UOMuotO+UOMui=Ui

>0

ui=Ui

<0

采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo

是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化

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。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1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16.2.5微分运算电路uot0t0uiifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–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

—PD调节器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC16.3

集成运放在信号处理中的应用只讲16.3.3电压比较器电压比较器功能：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。理想运放工作在非线性区的特点：①输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

当u+>u－

时，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虚短”现象

②i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)饱和区电压传输特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压：输出跃变所对应的输入电压。uiuooURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo

=–

Uo

(sat)UR：参考电压（阈值电压或门限电压）翻转条件。可见，在ui

=UR处输出电压uo

发生跃变。uitoURouot+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuooURui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuooUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuooURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––ouot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uitoURt1t2ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuooURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

过零电压比较器tuituo+Uo(sat)-Uo(sat)利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuooUR=02.滞回比较器上门限电压下门限电压

电路中引入正反馈1.提高了比较器的响应速度2.输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上RF当uo=+Uo(sat)，

则当uo

=–Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2uoui++–R1+–+–－－上门限电压U'+

：ui

逐渐增加时的门限电压下门限电压U"+：ui

逐渐减小时的门限电压uiuo0

-Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uit0uo0t+Uo(sat)-Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性—滞回比较器RFR2uoui++–R1+–+–根据叠加原理，有改变参考电压UR