第十六章电工学-集成运算放大器

第十六章集成运算放大器16.1集成运放简介16.2运放在信号运算方面的应用16.3运放在信号处理方面的应用16.1集成运放简介一、运放构成输入级中间级偏置电路输出级输入端输出端输入级：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：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态工作点。二、运放特点

㈠实际运放特点开环电压放大倍数高(104-107)；输入电阻高（约几百KΩ）；输出电阻低（约几百Ω）；漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低。3）开环输出电阻ro→02）差模输入电阻rid→∞

4）共模抑制比KCMRR→∞

㈡理想运放及其分析依据

理想化条件：1）开环电压放大倍数Auo→∞∞

++-u-u+uo理想运放电路模型

实际运放的参数指标很接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。

右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比较接近。o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性理想特性u+-u-运算放大器的传输特性虚断虚短线性区：

uo=Auo(u+-u-)rid→∞，故两输入端的输入电流为零。Auo→∞，uo为有限值，故u+-u-=uo/Auo≈0即u+≈

u-分析依据当有信号输入时，如同相端接地，即u+=0则u-≈

0饱和区：

uo≠Auo(u+-u-)当u+>u-

时,uo=+uo(sat)

当u+<u-

时,uo=-uo(sat)

但两输入端的输入电流仍为零。o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区

运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积分与微分等简单运算，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，都适用叠加原理。16.2运放在信号运算方面的应用

在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题：如何保证运放工作在线性区?

我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大电路的性能，所以——解决之道是：在电路中引入深度负反馈。uou-u+∞

++-

下面的问题是从输出端将反馈引到同相端还是反相端？答案是：引回到反相端Z一、比例运算

1、反相输入比例运算Rf—反馈电阻；R2—平衡电阻，用于消除静态基极电流对输出电压的影响。R2=R1∥Rf

由KCL、KVL和运放工作在线性区的分析依据：

i1uiuo∞

++-ifR1R2Rf及由此得：说明：1、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相输入的比例运算电路称为反相器；2、如R1和RF的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证了比例运算的精度和稳定性（深度负反馈）。

反馈类型：深度并联电压负反馈

电路阻抗特征：输入电阻不高，输出电阻很低。i1uiuo∞

++-ifR1R2Rf2、同相输入比例运算及有反馈类型：深度串联电压负反馈

得二、加法运算

i13ui3uo∞

++-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路

在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路

由此得当时，再若，则ui1uo∞

++-R3R2RFi1R1减法电路ifui2三、减法运算

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

由于电路存在共模电压，为了保证运算精度，应当选用共模抑制比较高的运算放大器。

四、积分运算

ui1uo∞

++-R2CFi1R1积分电路ifuc当输入信号为阶跃电压时，uiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot

右图是在控制和测量系统中常用的比例-积分调节器（PI调节器）：ui1uo∞

++-R2CFi1R1PI调节器ifucRF

可视为反相比例运算和积分运算的叠加。与以前学过的RC积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电电流基本恒定。五、微分运算

ui1uo∞

++-R2C1i1微分电路ifucRF微分运算是积分的逆运算，

当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。微分电路稳定性不高，用得较少。(波形如右图)uiUuooottui1uo∞

++-R2C1icPD调节器iRRF

右图是在控制系统中使调节过程加速的比例—微分调节器（PD调节器）。

运放除了能完成信号的运算，还能完成信号滤波、采样保持及比较等处理工作。16.3运放在信号处理方面的应用一、有源滤波器

滤波器是一种选频电路——选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。uiuo∞

++-RC有源低通滤波器ucRFR1如图为有源低通滤波器。o幅频特性o幅频特性当当称为剪切频率二、采样保持电路

当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。uiuo∞

++-RC采样保持电路ucR1S控制信号ououi采样保持t输入输出波形三、电压比较器uRuo∞

++-R2电压比较器R1ui

运放工作于开环状态，uR是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，即运放工作于非线性—饱和区。参考电压等于零时，称为过零比较器。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuRUo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sa