my第16章集成运算放大器

第16章集成运算放大器16.1集成运算放大器的简单介绍16.2运算放大器在信号运算方面的应用16.3运算放大器在信号处理方面的应用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。

集成电路

是采用微电子技术将由二极管、晶体管、场效应管、电阻、电容等器件组成的具有特定功能的电路都集成在一小块半导体晶片上，封装上外壳，向外引出若干个管脚，构成一个完整的、具有一定功能的电路。这个电路是一个不可分割的固体块，所以又称固体组件。集成运算放大器：是一种电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、共模抑制比高、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、耗电少的通用电子器件。集成电路分类按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟16.1.2电路的简单说明输入级中间级输出级偏置电路运算放大器方框图输入级：前置级，多采用差分放大电路，要求输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，Ad大，Ac小，输入端耐压高。

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。

偏置电路:由恒流源等电路组成，用来设置合适静态工作点。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。两个输入端Uo集成运放741的电路原理图同相输入输入级偏置电路中间级输出级+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相输入输出集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信号传输方向输出端实际运放开环电压放大倍数(a)(b)(a)符号;(b)引脚765

F0071234U-U+-UCC+UCC输出调零电位器调零电位器集成运算放大器的等效可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路；Uo=Auo(U+

U-)运放输入输出关系Auo：开环电压放大倍数；运算放大器输入、输出关系（电压传输特性）Uo=f(U+-U-)Uo=Auo(U+-U-);Auo开环电压放大倍数；Ui=U+-U-Uo+Uom-Uom非线性区（饱和）线性区U+-U-的数值大于一定值时，集成运放的输出为+Uom或-Uom，即集成运放工作在非线性区。16.1.3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。一般为104

~107，20lg|Auo|=80~140dB6.共模输入电压范围UICM差模输入电压范围UIDM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。输入失调电压UIO输入失调电流IIO输入偏置电流IIB3.差模输入电阻rid4.输出电阻rO5.共模抑制比KCMRR愈小愈好为全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入共模抑制比。差模放大倍数共模放大倍数

KCMR越大,说明差分放大电路分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。15.7.3共模抑制比共模抑制比对于双端输出差分放大电路，若电路完全对称,理想情况下共模放大倍数

Ac=0，

若电路不完全对称，则Ac0实际输出电压

uO

=AcuIc+

Ad

uId即共模信号对输出有影响。输出电压

uO=Ad

(uI1

uI2)=AduId

1.开环电压放大倍数

2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。16.1.4理想运算放大器及其分析依据在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：16.1.4理想运算放大器及其分析依据线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––2.电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O理想运算放大器图形符号3.理想运放工作在线性区的特点因为uo

=Auo(u+–

u–

)由Auo得出：(1)差模输入电压约等于0，即u+=u–

,称“虚短”由rid

得出：(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，理想运放的线性区几乎没有，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)O只适用于理想运放闭环线性应用时！理想运放工作在线性和饱和时！集成运放的种类种类：按供电方式分双电源供电正、负电源对称型正、负电源不对称型单电源供电按集成度（即一个芯片上运放个数）分单运放双运放四运放按制造工艺分双极型CMOS型按性能指标分通用型(参看p415)特殊型(高阻型、高速型、高精度型、大功率型、低能耗型等)集成运放的选择信号源的性质；负载的性质；精度要求；环境条件；1.熟悉集成运放的基本组成及各部分的作用；2.正确理解主要指标参数的物理意义及其使用注意事项；3.了解运放的类型及选择方法；本章要求16.2

运算放大器在信号运算方面的运用集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。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）电压放大倍数因虚短,

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

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF16.2.1比例运算1.反相比例运算电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++–－－反馈电路直接从输出端引出—电压反馈输入信号和反馈信号加在同一输入端—并联反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈电压并联负反馈输入电阻低，ri=R1共模电压0⑤电压并联负反馈，稳压，输入、输出电阻低，ri=R1。共模输入电压低。反相比例输入结论：①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为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因u–=u+=0，所以反相输入端“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.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例运算（1）电路组成uoRFuiR2R1++––++–

因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFu+u–

1）电压放大倍数（比例系数）If=由虚断有Ii+=Ii-=0故I1=If即uoRFuiR2R1++––++–再由虚短及Ii+=0，有U-=U+=Ui所以经整理得电压放大倍数为Auf=上式表明，集成运放的输出电压与输入电压相位相同，大小成比例关系。比例系数（即电压放大倍数）等于1+Rf/R1，此值与运放本身的参数无关。

uoRFuiR2R1++––++–2.同相比例运算输入电阻高共模电压=ui电压放大倍数电压串联负反馈输入信号和反馈信号分别加两个输入端—串联反馈反馈电路直接从输出端引出—电压反馈因虚短，所以

u–=ui，反相输入端不“虚地”反馈信号使净输入信号减小—负反馈uoRFuiR2R1++––++–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。同相输入结论：①Auf为正值，即uo与ui

极性相同。因为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=且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：16.2.2加法运算电路1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

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

所以

ii1+ii2=if

电路如图示：求uo的波形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+思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–注意：同相求和电路的两个输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。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+–差动运算电路两端都有输入信号的情况下进行的运算就是差动运算。根据叠加原理分析：1.ui1作用，ui2不作用时：反相比例RfR1uo'=-ui12.ui2作用，ui1不作用时：同相比例uo''=(1+RfR1)ui216.2.3减法运算电路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析方法：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积分运算电路利用电容元件上电流与电压是微积分的关系，达到uo是ui积分的目的，因此该电路称为积分运算电路。根据虚短和虚断分析：i1=if积分电路实践应用时，输入信号为恒定电压直流信号，其大小、方向都不变。线性函数若输入为恒定直流，则输出为时间t的线性函数，即uo随t线性变化。tuo?

积分积分时限如果积分电路从某时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定时间后输出饱和。保持积分时限与Uom、U有关，若两者为确定值，则与积分常数R1Cf有关。R1Cf越小，时间就越短。因此，积分电路常应用于延时使用，用作定时器。积分时限与哪些因素有关？积分电路实现的功能输入为阶跃信号时的输出电压波形？线性积分，延时输入为方波时的输出电压波形？输入为正弦波时的输出电压波形？

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。PI调节器包括3部分分析：比例、积分和保持。由于比例的存在，减小了调整时间，是较为理想的调节方式。比例积分保持1