第16章 集成运算放大器

第16章运算放大器（下篇）电工技术与电子技术中国矿业大学信电学院返回一、集成电路(integratedcircuit)：

在半导体制造工艺基础上，把整个电路中的器件（电阻、电容、三极管等）制造在一块Si

基片上，并引出相应的引线，构成特定功能的电子电路。

如：运放、各种芯片等。16.0概述二、按功能分类：模拟集成电路数字集成电路三、集成度：小规模集成电路（SSI）<102

中规模集成电路（MSI）<103大规模集成电路（LSI）<105、超大规模集成电路（VLSI）>105、

(如：CPU310万---330万)Intel奔腾4四、集成电路的工艺特点：（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。第16章运算放大器16.1

运算放大器的简单介绍16.3

运算放大器在信号运算方面的运用16.5

运算放大器在波形产生方面的运用16.7

使用运算放大器应注意的几个问题16.6

集成功率放大器16.4

运算放大器在信号处理方面的运用16.2

放大电路中的负反馈1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求：16.1运算放大器的简单介绍＋－u-－u+uo－＋＋∞反相输入端u－同相输入端u+输出端uo国际符号：国内符号：集成运放的特点：电压增益高输出电阻小输入电阻大特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸16.1.1运算放大器的组成输入级中间级输出级同相输入端输出端反相输入端+UCC–UEEuou–u+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。16.1.2通用型集成电路运算放大器运算放大器外形图运算放大器外形图16.1.2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)

饱和区

+Uo(sat)

u+–u–

uo-Uo(sat)线性区理想特性实际特性uo++u+u–+UCC–UEE–3.理想运放工作在线性区的特点特点：u+=u–

称“虚短”

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)16.2

运算放大器

在信号运算方面的运用16.3.1比例运算16.3.2加法运算16.3.3减法运算16.3.4积分运算16.3.5微分运算16.3.1比例运算1.

反相比例运算（1）电路组成

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–（2）电压放大倍数∵虚短

∴

u–=u+=0，∵虚断，i+=i–=0

，

∴i1=if

平衡电阻R2=R1//RF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，∴

i+=ii

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

u–=ui

，

∵要求静态时u+、u-对地电阻相同，∴平衡电阻R2=R1//RFu+u–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。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：16.3.2加法运算∵虚短u-=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii1ii2ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–∵虚断，i–=0

∴

ii1+ii2=if

)(2211iiFiiFouRRuRRu+-=16.3.3减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：常用做测量放大电路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。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+–++––16.3.4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uit0积分饱和线性积分时间线性积分时间输出电压随时间线性变化-UOMuot0+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u0是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。tCRUFi1-=16.3.5微分运算电路uot0t0uiifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–16.4.2

电压比较器功能：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。16.4运算放大器在信号处理方面的应用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

可见，在ui

=UR

处输出电压uo

发生跃变。阈值电压（门限电平）：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)CuitoURouot+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=016.2.1反馈的基本概念反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)

的一部分或全部引回到输入端。后一页前一页返回16.2

放大电路中的反馈+UCCRE++––+UCCRE++––将输出电流反馈到输入将输出电压反馈到输入开环放大倍数比较环节反馈放大电路的一般方框图反馈电路F反馈系数输出信号输入信号反馈信号净输入信号后一页前一页基本放大电路Ao跳转1跳转2返回比较环节闭环放大倍数后一页前一页直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。负反馈：反馈信号削弱净输入信号，使放大倍数降低。交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈元件只能传递交流信号。正反馈：反馈信号增强净输入信号，使放大倍数提高。返回16.2.2反馈的类型16.2.2负反馈的类型1）根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。

电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。

电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。后一页前一页返回2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。串联反馈使电路的输入电阻增大，并联反馈使电路的输入电阻减小。后一页前一页返回负反馈交流反馈直流反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈负反馈的分类后一页前一页稳定静态工作点返回16.2.3负反馈对放大电路性能的改善基本放大电路Ao反馈电路F+–反馈放大电路的基本方程反馈系数净输入信号开环放大倍数后一页前一页返回（