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16.4运算放大器在波形产生方面的应用16.5使用运算放大器应注意的几个问题16.3运算放大器在信号处理方面的应用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。本章要求第16章集成运算放大器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。

集成电路

是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上,组成一个不可分的整体。特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。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各类型号集成芯片16.1.1集成运算放大器的特点1.元器件参数的一致性和对称性好；2.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；3.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；4.二极管多用三极管的发射结代替。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：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分放大器

。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:由镜像恒流源等电路组成输出级：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。－15V①②③④⑤⑥I3430PfR8⑦＋15VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的内部电路图3.5.4、典型集成运放电路通用型集成运放F007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

765F0071234U-U+-UCC+UCC输出集成运放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反相输入输出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。6.共模输入电压范围UICM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。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB1.开环电压放大倍数

2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，为此,后面对运算放大器的分析都按理想化条件进行的。16.1.4理想运算放大器及其分析依据理想的运算放大器。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–

)所以(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)O4.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)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区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+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//RFuoRFuiR2R1++––++–

结论：(1)Auf为负值，即uo与ui

极性相反。(2)Auf

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=

R1RF

=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.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

(1)电路组成(2)电压放大倍数因虚短，所以

u–=ui，反相输入端不“虚地”

因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–结论：(1)Auf为正值，即uo与ui

极性相同。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=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：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+–++–iLi1RLuiR2R1+–++–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

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=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+思考u+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–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–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=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Ui–Ui

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++––++–RF16.2.5微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++–uoC1uiR2RF++––++–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ifiRiC16.3.3电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。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。16.3运放在信号处理方面的应用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)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O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(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)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压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+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2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–UZ电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––过零电压比较器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=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O例1：图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。分析其工作原理。温度超过规定值，ui

>UR，uo=+UOM，T导通。KA动作，切断电源。温度未超过规定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不动作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo电压传输特性uoOUO(sat)–UO(sat)例2:电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:运放为同相输入过零电压比较器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各电压波形如右图所示。R1R2uiuo+–+CDRLR16.4运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。16.4.1矩形波发生器矩形波产生电路

uc+–UR+–1.电路结构

由滞回比较器、RC充放电电路组成。电容电压uc

即是比较器的输入电压，2.工作原理设电源接通时，uo

=+UZ，uc(0)=0。电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。uo

通过RF对电容C充电，uc按指数规律增长。RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1动画当uo

=+UZ时，电容充电，uc上升，电容放电，

uc下降，当uc=UR

时，uo跳变成–UZ当uc=–UR

时，uo跳变成+UZ，电容又重新充电。2.工作原理放电uc+–RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1充电3.工作波形T2T=T1+T2电容充放电过程，uc的响应规律为4.周期与频率Z212U

RRR+-T1－UztOuo,uC+Z212URRR+－UZ+UZ+UzT1矩形波的周期矩形波的频率充放电时间常数相同：=RC

矩形波常用于数字电路中作为信号源在充电过程中在放电过程中

A1：滞回比较器

因u–=0，所以当u+=0时，A1状态改变16.4.3三角波发生器1.电路结构A2：反相积分电路Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R12.工作原理A1：滞回比较器因u-=0，所以当u+=0时，A1状态改变输出uo1

改变(+UZ

跃变到–UZ

或–UZ

跃变到+UZ)，当同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。动画Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1TT1T23.工作波形4.周期与频率T=T1+T2

=2T1=2T2uo1UZ

–UZtOuo(1)改变比较器的输出uo1、电阻R1、R2即可改变三角波的幅值。(2)改变积分常数RC即可改变三角波的频率。动画16.4.3锯齿波发生器1.电路三角波发生器在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其输出锯齿波。CR3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1uo1R4'DCuoR3DZR2++–R6R5R4+–++–A2A1R1uo12.波形16.4.3锯齿波发生器1.电