第十章集成运算放大器

第10章集成运算放大器成都大学工业制造学院10.1集成运算放大器概述10.2

反馈的基本概念10.3

基本运算电路10.4

运算放大器在信号处理方面的应用10.5

使用运算放大器应注意的几个问题目录返回集成电路：分立电路：——各种单个元件连接起来的电子电路。——它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等电子元器件，以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体芯片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件。集成电路相比于分立电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合。集成电路中元器件的特点(1)单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致；(2)元器件相互离得很近,温度特性较一致；(3)电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造；(4)电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容不易制造。返回10.1集成运算放大器概述集成运算放大器电路方框图中间级输入级输出级偏置电路返回——是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。各部分作用

输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。一般采用差分放大电路，有同相和反相两个输入端。

中间级主要进行电压放大，要求其电压放大倍数高，一般由共发射极放大电路构成。

输出级与负载相连，要求其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，一般由互补对称电路或射极输出器构成。

偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和核实的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。返回1、集成运放的内部基本结构-UEE+UCCuo

u＋

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输出级中间级返回2、集成电路的封装双列直插式塑料封装管脚数有8、10、12、14、16等种类金属壳封装管脚数有8、10、12等种类返回3、F007（5G24）外引线图反相输入端同相输入端输出端接线图顶视图(圆壳式)返回正电源端负电源端外接调零电位器端

ri高:几十k

几百k运放的特点：理想运放：

ri

KCMRR很大KCMRR

ro小：几十~几百

ro

0

Ao很大:104以上~107Ao

4、运放的特点和符号运放符号：－＋＋

u－

u+

uoA0－＋＋

u－

u+

uoA0－＋＋

u－

u+

uo返回理想运放符号：5、运算放大器的主要参数(1)最大输出电压UOPP能够使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。(2)开环电压放大倍数Auo在运算放大器的输出端与输入端之间没有外接电路时所测出的差模电压放大倍数。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。(3)输入失调电压UIO理想的运算放大器，当输入电压uI1=uI2=0(即两个输入端同时接地)时，输出电压uo=0，但在实际运放中，由于制造中元件参数的不对称性等原因，输入电压为零时，输出电压不为零，所以，要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，这就是输入失调电压，UIO越小越好。返回(4)输入失调电流IIO(5)输入偏置电流IIB(6)共模输入电压范围UICM输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。即IIO=|IB1-IB2|。IIO值越小越好。输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。即IIB=(IB1+IB2)/2。IIB值越小越好。运算放大器对共模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，若超出这个电压范围，其运放的抑制性能就会大大降低。返回6、运算放大器的传输特性+UO(sat)-UO(sat)线性区饱和区饱和区线性区很窄,所以运放在线性区工作,通常引入深度电压负反馈。返回(1)工作在线性区：实际特性理想特性运算放大器线性应用时的分析依据称为“虚短”3、如果信号从反向端输入，同相端接地，则反相端近于“地”电位。返回1、输入电阻ri趋于∞，则可认为两个输入端的输入电流为零。即：称为“虚断”2、开环电压放大倍数Auo趋于∞，而输出电压是一个有限值，则由：得：即：即：称为“虚地”当时，注意：此时输入端的输入电流也等于零返回(2)工作在饱和区：当时，工作于正饱和区工作于负饱和区即：即：例1：F007运算放大器的正、负电源电压为±15V，开环电压放大倍数AU0=2105,输出最大电压（即Uo(sat))为±13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：－＋＋

u－

u+

uo返回解：只要两个输入端之间的电压绝对值超过65µV，输出电压就达到正或负的饱和值。输出电压：输出电压：输出电压：输出电压：返回放大电路Ao反馈电路F输入信号xi净输入信号xd输出信号xo

xf反馈信号比较环节反馈示意图开环放大倍数：Ao=xoxd闭环放大倍数：Af=xoxi反馈系数：F

=xfxo10.2反馈的基本概念返回将放大电路输出端的信号的一部分或全部通过某种电路引回到输入端，就称为反馈。一、反馈的分类(1)正反馈和负反馈

①正反馈：xf与xi作用相同，使xd增加②负反馈：xf与xi作用相反，使xd减小(2)电压反馈和电流反馈

①电压反馈：xf∝uo(xo)，即反馈信号取自输出电压②电流反馈：xf∝io(xo)，即反馈信号取自输出电流(3)串联反馈和并联反馈①串联反馈：xf与xi以串联的形式作用于净输入端②并联反馈：xf与xi以并联的形式作用于净输入端AoFxi

xd

xf

xo返回(4)直流反馈和交流反馈返回①直流反馈：xf

是静态直流分量；②交流反馈：xf

是动态交流分量。二、反馈的判断(1)判断是否存在反馈？哪些是反馈元件？①无反馈：放大电路输出端信号没有引回到输入端②有反馈：放大电路输出端信号部分或全部通过某种电路引回到输入端(2)判断是电压反馈还是电流反馈？①电压反馈：反馈电路直接从输出端引出；②电流反馈：反馈电路从输出端的负载靠“地”端引出。(3)判断是串联反馈还是并联反馈？①串联反馈：xf与xi分别接在两个输入端上；②并联反馈：xf与xi都接在同一个输入端上。(4)判断是正反馈还是负反馈？①对串联反馈：

xf与xi极性相同——负反馈；

xf与xi

极性不同——正反馈。②对并联反馈：

xf与xi

极性相同——正反馈；

xf

与xi极性不同——负反馈。返回例2：判断图示电路的反馈类型。解：Ao++－uiuoR2－

ud+R1RF－

uf+结论：电路为电压串联负反馈。返回(1)存在反馈，RF为反馈电阻；(2)反馈电路是直接从输出端引出，电压反馈；(3)xf与xi分别接在两个输入端上，串联反馈；(4)对串联反馈,xf与xi极性相同，负反馈。例3：判断图示电路的反馈类型。AO++－uiR2R1RLRuo+－RF结论：电路为电流并联负反馈。解：(1)存在反馈，RF为反馈电阻(2)反馈电路从输出端的负载靠地端引出，电流反馈；(3)xf与xi接在同一个输入端上，并联反馈；(4)对并联反馈,xf与xi极性不同，负反馈。返回例4：试判断图示电路RF所形成的反馈类型。uo1∞－++△R11Rf1R12ui∞－++△R21Rf2R22uoRf解：结论：RF形成电路的电压串联正反馈。返回(1)存在反馈，RF为反馈电阻；(2)反馈电路直接从输出端引出，电压反馈；(3)xf与xi分别接在两个输入端上，串联反馈；(4)对串联反馈,xf与xi极性不同，正反馈。三、负反馈对放大电路性能的改善AoFxi

xd

xf

xo因为开环放大倍数很大，线性区很窄，为了使输出信号都保持在运放的线性区(即运放工作在线性区),所以,通常引入深度电压负反馈。开环放大倍数：闭环放大倍数：净输入信号：返回反馈深度即：如果：

|F|

|Ao|＞＞1

——深度负反馈。AoFxi

xd

xf

xo返回则：——闭环放大倍数只与反馈电阻值有关，与开环放大倍数无关。(1)提高了放大电路的稳定性负反馈对放大电路性能的改善返回(2)加宽了通频带0|A|f0.707

|Ao||Ao|B0|Af|0.707|Af|

Bf(3)改善了非线性失真AouiuoudAoFuiufuouo返回——利用失真了的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，不能完全消除失真。(4)稳定了输出电压或电流电压负反馈：稳定uo电流负反馈：稳定io(5)改变了输入电阻或输出电阻串联反馈：ri↑并联反馈：ri↓电压负反馈：ro↓电流负反馈：ro↑返回思考题1见书p281：(2)返回uo∞－++△10.3基本运算电路(一)比例运算电路(1)反相比例运算电路R1uiRfR2u－u+虚地i1if闭环电压放大倍数Auf虚断返回——输入信号从反相输入端引入虚短平衡电阻当Rf=R1时：

uo=－ui反相器平衡电阻:R2=R1//Rfuo∞－++△R1uiRfR2u－u+i1if返回——只取决于相关电阻阻值，而与运算放大器本身参数无关。闭环电压放大倍数：虚短虚断(2)同相比例运算电路——输入信号从同相输入端引入uo∞－++△R1R2uiRfu－u+i1if所以：闭环电压放大倍数：返回只取决于相关电阻阻值，而与运算放大器本身参数无关。uo∞－++△R1R2uiRfu－u+i1if平衡电阻:R2=R1//Rfuo=ui——条件

？uo∞－++△ui电压跟随器当R1=∞(断开)或Rf=0时返回uo=ui例5：测量电阻的电路如图所示。已知：ui=U

=10V，输出端接有满量程为5V的电压表，被测电阻为Rx

。(1)试找出Rx与电压表读数的关系；(2)若所用运放为F007型，为了扩大测量电阻的范围，将电压表的量程选为50V是否有意义？uo∞－++△R11MΩuiRx

+U

－V－

+0~5V解：图为一反相比例运算电路uo=－ＲxＲ1uiＲx=－Ｒ1uiuo=－105uo

uo/VＲx/Ω－1－2－3－4－51052×1053×1054×1055×105返回(1)因为F007型的最大输出电压为±13V，所以，选用超过13V量程为50V的电压表无意义。(2)若所用运放为F007型返回例6：图中同相比例运算电路，求：返回解：由反相输入端由同相输入端得：得：所以：(二)加法运算电路(1)反相加法运算电路——在反相输入端增加若干输入电路u－=u+=0虚地虚断i－=i+=0虚短所以：if返回if当R11=R12=R13=R1时：当R1=RF时：平衡电阻返回加法运算电路与运算放大器本身的参数无关,只要电阻阻值足够精确,就可保证加法运算的精度和稳定性.(2)同相加法运算电路——在同相输入端增加若干输入电路ii1ii2返回反相端：得：同相端：得：所以：(三)减法运算电路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2+①②R3uo’∞－++△R1RfR2ui1R3uo’’∞－++△R1RfR2ui2u－u+——两个输入端都有信号输入，也叫做差分输入。返回R3uo’∞－++△R1RfR2ui1R3uo’’∞－++△R1RfR2ui2▲当ui2单独作用时:▲当ui1单独作用时:u+=R3R2+R3ui2返回R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2则：▲平衡电阻:返回当R1=Rf时：当R1=R2和RF=R3时：例7：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压uo返回A1是电压跟随器，则A2是减法运算电路，则解：uo1u+u-所以：例8：两级运算电路如图所示。(1)试推导uo与ui1、ui2、ui3的运算关系；(2)若:R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=

R6=Rf2=10kΩui1=0.1V，ui2=0.2V，ui3=0.3V，求uo的值。uo’∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3

+uo

－解：(1)第一级运算为加法运算电路返回∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3

+uo

－uo’返回第二级运算为减法运算电路由：由：和所以：(四)积分运算电路uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－积分时间常数▲平衡电阻:R2=R1——与反相比例运算电路比较，用电容CF代替RF作为反馈元件，就称为积分运算电路。虚地虚断虚短由：和得：返回微分时间常数(五)微分运算电路uo∞－++△CuiRfu－u+R2i1if+uC－——微分运算是积分运算的逆运算，只需将反相输入端的电阻和反馈电容调换位置，就成为微分运算电路。虚地虚断虚短由：和得：▲平衡电阻:R2=Rf返回思考题2见书p289:(1)、(2)10.4运算放大器在信号处理方面的应用一、滤波器滤波器就是一种选频电路,它能选出有用的信号,而抑制无用的信号,使一定频率范围内的信号能顺利通过,衰减很小,而在此频率范围以外的信号不易通过,衰减很大。返回按滤波器所含元器件的不同，可分为：无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器——有源滤波器——由无源元件R、C和L组成；由无源元件R、C组成的无源滤波器加上有源元件集成运算放大器组成。按滤波电路的功能分低通滤波器LPF带阻滤波器BEF高通滤波器HPF带通滤波器BPF返回传递函数：幅频特性相频特性滤波器返回(1)有源低通滤波器设输入为正弦波，可以用相量表示为截止频率返回其中：则：若频率ω为变量，则该电路的传递函数：幅角：返回模：当ω=0时：当ω=ω0时：当ω=∞时：返回幅频特性结论：低通滤波器具有使低频信号较易通过而抑制较高频率信号的作用。要想使滤波效果更好