第六讲集成运算放大器及应用

第六讲集成运算放大器及应用第1页，共37页，2023年，2月20日，星期一集成运算放大器是模拟集成器件中的一类，是一种高放大倍数（放大倍数通常大于104）的直接耦合多级放大器。优点：体积小、高性能应用领域：测量装置、自动控制、信号变换等第2页，共37页，2023年，2月20日，星期一直接耦合放大器直接耦合放大电路就是把前一级的输出直接通过导线加到后一级的输入端进行放大的电路。放大的信号：变化很缓慢的信号；交流信号。

第3页，共37页，2023年，2月20日，星期一简单的直接耦合放大电路

uiuoRLUBE2UCE1+__+++__第4页，共37页，2023年，2月20日，星期一集成运算放大器1.集成电路集成电路按其功能的不同，可以分为数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路按其功能又可分为通用集成电路和专用集成电路。

通用集成电路，就是只需要改变外部电路结构，就可对信号实现不同处理的集成电路，如集成运算放大器。

按构成有源器件的类型来分，则可分为双极型和单极型。按元器件的集成度来分，又可分为小规模、中规模、大规模和超大规模集成电路。第5页，共37页，2023年，2月20日，星期一集成电路的特点（1）采用直接耦合放大电路。（2）偏置电流小。（3）用有源元件代替无源元件；电阻元件是利用硅半导体材料的体电阻制成。（4）对称性好。同类元件性能比较一致，温度特性也基本相同。（5）采用复合管结构形式。（6）电路中使用的二极管，大都采用三极管的发射结构成。第6页，共37页，2023年，2月20日，星期一集成运算放大器的组成:输入级、中间级、输出级和偏置电路（1）输入级作用是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端，一般采用具有恒流源的差动放大电路。（2）中间放大级又称为增益级，一般采用共发射极放大电路。主要作用是进行电压放大。（3）输出级一般采用射极输出器或互补对称功率放大电路。作用是向负载提供一定的功率。（4）偏置电路主要作用是向各级放大电路提供稳定的静态工作电流。第7页，共37页，2023年，2月20日，星期一典型的集成运算放大器F007简介1、F007的原理电路第8页，共37页，2023年，2月20日，星期一(2)中间级

由V16、V17组成复合管，由V12、V13组成的镜像电流源作为有源负载，其主要任务是提供足够大的电压放大倍数，同时还要向输出级提供较大的推动电流。(3)输出级

主要由V14和复合管V18、V19组成的准互补对称功率放大电路，主要作用是向负载提供足够大的输出电流和输出功率。(4)偏置电路

电路由V8～V13管以及电阻R4、R5等元件组成，其主要作用是减小零点漂移，稳定工作点，提高整个电路的共模抑制比。第9页，共37页，2023年，2月20日，星期一2.引脚及符号外形通常有双列直插式、扁平式和圆壳式三种。集成运算放大器的外形图(a)双列直插式；(b)扁平式；(c)圆壳式集成运算放大器用符号来表示：

第10页，共37页，2023年，2月20日，星期一国产F007型集成运算放大器，下端共有12个管脚。图3.3.5F007的外形、引脚及连接示意图(a)外形图；(b)引脚图；(c)符号及外电路连接图第11页，共37页，2023年，2月20日，星期一集成运放的主要技术指标（1）开环差模电压放大倍数一般用对数表示：(dB)（2）最大输出电压指在额定电源条件下，集成运放的最大不失真输出电压的峰值。

图3.3.6集成运放的传输特性+uoppuopp第12页，共37页，2023年，2月20日，星期一(3)差模输入电阻Rid

Rid的大小反映了集成运放输入端向信号源索取电流的大小。（4）输出电阻R0

R0的大小反映了集成运放带负载的能力，R0愈小愈好。（5）共模抑制比KCMR

反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，一般也用对数表示。(dB)第13页，共37页，2023年，2月20日，星期一负反馈放大电路反馈的基本概念

1.放大器中的反馈

反馈：就是将放大电路输出信号的一部分或全部经过一定的电路（称为反馈电路）送回到放大电路的输入回路，并同输入信号一起参与放大器的输入控制作用，从而使放大器的某些性能获得有效改善的过程。第14页，共37页，2023年，2月20日，星期一负反馈放大电路反馈放大电路用方框图表示基本放大电路：可以是单级或多级分立元件组成的放大器，也可以是集成运算放大器；反馈电路：联系放大器的输出电路和输入电路的环节，可由电阻、电容、电感等元件组成。

反馈放大电路方框图输入输出第15页，共37页，2023年，2月20日，星期一负反馈放大电路第16页，共37页，2023年，2月20日，星期一运算放大器的应用集成运算放大器的基本分析方法1.低频等效电路

Ri为差模输入等效电阻，Ri两端的电压就是差模输入电压uid。R0为放大器的输出电阻，Aud为差模电压放大倍数，Auc为共模电压放大倍数，Auduid为输出端等效电压源。运算放大器低频等效简化电路RiRO第17页，共37页，2023年，2月20日，星期一2.理想的集成运算放大器(1)开环电压放大倍数(2)开环输入电阻(3)开环输出电阻0Ri第18页，共37页，2023年，2月20日，星期一规定：（1）代表集成运放同相输入端的电位；（2）代表集成运放反相输入端的电位；（3）代表集成运放输出为低电平；（4）代表集成运放输出为高电平。“虚短”与“虚断”

------两个重要特点（1）“虚短”概念输出电压为有限值，开环电压放大倍数为，有Ri两个输入端电位近似相等：第19页，共37页，2023年，2月20日，星期一3.5运算放大器的应用

（2）“虚断”概念由于理想运算放大器的开环输入电阻Ri≈∞，故在两个输入端没有电流流入运算放大电路的内部，即，即理想运放输入电流近似为零。

输入方式一般采用反相输入、同相输入和差动输入三种输入方式。

第20页，共37页，2023年，2月20日，星期一模拟信号运算1.比例运算（1）反相比例运算放大电路

Rf是反馈电阻，R1为输入电阻，R2是补偿电阻(也叫输入平衡电阻)，。反相比例运算放大电路第21页，共37页，2023年，2月20日，星期一由，可以得到输入电压近似为零所以，即

而电压放大倍数：=输出电压与输入电压成比例关系，负号表示相位相反。注意：实际运算放大电路端的电位并不等于零，但很接近零值，不是真正接地，称端为“虚地”。第22页，共37页，2023年，2月20日，星期一在所示的电路中，如果，，。试求：、、的值。解：电压放大倍数：=

输出电压为：补偿电阻：图3.5.4反相比例运算放大电路第23页，共37页，2023年，2月20日，星期一（2）同相比例运算放大电路上几乎无电流，因此，，。图3.5.5同相比例运算电路输出电压为

电压放大倍数

第24页，共37页，2023年，2月20日，星期一在所示电路中，已知，，试求输出电压的大小。

图3.5.6例3.5.2电路解：输入电压为

输出电压为

uiuo第25页，共37页，2023年，2月20日，星期一加减法运算加法运算放大电路三个输入信号、、均从反相输入端输入，为反馈电阻，同相输入端经过补偿电阻接地。推导：图3.5.7加法运算放大电路

第26页，共37页，2023年，2月20日，星期一输出电压为

如果补偿电阻的大小为：第27页，共37页，2023年，2月20日，星期一3.5运算放大器的应用已知反向运算电路的反馈电阻,输出结果,求电路中电阻的阻值，并画出电路图。图3.5.8例3.5.3设计电路比较：可得：

因为所以补偿电阻R为解:第28页，共37页，2023年，2月20日，星期一3.5运算放大器的应用（2）减法运算放大电路一个输入信号接在反相输入端，另一个输入信号接在同相输入端。当单独作用于电路时，输出电压为第29页，共37页，2023年，2月20日，星期一当单独作用于电路时，输出电压为应为两部分输出电压的代数和当，可写为

当时，减法运算电路第30页，共37页，2023年，2月20日，星期一积分和微分运算（1）积分运算放大电路反馈电阻用电容C代替。根据运放电路“虚短”和“虚断”的特点，可得

输出电压与输入电压的积分成正比，一般用于波形变换、延迟以及移相。积分运算电路

R′第31页，共37页，2023年，2月20日，星期一微分运算放大电路

根据运放电路“虚短”和“虚断”的特点，可得正比于与输入电压对时间的微分。微分运算电路第32页，共37页，2023年，2月20日，星期一信号处理

1.电压比较电路用来比较两个或多个模拟信号量的大小。电路输出的高低电平表示比较的结果。

集成运放用作比较器时，工作在开环状态，即使输入端有一个非常微小的差值信号，也会使输出电压达到饱和值，接近或，称为集成运放的非线性运用。第33页，共37页，2023年，2月20日，星期一（1）基本电压比较器将一个模拟量的电压信号和一个参考电压量进行比较。

当时，；当时，。当时，输入信号与零进行电压比较，电路称为过零比较器。电压比较器电路

（a）电路（b）电压传输特性图3.5.13过零比较器电压传输特性

ui+UCC-UCCUR+UCCuo+UCC-UCCuoui第34页，共37页，2023年，2月20日，星期一当为正弦波电压时，则输出为方波电压。限幅的电压比较器：将输出电压限制在某一特定值:有限幅的电压比较器(a)电路(b)电压传输特性过零比较器将正弦波电压变换为方波电压

当时

当时第35页，共37页，2023年，2月20日，星期一（2）滞回比较器滞回比较器又称施密特触发器。输入信号从反相端输入，同相端的参考电压是由输出电压经正反馈取得的，输出电压在之间变化时，也跟着变化。同相输入端参考电压为