集成运算放大器及其应用

集成运算放大器及其应用第1页，共65页，2023年，2月20日，星期四集成运放概述集成电路的特点1.元器件参数的一致性和对称性好；2.二极管多用三极管的发射结代替；3.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；4.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。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。11.1集成运放简介第2页，共65页，2023年，2月20日，星期四集成运放的内部电路结构框图输入级偏置电路输出级中间级输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器中间级—电压放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成11.1.1集成运放的组成第3页，共65页，2023年，2月20日，星期四UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：输入级中间级输出级与uo反相与uo同相第4页，共65页，2023年，2月20日，星期四

ri

大:几十k

几百k运放的特点：KCMRR很大ro

小：几十几百Ao

很大:104107理想运放：ri

KCMRR

ro

0Ao

运放器符号－＋＋

u－

u+

uoAo＋－u－u+uo国际符号国内符号第5页，共65页，2023年，2月20日，星期四1.运算放大器的电压传输特性UOMUOM–UOM–UOMUim–Uim实际运放理想运放

uo=

f

(

ui

)

,其中

ui

=

u+–

u–

11.1.3理想运算放大器及其分析依据uOui0uiuo++–uiuO0第6页，共65页，2023年，2月20日，星期四“虚断路”原则+iiui对于理想运放rid相当于两输入端之间短路uiiirid=对于理想运放u–u+相当于两输入端之间断路uOii

0Auoui

0,rid,“虚短路”原则(2)(1)2.理想运放工作在线性区的分析依据+uo=ui–u–=u

Auo+uiuO++––第7页，共65页，2023年，2月20日，星期四在右图所示电路中，因为存在负反馈信号,同相输入端不是“虚地”！ＦＲ２１io(3)

“虚地”的概念由“虚断路”原则

ii

=0

,有u+=0

u+

u–=

0结论：反相输入端为“虚地”。当同相输入端接地时，ＲuuＲＲＦＲＲ１２uiuo由“虚短路”原则注意第8页，共65页，2023年，2月20日，星期四“虚断路”原则uiiirid=对于理想运放相当于两输入端之间断路ii

0rid,3.理想运放工作在非线性区的分析依据运放工作在线性工作状态的必要条件：必须引入深度负反馈。+iiuiriduO+注意:u+=u–

不一定成立！第9页，共65页，2023年，2月20日，星期四11.2放大电路中的负反馈11.2.1反馈的基本概念正反馈xd

=

xi

+

xf负反馈xd=

xi

–

xfA=

xo

/

xdF=

xf/

xoAf=—

=

——–xoxiA

1+

AFAFxoxixdxf负反馈闭环放大倍数：xi

—总输入信号xd

—净输入信号xf

—反馈信号开环放大倍数反馈系数xo—输出信号反馈：将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。第10页，共65页，2023年，2月20日，星期四1.串联电压负反馈FAuiudufuo11.2.2

负反馈的类型RLAFxoxixdxf在放大器输出端，F与A相并联,

xf与uo成正比，为电压反馈；信号x均以电压

u

的形式出现在放大器输入端,信号以电压出现,uf与ud相串联,为串联反馈；ud=

ui–uf<

ui，为负反馈。净输入电压第11页，共65页，2023年，2月20日，星期四串联电压负反馈R2uiu

oRLRFR1+ud+uf+-+第12页，共65页，2023年，2月20日，星期四串联电压正反馈R2uiu

oRFR1+ud-uf+--第13页，共65页，2023年，2月20日，星期四ＡＦuoidiiif2.并联电压负反馈RLAF在放大器输入端,

信号以电流出现,

if与id相并联,为并联反馈；id=

ii–

if<

ii

，为负反馈。净输入电流xoxixdxf在放大器输出端，F与A相并联,

xf与uo成正比,

为电压反馈；第14页，共65页，2023年，2月20日，星期四并联电压负反馈uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif

=

–—oRF+第15页，共65页，2023年，2月20日，星期四AF3.串联电流负反馈RLioAFud=

ui–uf<

ui

，为负反馈。净输入电压,在放大器输入端,信号以电压出现,uf与ud相串联,为串联反馈；在放大器输出端，F与A相串联，xf与io成正比，为电流反馈；xoxixdxfuiudufuo第16页，共65页，2023年，2月20日，星期四串联电流负反馈uiuoR2RLRuf+--+ud++i0uf=i0R+第17页，共65页，2023年，2月20日，星期四AFiouoRLAF在放大器输入端,

信号以电流出现,

if与id相并联,为并联反馈；id=

ii–if<

ii

，为负反馈。净输入电流在放大器输出端，F与A相串联,

xf与io成正比，为电流反馈；信号

x

均以电流

i

的形式出现4.并联电流负反馈xoxixdxfidiiif第18页，共65页，2023年，2月20日，星期四并联电流负反馈RL++ioR2R1RFRiiid+-ifiR+第19页，共65页，2023年，2月20日，星期四1.正反馈和负反馈11.2.3

反馈的判别2.电压反馈和电流反馈(在输出回路中判别)3.串联反馈和并联反馈(在输入回路中判别)xi

与

xf串联为串联反馈

xf必以电压形式出现xi

与

xf并联为并联反馈

xf必以电流形式出现xi

与

xf分别接在两个输入端为串联反馈xi

与xf接在同一个输入端为并联反馈第20页，共65页，2023年，2月20日，星期四uiRRF1RF2RF3N1N2N3uOufRF1并联电压负反馈(级间)RF2串联电压负反馈(级间)RF3并联电压负反馈(本级)if例--第21页，共65页，2023年，2月20日，星期四uiuoN1N2RF1R1R2RFR4R3R5RLRF2串联电流负反馈-第22页，共65页，2023年，2月20日，星期四11.2.4负反馈对放大器性能的影响无负反馈0.707AuAufffLfH有负反馈1.扩展放大器的通频带AuAufAu0.707AuffLffHfBWfBWHF

=1AF

H加入负反馈使放大器的通频带展宽0第23页，共65页，2023年，2月20日，星期四Aufuouiuiuoud负反馈改善了波形失真2.提高放大倍数的稳定性——

=

———11+

AFdAfAfdAA——

3.改善非线性失真FA加入负反馈无负反馈第24页，共65页，2023年，2月20日，星期四4.改变输入电阻5.改变输出电阻串联负反馈提高输入电阻rif

>ri并联负反馈降低输入电阻rif

<ri电流负反馈提高输出电阻rof

>ro电压负反馈降低输出电阻rof

<ro因为：电压负反馈稳定了输出电压。因为：电流负反馈稳定了输出电流。第25页，共65页，2023年，2月20日，星期四作业:11.2.1~11.2.5第26页，共65页，2023年，2月20日，星期四uiu0RFR1R211.3集成运放在信号运算方面的应用11.3.1

比例运算电路虚断路id

0虚短路uii1

=

—–R1uif

=

–—oRFi1

ifRF引入深度负反馈uo

=

uiRFR11.反相比例运算电路u+

=u–i1ifididu+=0=0(虚地)u+u-RL第27页，共65页，2023年，2月20日，星期四uiuoi1ifRFR1R2R3R4设:

RF>>R4

,求Auf解：if

=

i1RF>>R4Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3uiuouo'uo=R4R3R4+uo得'u’o=

uiRFR1第28页，共65页，2023年，2月20日，星期四RFRR12uiuo2.同相比例运算电路虚断路id

0虚短路=uiu-u=+i1ifididu+u-i1

if第29页，共65页，2023年，2月20日，星期四uiuo同相跟随器uo

=uiRFR若接入电阻R、RF，运算关系不变第30页，共65页，2023年，2月20日，星期四i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui111.3.2

加法运算电路1.反相加法运算电路第31页，共65页，2023年，2月20日，星期四F211uo2.同相加法运算电路23ui1ui2ui3ＲＲＲＲＲ22ＲRFR1

uO

=

1+

R

+

+

R21R23ui3ui1R22ui2其中

R

=

R21R22

R23R

第32页，共65页，2023年，2月20日，星期四1.差动比例运算电路uoRFR1R2R3ui1i2u"u0=u'o+u0=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″=

1

+

ui2RFR1R2+R3R311.3.3

减法运算电路第33页，共65页，2023年，2月20日，星期四

11ui1212.两级反相输入减法运算电路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2F2uo=

—–

•

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12F1F2F2第34页，共65页，2023年，2月20日，星期四4.测量放大器ui1uO

=

(1

+

)(ui2–ui1)RFR2R1RPRFuoRN1N2N3ui2R1R1RPABRRFuo2uo1第35页，共65页，2023年，2月20日，星期四u–=u+=0ui–++uoRR2i1iFC一、微分运算11.3.4积分和微分运算电路输入方波，画输出波形uoui输出是尖脉冲。应用举例：第36页，共65页，2023年，2月20日，星期四i1iFui-++RR2Cuo二、积分运算tuo0输入方波，画输出波形应用举例1：tui0输出是三角波。第37页，共65页，2023年，2月20日，星期四“虚断路”原则uiiirid=对于理想运放相当于两输入端之间断路rid,理想运放工作在非线性区的分析依据uiuO+注意:u+=u–

不一定成立！第38页，共65页，2023年，2月20日，星期四1.过零比较器(2)

反相输入过零比较器UOM-UOMuiuo0R1R2uoui-UOMUOM(1)

同相输入过零比较器uiuo0R1R2uoui11.4

电压比较器（非线性区）第39页，共65页，2023年，2月20日，星期四R1R2例：过零比较器的应用UOM-UOMttUOM-UOM000uiuouOuiuiuo第40页，共65页，2023年，2月20日，星期四-UZUZR1R2R3Dz0uiuouiuoUZ(1)同相输入过零限幅比较器2.过零限幅比较器第41页，共65页，2023年，2月20日，星期四R1R2uOui(2)反相输入过零限幅比较器DzUZUZ-UZ0uOui第42页，共65页，2023年，2月20日，星期四-UZ3.任意电平比较器R1R2R3URDzUR0uiuouOuiUZ设UR>0UZ第43页，共65页，2023年，2月20日，星期四电压比较器的分析方法1.

输出电压跃变的门限UTu–u

=+由此可求出电压比较器的门限电压UT2.

电压传输特性u–u

>+uo>0时，u–u

<+uo<0时，输出端不接

DZ时，

uo

=

UOM输出端接

DZ限幅时，

uo

=

UZ第44页，共65页，2023年，2月20日，星期四电路如图所示，其稳压管的稳定电压正向压降忽略不计，输入电压参考电压画出输出电压的波形。第45页，共65页，2023年，2月20日，星期四UZR2R3R1URtt-UZ–

—URR1R2UZ-UZUT

设UR<

0，UT>

0DzUZUT=–

—URR1R2门限电平：例题000uiuouiuouOui第46页，共65页，2023年，2月20日，星期四R1R2R3RFUZ-UZUT2UT1Dz4.滞回比较器0uiuouOuiUZ第47页，共65页，2023年，2月20日，星期四R1R2uOuiR3RF-UZ过零滞回比较器tUT1UT20tUZ-UZDzUZ0UZUT2UT10uiuououi例题第48页，共65页，2023年，2月20日，星期四作业A选择题：11.3.1~11.4.1B基本题：11.3.4、11.3.6、11.3.10、11.3.13、11.3.14（5）（6）、11.3.15、11.3.16第49页，共65页，2023年，2月20日，星期四符合=(即虚地)的电路是()第50页，共65页，2023年，2月20日，星期四第51页，共65页，2023年，2月20日，星期四第52页，共65页，2023年，2月20日，星期四第53页，共65页，2023年，2月20日，星期四第54页，共65页，2023年，2月20日，星期四串联电压负反馈R1并联电流负反馈R2第55页，共65页，2023年，2月20日，星期四第56页，共65页，2023年，2月20日，星期四硅稳压管Dz1和Dz2的稳定电压分别为5V和10V，稳压管的正向压降为0.7V

第57页，共65页，2023年，2月20日，星