集成运算放大器及其应用

第二章集成运算放大器及其应用第二节差动放大器第一节直接耦合放大器第四节集成运放电路中的负反馈第三节集成运算放大器简介第六节集成运放在信号处理电路中的应用第五节集成运放在信号运算电路中的应用*第八节集成运放的选择与使用第七节集成运放在信号发生电路中的应用*第九节集成运放应用实例第一节直接耦合放大器+UCCRC2RE2uo+–V2RB2RB1RC1ui+–V1优点：能放大直流信号或变化十分缓慢的交流信号。缺点：(1)前、后级静态工作点互相影响；

(2)零点漂移。1、前后级静态工作点相互影响+UCCRC2RE2uo+–V2RB2RB1RC1ui+–V1VC1VB2RE2的接入，提高了V1基极电位，从而保证第一级有较高的静态电位，而不致于进入饱和区。但RE2的接入使第二级电压放大倍数大大降低。2、零点漂移——

指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。多级直接耦合放大电路+–ui=0–+uouotO(1)产生的原因晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等。(2)评价零点漂移的指标把输出漂移电压折算到输入端来衡量。(3)抑制零点漂移的措施——

差动放大电路例：若有两个放大电路的A、B，它们的电压放大倍数分别为1000和200，输出端的零点漂移电压均为1V。若要放大2mV的信号，应采用哪个放大电路？所以采用A放大电路。第二节差动放大电路一、差动放大电路的基本形式+UCCuoui1RCRB2V1RB1RC++––V2ui2RB2RB1+–差动放大电路的电路结构

电路结构对称，两个输入、两个输出1.零点漂移的抑制uo=VC1–

VC2

=0uo=(VC1+VC1

)–(VC2+VC2)=0静态时：ui1

=

ui2

=0当TICVC（两管变化量相等）对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。+UCCuoui1RCRB2V1RB1RC++––V2ui2RB2RB1+–VC1VC22.有信号输入时的工作情况①共模信号+UCCuoui1RCRB2V1RB1RC++––V2ui2RB2RB1+–大小相等、极性相同

(uic1=uic2)

(1)共模输入②

在共模信号输入下：VC1

=VC2（集电极电位等向等量变化）uo=(VC1+VC1)–(VC2+VC2)=0对共模信号没有放大能力差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。共模信号需抑制(2)差模输入+UCCuoui1RCRB2V1RB1RC++––V2ui2RB2RB1+–①差模信号大小相等、极性相反

(uid1=–uid2)

②

在差模信号输入下：VC1=–

VC2(集电极电位一增一减，呈等量异向变化)uo=(VC1–VC1)–(VC2+VC2)=–2VC1对差模信号有放大能力。差模信号是有用信号(3)比较输入ui1、ui2大小和极性是任意的。例:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模分量差模分量

放大器只放大两个输入信号的差值信号—差动放大电路——常作为比较放大来用ui1=uic1+uid1ui2=uic2+uid2其中：共模分量差模分量3.共模抑制比——衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。共模放大倍数：差模放大倍数：共模抑制比：或KCMR越大，说明差放电路放大差模信号的能力越强，而受共模干扰的影响越小。

若电路完全对称，理想情况下AC=0，KCMRR→∞若电路不完全对称，则

AC0uo

=

AD

(ui1－ui2)=

AD

uid

uo

=ACuic+

AD

uid即共模信号对输出有影响。二、典型差动放大电路(长尾式差动放大电路)RE的作用：+UCCuoui1RCRPV1RBRCui2RERB+++–––V2UEE+–(2)对差模信号无反馈作用。抑制零点漂移，稳定静态工作点。TIC1IC2IEUREUBE1UBE2IB1IC1IC2IB2——共模抑制电阻UEE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的静态工作点。电位器RP：调零用的。在静态时调节RP，使uo为零。一般几十欧~几百欧之间。+UCCuoui1RCRPV1RBRCui2RERB+++–––V2UEE+–三、差动放大电路的几种形式1、双端输入-双端输出(1)静态分析前两项很小,可忽略。VE0（虚短）+UCCUCERCV1RB2RE+–UEE+–ICIEIBUBE+–单管直流通路(2)

动态分析由于RE对差模信号不起作用，则单管差模信号通路为：单管交流通路微变等效电路RBRCui1uo1+-T1+-同理可得：双端输出电压为：双端输出电压放大倍数为：ibRbeibRBRCui1uo1+-+-当两管之间接负载电阻RL时：若是单端输出，电压放大倍数为：（从V1集电极输出，反相输出）（从V2集电极输出，同相输出）*单端输出的电压放大倍数只有双端输出的一半。2、单端输入-单端输出+UCCuo1uiRCRPV1RBRCui2RERB+++–––V2UEE+–ui1+––+uo2共模信号差模信号可把ui分解成一对共模信号和一对差模信号:共模放大倍数AC交流通路微变等效电路若RE足够大，AC

0RBRCuic1uoc1+-V1+-2REibRbeibRBRCuic1uoc1+-+-2RE其差模放大倍数AD为：（反相输出）（同相输出）结论：差动放大电路的电压放大倍数与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模放大倍数与单管相同；若为单端输出，则为单管的一半。四种差分放大电路的比较输入方式双端单端输出方式双端单端双端单端差模放大倍数AD差模输入电阻Ri差模输出电阻Ro2(RB+Rbe)2(RB+Rbe)2RCRC2RCRC例1某一双端输入、双端输出差动放大电路，已知差模电压增益为48dB，共模抑制比为67dB，ui1=5V，ui2=5.01V。试求输出电压uo。解：由已知得：则：AD≈

-251则：AC≈0.11uo

=ACuic+

AD

uid

=0.11×5.005+(-251)×(-0.01)=3.06V共模输入电压：差模输入电压：练习题：1、在直接耦合放大电路中，采用差动式电路结构的主要目的是()。

(a)提高电压放大倍数

(b)抑制零点漂移

(c)提高带负载能力b2、具有发射极电阻的典型差动放大电路中，RE的作用是()。

(a)稳定静态工作点，抑制零点漂移

(b)稳定电压放大倍数

(c)提高输入电阻，减小输出电阻a第三节集成运算放大器简介一、运算放大器的特点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。特点：Auo高：80dB~140dBRi高：105~1011Ro低：几十

~几百KCMR高：70dB~130dB二、集成运算放大器的组成输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用差动放大电路。中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。输出级：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。输入级中间级输出级偏置电路输入端输出端运算放大器组成方框图常用的集成运放芯片F007实物外形图：管脚图：1μA7412876543调零端调零端反相输入端同相输入端输出端负电源端正电源端空脚外部接线图：调零电位器++Auouou–u+–7234615–12V+12V三、集成运放的符号、外特性和电路模型Auuo++u+u––：表示“放大器”两个输入端u–：反相输入端u+：同相输入端一个输出端：uo为了简化起见，常将接地端省去。Auuo++u+u––1、符号Au：电压放大倍数

uduoO2、运放的外特性ud=u+

u–

：差动输入电压uo=Au

(u+

u–

)=Aud——电压传输特性uo=f(ud)线性区：uo

=Au(u+–u–)饱和区(非线性区)：ud>时，uo=+Uo(sat)

ud<–时，uo=–Uo(sat)

线性区饱和区Uo(sat)：饱和电压，略小于直流偏置电压。+Uo(sat)–Uo(sat)–饱和区Auuo++u+u––

uduoO线性区+Uo(sat)–Uo(sat)–饱和区饱和区Au越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈(闭环运行)才能使其工作于线性区。Auuo++u+u––3、运放的电路模型uo+u+u––RiRo+–Au(u+u)–+Ri

：输入电阻（很高）Ro：输出电阻（较低）Au：开环电压放大倍数Auuo++u+u––四、主要参数(自学)1.最大输出电压UOM

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。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IIB五、理想运算放大器及其分析依据1、理想运算放大器的条件Auo

，Rid，Ro0，KCMR2、符号++∞uou–u+–3、电压传输特性

uo=f(ud)线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O4、理想运放工作在线性区的分析依据(1)Auo

，uo

=Auo(u+–

u–

)uo为一有限值∴

u+=u–

，称“虚短”∴

i+=i–0，称“虚断”

++∞uou–u+–若u+或u–接地，则称“虚地”。(2)

Rid，两个输入端电流为零。i–i+5、理想运放工作在饱和区的分析依据++∞uou–u+–(一般工作于开环或正反馈状态)+Uo(sat)

u+–u–uo–Uo(sat)饱和区O饱和区(1)输出只有两种可能：

+Uo(sat)或–Uo(sat)当u+>u–

时，uo=+Uo(sat)当u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

i–i+(2)i+=i–0，仍存在“虚断”现象例1：F007运算放大器的正、负电源电压为±15V，Auo=2×105

，±Uo(sat)=±13V。今分别加下列输入电压，求输出电压及其极性。(1)u+=+15μV，u–=–10μV(2)u+=–5μV，

u–=+10μV(3)u+=0，

u–=+5mV；(4)u+=5mV，u–=0解：第五节集成运放在信号运算电路中的运用——运放工作在线性区一、比例运算电路1.反相比例运算uoRfuiR2R1++––++–ifi1i–i+u+u–由运放工作于线性区的两条分析依据：

i+=i–=0，u–=u+=0有：i1if

∵要求静态时u+、u–

对地电阻相同∴平衡电阻R2=R1//Rf结论：uoRfuiR2R1++––++–(1)Auf为负值，即uo与ui极性相反。(2)Auf只与外部电阻R1与Rf有关，而与运放本身参数无关。(3)|Auf|可能大于1，小于1或等于1。当R1=Rf时，uo=－ui——反相器例1：

电路如图所示，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？uoRfuiR2R1++––++–解：(1)R2=

R1

//Rf=8.3kR2=

R1

//Rf=9.1k2.同相比例运算uoRfuiR2R1++––++–由虚断i+=i–=0有：i1if

平衡电阻R2=R1//Rfu+u–ifi1i–i+由虚短u–=u+=ui结论：(1)Auf为正值，即uo与ui极性相同。(2)Auf只与外部电阻R1与Rf有关，而与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不可能小于1。当R1=∞或Rf=0时，uo=ui——电压跟随器uoRfuiR2R1++––++–uoui++––++–电压跟随器例2：电路如图所示，求uo的大小。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k解：uo=7.5V电压跟随器起隔离作用。二、加法运算电路1、反相加法运算ui2uoRfui1Ri2Ri1++–R2+–ii2ii1ifu+u–由运放工作于线性区的两条分析依据有：

ii1+ii2=if

，u–=u+=0若Ri1=Ri2=

Rf，则有：

uo=－(ui1+

ui2)平衡电阻：R2=Ri1

//Ri2

//Rf2.同相加法运算电路ui2uoRfui1Ri2Ri1++–R1+–方法一:根据叠加原理ui1单独作用(ui2＝0)时Rfui1Ri2Ri1++–R1+–根据同理，ui2单独作用时ui2uoRfui1Ri2Ri1++–R1+–若Ri1=Ri2=R1=

Rf，则有：

uo=ui1+

ui2

平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFui1单独作用(ui2＝0)时方法二：由于u–=u+可得：ui2uoRfui1Ri2Ri1++–R1+–三、减法运算ui2uoRfui1R2R3++–R1u+u–ifi1由u–=u+得：

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=Rf

R2//R3

=R1

//Rf——常用作测量放大电路方法2：利用叠加原理分析ui2uoRfui1R2R3++–R1uo'Rfui1R2R3++–R1ui1单独作用ui2uo"RfR2R3++–R1ui2单独作用+例3：求uo的表达式。uoRui1R1A1–++++–A2ui2RR/2R/2A3++–RRuo1uo2ui1ui2解：四、积分运算uoCFuiR2R1++––++––+uCifi1由虚断和虚断性质可得：

i1=if表ui与uo反相积分时间常数若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui

时，则uitO积分饱和–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

输出电压随时间线性变化Ui–Ui五、微分运算uoC1uiR2RF++––++––+uCifi1由虚断和虚断性质可得：

i1=ifuitOUiuotO若输入信号电压为阶跃电压时，uo为尖脉冲电压。例2：uoR3uiR2R1++––++–R4R5Ai1i4i5i1解：VA=u_－i1R3=－i1R3应用：由运放和稳压管组成的恒压源1、同相输入恒压源UORFR2R1++–+–RLRV+–UZ+U2、反相输入恒压源UORFR2R1+–++–RL+–UZRV+U改变RF即可调节恒压源的输出电压。第六节集成运放在信号处理电路中的运用——运放工作于饱和区。一、电压比较器URuouiR2++–R1+–++––运放处于开环状态功能：用来比较ui和UR(参考电压)的大小。当ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

当ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)uiuoOUR电压传输特性：uo=f(ui)+Uo(sat)–Uo(sat)1、简单电压比较器2.过零比较器uouiR2++–R1+–+–uiuoO+Uo(sat)–Uo(sat)电压传输特性tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O利用电压比较器将正弦波变为方波。3.输出带限幅的比较器URuouiR2++–R1+–++––uo'RV当ui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)当ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)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)uiuoOUR例1：电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，是分析并画出输出电压uo"、uo'和uo的波形。uouiR2++–R1RCVRLuo'uo"过零比较器微分电路检波电路tuiOtuo"Otuo'OuotO+Uo(sat)+Uo(sat)+Uo(sat)例2：电路如图所示，运放的最大输出电压uopp=±12V，稳压管的稳定电压uZ=6V，其正向电压UD=0.7V，ui=12sintV，UR=3V。试画出传输特性和uo的波形。tuoOURuouiR2++–R1+–++––uo'R3V解：当ui

>UR

时，uo'

=–12Vuo=–0.7V当ui

<UR

时，uo'

=+12Vuo=6VtuiO12V3V–0.7V6VuiuoO3V6V–0.7V一、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)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。第四节集成运放电路中的负反馈RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RS+–uCE+–uSRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–++us+–RS通过RE将输出电压反馈到输入通过RE将输出电流反馈到输入反馈放大电路的方框图：Axixo开环Axdxo闭环Fxixf基本放大电路反馈电路比较符号输入量输出量反馈量净输入量Axdxo闭环Fxixf按反馈极性分正反馈负反馈反馈信号使净输入信号增大。反馈信号使净输入信号减少。——用于振荡电路中产生波形——用于改善放大电路的性能二、正反馈与负反馈的判别方法瞬时极性法：设接地参考点的电位为零，假设输入信号有一个正极性的变化，用符号表示，看反馈回来的量是使净输入量增大还是减少，若增大则为正反馈，若减少则为负反馈。+uoRfuiR2R1++––++–+–uf+–udud=ui–

ufuf削弱了净输入电压

——负反馈例：uoRfuiR2R1++––++–+–uf+–udud=ui–

ufuf增大了净输入电压

——正反馈三、反馈的类型1、根据反馈信号所取自的输出信号不同电压反馈电流反馈——反馈信号取自输出电压——反馈信号取自输出电流判断方法：反馈端直接从输出端引出，为电压反馈。反馈端从负载电阻的靠近“地”端引出的，为电流反馈。uoRFuiR2R1++––++–RuiR2+–++–RL2、根据反馈信号与输入信号在输入端联接形式的不同串联反馈并联反馈——反馈信号以电压形式串接在输入回路中——反馈信号以电流形式并接在输入端判断方法：反馈端与输入端加在同一输入端上，为并联反馈。以电流形式进行比较反馈端与输入端加在两个输入端上，为串联反馈。以电压形式进行比较uoRFuiR2R1++––++–+–uf+–uduoRFuiR2R1++––++–RLiiifid负反馈的类型:负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四、运算放大器电路反馈类型的判别方法：(1)反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈；(2)输入信号和反馈信号分别加在两个输入端(同相和反相)上的，是串联反馈；加在同一个输入端(同相或反相)上的，是并联反馈；(3)反馈信号使净输入信号减少的是负反馈；否则是正反馈。放大器电路中的四种负反馈uoRFuiR2R1++––++–RL电压串联负反馈+–uf+–uduoRFuiR2R1++––++–RLiiifid电压并联负反馈uf+–RuiR2+–++–RL+–ud电流串联负反馈iouf=Rioiiifid电流并联负反馈ioRuiR1+–++–RLR2RF例1：判断如图所示电路是何种类型的反馈？uoRfuiR2R1++–––+++uCCRLV电压串联负反馈例2：判断如图所示电路是何种类型的反馈？R1++–RFui+UCCRLuo–V1V2–UCCRBRBD1D2+电压并联负反馈例3：判别反馈类型。ui+–++–++–RLRA1A2电压串联负反馈ui+–++–++–RLRA1A2电流并联负反馈五、负反馈对放大电路工作性能的影响1.

降低放大倍数则有：–

称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强。2.提高放大倍数的稳定性Af的相对稳定性A的相对稳定性引入负反馈使放大倍数的稳定性提高(1+AF)倍。若AF>>1，称为深度负反馈，此时：在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。例3：如图所示同相比例运算电路，R1=10kΩ，RF=300kΩ，Auo=104。求闭环电压放大倍数Auf；如果，求。uoRFuiR2R1++––++Auo–RL+–uf+–ud解：(1)3.

对放大电路输入电阻的影响串联反馈：使Ri提高并联反馈：使Ri减小——与串联反馈还是并联反馈有关4.

对放大电路输出电阻的影响电压反馈：使Ro减小电流反馈：使Ro提高——与电压反馈还是电流反馈有关5.

改善波形失真Auiufud加反馈前加反馈后uo大略小略大略小略大负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。uoAF小接近正弦波正弦波ui6.展宽通频带引入负反馈使电路的通频带宽度增加无负反馈BWf|Au|OBWf有负反馈结论：(1)要想稳定静态工作点，应引入直流负反馈。(2)要想改善交流性能，应引入交流负反馈。(3)要想稳定输出电压，应引入电压负反馈；

要想稳定输出电流，应引入电流负反馈。(4)要提高Ri，应引入串联负反馈；

要减小Ri，应引入并联负反馈。(5)要提高Ro，应引入电流负反馈；

要减小Ro，应引入电压负反馈。练习题：运算放大器电路如图所示，RL为负载电阻，则RF1和RF2引入的反馈分别为()。(a)串联电流负反馈(b)并联电流负反馈(c)串联电压负反馈(d)正反馈R2R1++–RLRF2RF1ui第七节集成运放在信号发生电路中的运用正弦波信号发生器（正弦波振荡器）——用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。（从1Hz~几百MHz)常用的有：LC振荡电路：输出功率大、频率高。RC振荡电路：输出功率小、频率低。石英晶体振荡电路：频率稳定度高。应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超