电工学-第十六章

(16-0)第十六章

集成运算放大器

(16-1)第十六章集成运算放大器§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§16.3

运算放大器在信号处理方面的应用§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(16-2)集成电路:将整个电路的各个元件及连线均制造在同一块半导体基片上，形成一个不可分割的整体。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；

§16.1集成运算放大器的简单介绍(16-3)各类型号集成芯片(16-4)一、集成电路内部结构的特点：2.输入级采用差放电路。由于电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，故温度均一性好。3.电阻元件由硅半导体构成，范围从100Ω到30KΩ，精度低。高阻值电阻用晶体管有源元件代替或外接。1.电感元件难于制造。制造几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成，大电容需外接。4.二极管一般用晶体管的发射结构成。(16-5)三、集成运放电路的组成输入级：常为差分放大电路。要求Ri大，Ad大，

Ac小,输入端耐压高。它有同相和反相两个输入端。中

间

级：主放大级，常为共射放大电路，多采用复合

管。要求有足够的放大能力。输

出

级：功率级，多采用互补功放电路或射极输出器。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：为各级放大电路设置适宜的静态工作点。多采用恒流源电路。(16-6)集成运放的根本结构输入级中间级输出级-UCC+UCC

u＋uo

u－反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS与uo反相与uo同相(16-7)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,

输入阻抗ri尽可能大。(16-8)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级足够大的电压放大倍数(16-9)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级

主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗ro小。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)符号图(b)引脚图765F0071234U-U+-UEE+UCC输出＋－u－u+uo(16-11)1、最大输出电压UOPP

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三、集成运放的主要参数无外加反响回路时的差模放大倍数。一般在104107之间。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度越高。3、输入失调电压UIO

使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。此值越小越好。(16-12)4、输入失调电流IIO5、输入偏置电流IIB6、共模输入电压范围UICM

共模电压超出此范围时，运放的共模抑制性能大大下降。

输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差。此值一般在零点零几微安级，越小越好。

输入信号为零时，两输入端静态基极电流平均值。此值一般在零点几微安级，越小越好。线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区(饱和区)：u+–u–

>/2

时，uo=+Uo(sat)

u+–u–

<-/2时，uo=–Uo(sat)

电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区实际特性饱和区O实际运算放大器的两种工作状态uo+–+u–u++–+Auo

---线性区和饱和区

1.开环电压放大倍数

2.差模输入电阻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，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化!理想运算放大器图形符号uo++

u+u––

四、理想运放及其分析依据线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区(饱和区)：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)理想特性饱和区O理想运算放大器的两种工作状态uo+–+u–u++–+Auo

---线性区和饱和区

放大倍数与负载无关虚开路(虚断)理想运放工作在线性区的特点虚短路分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。u–uo_+

+

u+i–i+(16-17)虚短路不成立：虚开路成立理想运放工作在饱和区的特点uiuo+UOM-UOMu–uo_+

+

u+i–i+例:假设Uo(sat)=12V，Auo=106，那么ui满足什么条件时，运放处于线性区?|ui|<12

VAuo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反响才能使其扩大输入信号的线性范围。+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)O信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用(16-19)§16.2运放在信号运算方面的应用但凡将放大电路输出端信号〔电压或电流〕的一局部或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反响。反响概念串联负反响→ri↑;并联负反响→ri↓;电压负反响→ro↓;电流负反响→ro↑;负反响对放大电路的影响(16-20)§16.2.1比例运算作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大、反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反响或电压串联负反响。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反响系数有关。(16-21)i1≈

iFuo_+

+

RFR1RPuii1iF1.放大倍数虚短路虚开路一、反相比例运算电路结构特点：负反响引到反相输入端，信号从反相端输入。虚地i–i+i-=

i+≈

0(16-22)平衡电阻：可使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1

//RF

为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大RF，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。i1iFuo_+

+

RFR1RPui2.电路的输入电阻ri=R1(16-23)4.共模电压3.反响方式电压并联负反响输出电阻很小uo_+

+

RFR1RPuii1iF电位为0虚地反相输入的重要特点:因虚短,所以u–≈u+=0，称反相输入端“虚地〞(16-24)(16-25)例：电路如以下图所示，R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.假设R1不变，要求Auf为–10，那么RF、R2应为多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–50

10=–5R2=

R1

RF

=1050

(10+50)=8.3k

2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF

=100k

R2=10100

(10+100)=9.1k

uoRFuiR2R1++––++

–

(16-26)例：试计算以下图开关S断开和闭合时的Au解：S断开:S闭合:ifi1i2

++--UiUo10RRR1S+-+R

Ri1i2iF由知：(16-27)R4R2uo_+

+

R1RPuiR3i1i2i4i3M例：求Au=?i1≈i2虚短路虚开路虚地(16-28)该放大电路，在放大倍数较大时，可防止使用大电阻。因R3的存在，削弱了负反响。(16-29)二、同相比例运算电路_+

+

RFR1R2uiuou-≈u+=ui虚短路结构特点：负反响引到反相输入端，信号从同相端输入。虚开路i1iFi–i+i-≈

i+=0(16-30)(16-31)此电路输入电阻大，输出电阻小，在电路中的作用与别离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。三、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。

当R1=

或RF

=0时uoui++––++

–

+-++15V+Uo-2R2R

R(16-32)例：试计算Uo解：由其为电压跟随器知:Uo=U-=U+

=15/2=7.5V2R+-++15V+Uo-2R

Ri+=0RL

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。(16-33)例：试计算Uo解：Ui1Ui2aUo+-++-++-+R1R2R3R4+-+Ro+-UaoR4R3Uoa(16-34)§16.2.2加法运算电路作用：将假设干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和、反相求和。方法：引入深度电压并联负反响或电压串联负反响。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反响系数有关。(16-35)一、反相求和运算R12_++

RFR11ui2uoRPui1

实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。(16-36)i12iFi11R12_++

RFR11ui2uoRPui1

调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。(16-37)二、同相求和运算

实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。-R1RF++ui1uoR21R22ui2(16-38)此电路以u+为输入，那么输出为：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与

ui1

和ui2的关系如何？注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。i+≈0〔虚开路〕节点电压法(16-39)uo-R1RF++ui1R21R22ui2R´

左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：1.虚开路：流入同相端的电流为0。2.结点电位法求u+。(16-40)_+

+

RFR1R2ui2uoR3ui1解出：§16.2.3减法运算i11iFi12iR3(16-41)RF_+

+

R1R2ui2uoR3ui1单运放加减运算电路特例：差动放大器RFR1(16-42)

实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。R2_++

R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6(16-43)R2_++

R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6虚短路虚开路虚开路(16-44)优点：元件少，本钱低。缺点：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的调整计算不方便。单运放加减运算电路小结

改进：采用双运放电路。(16-45)例：设计一加减运算电路，RF=240k

，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。

系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。ui1R1-R3RF++uoR2ui2ui3(16-46)(2)求各电阻值。R4uo=10ui1+8ui2-20ui3<-R3RF++uoR2ui2ui3ui1R1

如果不需要R4时，不能直接接地。(16-47)例：试分析双运放加减运算电路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R6(16-48)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt

：热敏电阻加减运放电路应用举例:温度测量电路(16-50)uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+例:试分析三运放电路两个同相输入运算电路差分运算电路(16-51)uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：i–i–io≠0(16-52)三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+(16-53)1.它们都引入电压负反响，因此输出电阻都比较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.关于共模电压：同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。比例运算电路与加减运算电路小结(16-54)知识点回忆：C§16.2.4积分运算电路(16-55)i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。ui-++RR2Cuo一、积分运算应用举例1：(16-56)

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分PI运算电路。uoCFuiR2R1++––++

–

RFifi1电路的输出电压上式说明：输出电压是对输入电压的比例-积分(16-57)tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。(7-58)线性积分波形变换移相积分运算电路在不同输入情况下的波形阶跃信号方波正弦波(16-59)积分电路的主要用途1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。(16-60)运算电路要求1.熟记各种单运放组成的根本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.掌握以上根本运算电路的级联组合的计算。3.会用“虚断(ii=0)〞和“虚短(u+=u–)〞分析给定运算电路的放大倍数。4.能设计简单的加减和积分运算电路。(16-61)§16.3.3电压比较器作用：比较输入电压和参考电压的大小。特点：由于运放开环工作或引入了正反响，故其工作于饱和区。输出电压为：uo=±Uo(sat)(16-62)确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反响。假设有负反响，那么运放工作在线性区；假设无负反响，或有正反响，那么运放工作在饱和区。处于饱和区运放的特点：1.虚短路不成立，虚开路成立。2.输入电阻仍可以认为很大。3.输出电阻仍可以认为是0。分析非线性运放电路的依据：u+>u-

则输出为+Uom，反之输出为-Uomuoui(16-63)uoui0+Uom-UomUR传输特性UR：参考电压ui：被比较信号特点：运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+Uom当ui<UR时,uo=-Uom