电工电子学集成运算放大器

第9章集成运算放大器9.1集成运算放大器概述9.2放大电路中的负反响9.4运算放大器在信号处置方面的运用9.5运算放大器在信号产生方面的运用9.3运算放大器在信号运算方面的运用1.了解集成运放的根本组成及主要参数的意义；2.了解运算放大器的电压传输特性，了解理想运算放大器并掌握其根本分析方法；3.了解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的任务原理，了解有源滤波器的任务原理；4.了解电压比较器的任务原理和运用。本章要求第9章集成运算放大器9.1集成运算放大器概述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。是开展最早、运用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上,组成一个不可分的整体。集成电路特点：体积小、分量轻、功耗低、可靠性高、价钱低。集成电路分类按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟各类型号集成芯片9.1.1集成运放的组成1.元器件参数的一致性和对称性好；2.电阻的阻值遭到限制，大电阻常用三极管恒流源替代，电位器需外接；3.电容的容量遭到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；4.二极管多用三极管的发射结替代。输入级中间级输出级偏置电路运算放大器方框图输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。偏置电路:由镜像恒流源等电路组成输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载才干强，普通由互补对称电路或射极输出器构成。9.1.2差动放大电路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–RE的作用：稳定静态任务点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿RE上的压降，以获得适宜的任务点。电位器RP:起调零作用。1、电路组成2.信号输入两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大才干。(1)共模信号ui1=ui2=uic大小相等、极性一样差动电路抑制共模信号才干的大小，反映了它对零点漂移的抑制程度。共模信号需求抑制+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–2.信号输入两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，(2)差模信号ui1=–ui2大小相等、极性相反uid=ui1–ui2uo=(VC1－VC1)－(VC2+VC１)=－2VC1即对差模信号有放大才干。差模信号是有用信号+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–(3)比较输入ui1、ui2大小和极性是恣意的。例1:ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:ui1=8mV+2mV放大器只放大两个输入信号的差值信号—差动放大电路。这种输入常作为比较放大来运用，在自动控制系统中是常见的。3.零点漂移的抑制uo=VC1－VC2=0uo=(VC1+VC1)－(VC2+VC2)=0静态时，ui1=ui2=0当温度升高时ICVC〔两管变化量相等〕对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制造用。+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–4.输入和输出方式+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出(CommonModeRejectionRatio)全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的才干。差模放大倍数共模放大倍数KCMR越大，阐明差放分辨差模信号的才干越强，而抑制共模信号的才干越强。5.共模抑制比共模抑制比假设电路完全对称，理想情况下共模放大倍数Ac=0输出电压uo=Ad〔ui1－ui2〕=Aduid假设电路不完全对称，那么Ac0，实践输出电压uo=Acuic+Aduid即共模信号对输出有影响。输入级中间级输出级9.1.3集成运放的任务原理反相输入端同相输入端输出端+UCCui-UEEuoT3T4T5T1T2IS123++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践运放开环电压放大倍数(a)(b)(a)符号;(b)引脚765F0071234U-U+-UCC+UCC输出1.主要参数1.最大输出电压UOM能使输出和输入坚持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益Auo运放没有接反响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。6.共模输入电压范围UICM运放所能接受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至呵斥器件损坏。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IIB9.1.3集成运放的特性线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–时，uo=Uo+u+<u–时，uo=Uo-2.电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区实践特性饱和区O1)开环电压放大倍数2)开环输入电阻3)开环输出电阻4)共模抑制比由于实践运算放大器的技术目的接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进展的。4.理想运算放大器及其分析根据在分析运算放大器的电路时，普通将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–时，uo=+Uo(sat)u+<u–时，uo=–Uo(sat)uo++

u+u––

电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性饱和区O理想运算放大器图形符号理想运放任务在线性区的特点由于uo=Auo(u+–u–)所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u–,称“虚短〞(2)输入电流约等于0即i+=i–0,称“虚断〞电压传输特性Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反响才干使其任务于线性区。++∞uou–u+i+i––

u+–u–uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O理想运放任务在饱和区的特点(1)输出只需两种能够,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断〞景象电压传输特性当u+>u–时，uo=+Uo(sat)u+<u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短〞景象u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––9.2.1反响的根本概念反响：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部经过某种电路引回到输入端。9.2放大电路中的负反响esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS经过RE将输出电流反响到输入经过RE将输出电压反响到输入(b)带反响(a)不带反响A1.反响的定义+–A—净输入信号—反响信号—输出信号净输入信号：F反响电路比较环节—输入信号根本放大电路假设三者同相，那么Xd=Xi-Xf,即Xd<Xi,此时,反响信号减弱了净输入信号,电路为负反响。假设Xd>Xi，即反响信号起了加强净输入信号的作用那么为正反响。负反响：反响信号减弱净输入信号，使放大倍数降低。在振荡器中引入正反响，用以产生波形。在放大电路中，出现正反响将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常任务。正反响：反响信号加强净输入信号，使放大倍数提高。2.反响的分类前往后一页前一页〔1〕正反响与负反响〔2〕交流反响与直流反响在反响网络中串接隔直电容，可以隔断直流，此时反响只对交流起作用。在起反响作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。反响只对交流信号起作用，称为交流反响。反响只对直流起作用，称为直流反响。有的反响对交直流均起作用。前往后一页前一页引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：稳定静态任务点。RE直流反响RE交直流反响+UCCRE++––+UCCRE++––前往后一页前一页(3)根据反响所采样的信号不同，可以分为电压反响和电流反响。假设反响信号取自输出电压，叫电压反响。假设反响信号取自输出电流，叫电流反响。(4)根据反响信号在输入端与输入信号比较方式的不同，可以分为串联反响和并联反响。反响信号与输入信号串联，即反响信号与输入信号以电压方式作比较，称为串联反响。反响信号与输入信号并联，即反响信号与输入信号以电流方式作比较，称为并联反响。3.负反响放大电路的普通表达式反响放大电路的根本方程反响系数净输入信号开环放大倍数闭环放大倍数+–AF负反响使放大倍数下降。那么有：同相，所以AF是正实数负反响时，|1+AF|称为反响深度，其值愈大，负反响作用愈强，Af也就愈小。射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电压放大倍数较低就是由于电路中引入了负反响。假设|AF|>>1，称为深度负反响，此时：在深度负反响的情况下，闭环放大倍数仅与反响电路的参数有关。负反响交流反响直流反响电压串联负反响电压并联负反响电流串联负反响电流并联负反响放大电路中不同类型的负反响稳定静态任务点〔1〕反响极性的判别利用瞬时极性法判别负反响与正反响的步骤：2.假设电路中某点的瞬时电位高于参考点(对交流为电压的正半周)，那么该点电位的瞬时极性为正(用表示)；反之为负(用表示)。－4.假设反响信号与输入信号加在同一输入端(或同一电极)上，两者极性相反时，净输入电压减小,为负反响；反之，极性一样为正反响。3.假设反响信号与输入信号加在不同输入端(或两个电极)上，两者极性一样时，净输入电压减小,为负反响；反之，极性相反为正反响。1.设接“地〞参考点的电位为零。9.2.2负反响放大电路的分析〔2〕反响方式的判别(1)根据反响所采样的信号不同，可以分为电压反响和电流反响。假设反响信号取自输出电压，叫电压反响。假设反响信号取自输出电流，叫电流反响。(2)根据反响信号在输入端与输入信号比较方式的不同，可以分为串联反响和并联反响。反响信号与输入信号串联，即反响信号与输入信号以电压方式作比较，称为串联反响。反响信号与输入信号并联，即反响信号与输入信号以电流方式作比较，称为并联反响。iiifibib=ii-if输入信号反响信号净输入信号并联反响跳转1ube=ui-uf输入信号净输入信号串联反响ufuiube+++–––反响信号反响信号与输入信号并联，即反响电流信号与输入信号电流比较,称为并联反响。反响信号与输入信号串联，即反响电压信号与输入信号电压比较的，称为串联反响。前往后一页前一页+–uf+–ud设输入电压ui为正，差值电压ud=ui–uf各电压的实践方向如图uf减小了净输入电压(差值电压)——负反响

uoRFuiR2R1+–++

–

+–例1：uoRFuiR2R1+–++

–

+–例2：设输入电压ui为正，差值电压ud=ui+uf各电压的实践方向如图uf增大了净输入电压——正反响

－–+uf–+ud

－在振荡器中引入正反响，用以产生波形。在放大电路中，出现正反响将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常任务。例3：RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––设输入电压ui为正，差值电压ube=ui–uf各电压的实践方向如图uf减小了净输入电压——负反响

RBRER'Luiuo++––交流通路+–uf+–ube－ie交、直流分量的信号均可经过RE，所以RE引入的是交、直流反响。假设有发射极旁路电容，RE中仅有直流分量的信号经过，这时RE引入的那么是直流反响。引入交流负反响的目的：改善放大电路的性能引入直流负反响的目的：稳定静态任务点分析步骤：3)是负反响，判别负反响的类型;1)找出反响网络〔普通是电阻、电容〕；2)判别反响极性；4)分析计算。前往后一页前一页1.串联电压负反响+–uf+–ud设输入电压ui为正，差值电压ud=ui–ufuf减弱了净输入电压(差值电压)—负反响反响电压取自输出电压—电压反响反响信号与输入信号在输入端以电压的方式比较—串联反响

AF+–ufuduiuO(b)方框图(a)电路uoRFuiR2R1+–++

–

+–RL各电压的实践方向如图1.串联电压负反响+–uf+–ud差值电压ud=ui–uf

(a)电路uoRFuiR2R1+–++

–

+–RL反响电压反响系数2.串联电流负反响+–uf–+ud设输入电压ui为正，差值电压ud=ui–uf各电压的实践方向如图uf减弱了净输入电压(差值电压)—负反响反响电压取自输出电流—电流反响反响信号与输入信号在输入端以电压的方式比较—串联反响

uf=Rio特点:输出电流io与负载电阻RL无关—同相输入恒流源电路或电压—电流变换电路。uouiR2RL+–++

–

ioR+–(a)电路AF+–ufuduiiO(b)方框图2.串联电流负反响+–uf–+ud反响系数

F=RuouiR2RL+–++

–

ioR+–(a)电路反响电压uf=Rio3.并联电压负反响－

设输入电压ui为正，差值电流id=i1–if各电流的实践方向如图if减弱了净输入电流(差值电流)—负反响反响电流取自输出电压—电压反响反响信号与输入信号在输入端以电流的方式比较——并联反响uoRFuiR2R1+–++

–

+–RLi1ifidAF+–ifidiiuO(b)方框图(a)电路3.并联电压负反响－

反响电流uoRFuiR2R1+–++

–

+–RLi1ifid(a)电路反响系数4.并联电流负反响设输入电压ui为正，差值电流id=i1–if各电流的实践方向如图if减弱了净输入电流(差值电流)—负反响反响电流取自输出电流—电流反响反响信号与输入信号在输入端以电流的方式比较—并联反响－

(a)电路AF+–ifidiiiO(b)方框图RFR1uiR2RL+–++

–

ioRuRi1ifid4.并联电流负反响反响电流－

(a)电路RFR1uiR2RL+–++

–

ioRuRi1ifid反响系数4.并联电流负反响－

(a)电路RFR1uiR2RL+–++

–

ioRuRi1ifid特点：输出电流io与负载电阻RL无关——反相输入恒流源电路反响电流反响类型的判别方法：1.反响电路直接从输出端引出的，是电压反响；从负载电阻RL的接近“地〞端引出的，是电流反响；2.输入信号和反响信号分别加在两个输入端(同相和反相)上的，是串联反响；加在同一个输入端(同相或反相)上的，是并联反响；3.对串联反响，输入信号和反响信号的极性一样时，是负反响；极性相反时，是正反响；4.对并联反响，净输入电流等于输入电流和反响电流之差时，是负反响；否那么是正反响。例1：试判别以下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反响电路。uf+–解：因反响电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反响；因输入信号和反响信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以是串联反响；因输入信号和反响信号的极性一样,所以是负反响。－

－

串联电压负反响先在图中标出各点的瞬时极性及反响信号；uo1uiR+–++

–

uo++

–

RLA1A2例2：试判别以下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反响电路。解：因反响电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的接近“地〞端引出的，所以是电流反响；因输入信号和反响信号均加在同相输入端上，所以是并联反响;因净输入电流id等于输入电流和反响电流之差，所以是负反响。

－

并联电流负反响

i1ifiduo1uiR++

–

uo++

–

RLA1A29.2.3负反响对放大电路性能的影响反响放大电路的根本方程反响系数净输入信号开环放大倍数闭环放大倍数+–AF1.提高放大倍数的稳定性引入负反响使放大倍数的稳定性提高。放大倍数下降至1/(1+|AF|)倍,其稳定性提高1+|AF|倍。假设|AF|>>1，称为深度负反响，此时：在深度负反响的情况下，闭环放大倍数仅与反响电路的参数有关。例：|A|=300，|F|=0.01。2.扩展通频带引入负反响使电路的通频带宽度添加无负反响有负反响f|AO|0.707|Auo|Of´2|Afo|f2|Af|,|Af|0.707|Afo|BWBWf负反响展宽通频带3.减小非线性失真负反响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。参与负反响无负反响FufAuiuo大小略小略大接近正弦波uouiA+–uid略大略小ufuiubeib++––4.对输入电阻和输出电阻的影响在同样的ib下，ui=ube+uf>ube，所以rif提高。(1)串联负反响无负反响时：有负反响时：uf+–使电路的输入电阻提高if无负反响时：有负反响时：在同样的ube下，ii=ib+if>ib，所以rif降低。(2)并联负反响使电路的输入电阻降低iiibube+–电压负反响具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。电流负反响具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。(3)电压负反响使电路的输出电阻降低(4)电流负反响使电路的输出电阻提高四种负反响对ri和ro的影响串联电压串联电流并联电压并联电流思索题：为了分别实现：(1)稳定输出电压；(2)稳定输出电流；(3)提高输入电阻；(4)降低输出电阻。应引入哪种类型的负反响？riro减低增高增高增高增高减低减低减低9.3运算放大器在信号运算方面的运用集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进展比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。运算放大器任务在线性区时，通常要引入深度负反响。所以，它的输出电压和输入电压的关系根本决议于反响电路和输入电路的构造和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改动输入电路和反响电路的构造方式，就可以实现不同的运算。9.3.1比例运算1.反相比例运算(1)电路组成以后如不加阐明，输入、输出的另一端均为地()。(2)电压放大倍数因虚短,所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地〞—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0，ifi1i–i+所以i1if因要求静态时u+、u–对地电阻一样，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

(5)电压并联负反响，输入、输出电阻低，ri=R1。共模输入电压低。结论：(1)Auf为负值，即uo与ui极性相反。由于ui加在反相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地〞。例:电路如以下图所示，知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=–RFR1=–5010=–5R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k2.因Auf=–RF/R1=–RF10=–10故得RF=–AufR1=–(–10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++

–

2.同相比例运算因虚断，所以u+=ui(1)电路组成(2)电压放大倍数因虚短，所以u–=ui，反相输入端不“虚地〞因要求静态时u+、u对地电阻一样，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

u+u–(5)电压串联负反响，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压能够较高。结论：(1)Auf为正值，即uo与ui极性一样。由于ui加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+≠0,反相输入端不存在“虚地〞景象。当R1=且RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++

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由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++

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左图是一电压跟随器，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。uo+–++

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15kRL15k+15V7.5k例：恒压源由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。UORFR2R1+–++

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RL+–UZRDZ+UUORFR2R1++

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+–RLRDZ+–UZ+U反相输入恒压源同相输入恒压源改动RF即可调理恒压源的输出电压。负载电流的大小与负载无关。例2:负载浮地的电压-电流的转换电路(1)能丈量较小的电压；(2)输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+–++

–

iLi1RLuiR2R1+–++

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9.3.2加法运算电路1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0平衡电阻：R2=Ri1//Ri2//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++

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R2+–因虚断，i–=0所以ii1+ii2=if2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++

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R1+–方法2：平衡电阻：Ri1/