第4章 集成运算放大器

1第四章集成运算放大器第一节、集成运放的简介第二节、运算放大器的应用3一、集成电路简介（一）什么是集成电路

集成电路——集元器件、电路、系统为一体的新型电子器件。优点：体积小、功耗低、可靠性高、成本低。4（二）分类

集成运算放大器就是模拟集成电路的基础电路模拟集成：集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源等数字集成：集成门电路、集成触发器二、集成运算放大器的概念（一）什么是集成运算放大器高增益多级直接耦合放大器

初期，用于信号的数字运算。目前，应用于信号的产生、放大、交换、处理、测量等。5偏置电路输入级中间级输出级输入端输出端（二）电路的框图及组成方框图6结论：集成运放具有电压放大倍数大，输入电阻高（几百千欧），输出电阻低（几百欧），零漂小等优点。中间级——进行电压放大，要求电压放大倍数大，采用共射电路。输出级——要求Ro小，带负载能力强。供给负载较大功率，采用互补对称的射极输出器。偏置电路——建立Q点，采用恒流源电路。输入级——要求减少零点漂移，提高Ri，采用差分放大电路。7管脚功能－15V负电源10kΩ调零电位器41567231kΩ输出端＋15V正电源同相输入端反相输入端三、集成运算放大器的符号8反相输入端同相输入端输出端反相输入端与输出端反相同相输入端与输出端同相

从外部看,是一个双端输入、单端输出的差动放大电路

∞+_+

u+

u-

uOA_+

u+

u-

uO符号91、开环电压放大倍数

Auo2、共模抑制比KCMRR四、集成运放的主要性能指标运放F007的AO约为100db(105倍)。无外加反馈时，差模放大倍数越大越好

为了综合考察对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，引入新参数。KCMR=差模Ad共模AC运放F007的

KCMRR约为80db

u+

u-

uO∞+_+104、开环输出电阻rO3、开环输入电阻rid(差模输入电阻

)

rid越大，从信号源流入的电流越小。精度越高，运放F007的rid约为1~2MΩ。rO越小，运放带负载能力越强。精度越高，运放F007的rO约为500Ω。5、输入失调电压Uio

由于差分放大电路的不对称，输入电压为零时，输出电压不为零。

uIO

uO=0∞+_+116、最大共模输入电压

失真不超过允许值时的最大输出电压，一般用峰－峰值表示，也称为动态输出范围。运放F007的UOPP约为±12~±13V。8、最大输出电压UOM7、最大差模输入电压五、集成运放的理想模型（电压传输特性）1、线性区

uo与ui成线性关系

uo＝Auo(u+－u-)2、非线性区（饱和区）uo

与ui不是线性关系uo有两种可能uo＝＋UOm

高电平uo＝－UOm

低电平＋UCC－UEE电压传输特性uOui=u+-u-O线性区非线性区因Auo=∞ui很小，要加负反馈不加反馈，或加正反馈第二节运算放大器的应用一、理想运算放大器二、反相输入运算电路三、同相输入比例运算电路14集成运放的理想化条件:③开环输出电阻

rO→0。①开环电压放大倍数AuO→∞。②差模输入电阻rid→∞。④共模抑制比KCMR→∞。一、理想运算放大器

u+

u-

uO∞+_+

集成运放可视为一个理想电压放大器

uO＝AuO(u+－u-)

152、“虚断”的概念

i＋＝i－＝0

即:iI＝0因rid=∞,iI近似为零。1、“虚短”的概念

u+

＝u-

即u+

－u-＝0线性区分析依据iI因AuO=∞，uO＝AuO(u+－u-)，

ui很小即可产生uO。

u+

u-

uO∞+_+rid

运用两个重要依据，可大大简化运放电路的分析16二、反相输入运算电路从反相输入端输入信号12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+加平衡电阻R2（补偿电阻）。为使输入级两差分放大管对称,负反馈电阻深度负反馈

放大倍数取决于反馈网络，与基本放大电路无关什么负反馈？电压并联负反馈17从反相输入端输入信号根据u-=u+=0,“虚地”。根据i+=i-

=iI=0，则:i1=iF+iI≈iF。电压放大倍数：12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+iFi1iI负号表示uO与ui反相18uI–+uO–+iFi1iI12∞+_+RFR2R1三、同相输入运算电路从同相输入端输入信号加平衡电阻R2（补偿电阻）。根据u-=u+=0,i+=i-

=iI=0，则:u+=u-≈uIi1

≈

iF什么负反馈？电压串联负反馈19iFi1uI–+uO–+iI12∞+_+RFR2R1从同相输入端输入信号电压放大倍数：uO与uI同相20同相比例电路电压放大倍数：同相比例电路特例电压跟随器当R1=∞(断开)或RF=0时uI–+uO–+∞+_+与分立元件的射极输出器相比：4、具有良好的电压跟随和隔离作用。1、电压放大倍数Auf=1。2、输入电阻高。3、输出电阻低。21运算放大器的线性应用一、加法运算电路二、减法运算电路三、积分运算电路四、微分运算电路22一、加法运算电路平衡电阻（补偿电阻）在同一输入端输入多组信号

运放的线性应用主要实现各种模拟信号的比例、加减、微分、积分、对数、指数等运算，以及有源滤波、信号检测、采样保持等。用途十分广泛。uO–+

uI3

uI2

uI1RFR1R3R2∞+_+R21223在同一输入端输入多组信号iFiIuO–+

uI3

uI2

uI1i1i2i3根据u-=u+,i+=i-

=iI=0，则:u+=u-≈0,

i1+i2+i3≈

iFRFR1R3R2∞+_+R212当：时：24iFiIuO–+

uI3

uI2

uI1i1i2i3RFR1R3R2∞+_+R412[例]:已知：

R1=R2=R3=10kΩ,RF=50kΩ，ui1=0.5V，ui2=-1V，ui3=-0.8V。试计算:输出电压uO。解：25运算放大器的串级应用解题思路R3RF2∞+_+A1∞+_+A2R1R2R4RF1

uI1

uI2uO1uO2–+求输出电压uO。1、先判别A1、A2电路。2、按顺序（信号流经），先算A1的uO1。3、其做为A2的uI2，再对A2进行运算。4、uO里含有与uI1、uI2的运算关系。26[例]:已知：

R1=10kΩ,R2=50kΩ,R3=R4,RF1=10kΩ，RF2=500kΩ，

ui1=30mV，ui2=50mV。试计算:输出电压uO2。解：R3RF2∞+_+A1∞+_+A2R1R2R4RF1

uI1

uI2uO1uO2–+A1是反相输入运算电路，A2是加法运算电路。R127两个输入端都输入信号二、减法运算电路12R1R3∞+_+RFR2

uI1

uI2uO–+减数被减数根据:u+=u-,

i1=i2≈0输出电压为两个输入电压之差

既能放大差模信号又能抑制共模信号差分输入运算电路28根据u-=u+=0,“虚地”。根据i+=i-

=iI=0，则:i1=iF+iI≈iF12∞+_+R2R1uI–+uO–+iFi1iICF三、积分运算电路将反相输入运算电路中RF用CF代替

电容上电压等于其电流的积分1、uO与uI成积分关系29方波变三角波：不同时间段里，uI正跳变或负跳变，uO充放电，变三角波。2、应用

当为一阶跃直流电压时：ttOOuIuOttOOuOuI30[例]:已知：

R1=1MΩ,CF=1μF,

U1=1V，试计算:t=0,0.2s,0.6s,1s时的输出电压uO各为多少？解：iFi1uI–+12∞+_+R2R1iICFuO–+

R1CF=1☓106☓10-6=1s当t=0时：uO=0V当t=0.6s时：uO=-0.6V；当t=1s时：uO=-1V。当t=0.2s时：31iFi1iI12∞+_+R2R1CFuI–+uO–+四、微分运算电路将反相比例运算电路中R1用CF代替根据u-=u+=0,“虚地”。根据i+=i-

=iI=0，则:i1=iF+iI≈iF1、uO与uI成微分关系322、应用

方波变尖顶波。33运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压uo达到最大值UOM。1、比较器运算放大器的非线性应用(a)(b)A¥uoiuRu34基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。A¥uoiuRu35

电压比较器广泛应用在模-数接口、电平检测及波形变换等领域。如图所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子。36t1t2+UOSOt

uIOt

uOOt

uO-UOS+UOS-UOSUR2.滞回比较器

单限比较器缺点:抗干扰能力差。

uO在阈值电压附近微小变化，都引起uO跳变。当uI<UR

时，uO=+UOS

高电平当uI=UR

时，uO

跳变当uI>UR

时，uO=-UOS

低电平372、滞回比较器设比较器初始状态uo=+UOM，此时同相输入端的电压为：当ui由低向高变化直至ui>uH1时，比较器的输出电压uo由＋UOM跳变至－UOM，此时同相输入端的电压为：38当ui由高向低变化直至ui<uH2时，比较器的输出电压uo由－UOM跳变至＋UOM，此时同相输入端的电压又变为uH1。uH1称为上门限电压，uH2称为下门限电压，两者的差值称为回差电压，用uH表示，即：与简单比较器相比，滞回比较器具有以下两个优点：（1）引入正反馈后能加速输出电压的转变过程，改善输出电压在跳变时的波形。（2）提高了电路的抗干扰能力。运算放大器的选用及使用注意问题一、选用元件二、使用时的注意问题三、运算放大器的保护40使用时的注意问题

1、消振:运算放大器很容易产生自激振荡，使用时要消振。目前集成运算放大器都有消振元件，

2、调零：运算放大器内部参数不完全对称，需外接调零电路。不需外部消振。如确需可外接RC消振电路或消振电容。－15V负电源10kΩ调零电位器41567231kΩ输出端＋15V正电源同相输入端反相输入端∞CF74141损坏原因输入信号过大。UCC极性接反。输出端接“地”，或接UCC。1、输入端保护防止输入差模信号过大D1D2三、运算放大器的保护uI∞+_+RFR1uO2、电源端接错的保护∞+_++UCCD1D2-UCC接-UCC，二极管不通422、输出端保护输出电压限制在:uO=±（UZ＋UD)DZ1DZ2uI∞+_+R1uORF防止输出电压过大

两只反串稳压管：一只击穿工作UZ，

另一只正向导通UD

=

0.7V

输出电压正常时：uO低于UZ，稳压