第5章 集成运算放大器张

1、第5章集成运算放大器5.15.25.35.45.5*5.6集成运放的基本组成集成运放的基本特性放大电路中的负反馈集成运放在模拟信号运算方面的应用集成运放在幅值比较方面的应用应用举例5.1 集成运放的基本组成5.1.1 概述5.1.2 集成运放的输入级电路差分放大 电路5.1.3 集成运放的输出级电路互补对称 电路5.1.4 集成运放的图形符号和信号输入方式5.1.1概述集成运放是一种具有很高的电压放大倍数、性能优越、集成化的多级放大器。类型：通用型、专用型集成运放的基本组成框图各级主要作用和要求：输入级中间级输出级输入电阻大、漂移小、抗干扰能力强。电压放大倍数高。输出电阻小、负载能力强、输出电

2、压稳定。偏置电路为各级提供稳定的偏置电流。多级放大器的级间耦合方式：阻容耦合通过电容联接前后级，传递交流信号。变压器耦合用变压器联接前后级，传递交流信号。直接耦合用导线联接前后级，传递交直流信号。5.1.2集成运放的输入级电路差分放大电路电路特点：对称；双端输入，双端输出。1.静态分析= ui2 = 0= IB2 , IC1ui1IB1= uC 2uC1= IC 2 ,iB1= iB 2 ,iC1= iC 2 ,uC 1= uC 2温度变化引起的漂移uo = uC 1 - uC 2 = 0uo = uC1 - uC2 = 0。2.动态分析o差模信号输入= -ui2 ,差模信号 ui1ui1与u

3、i 2大小相同，极性相反 ib1、ic1,ui2 ib2、ic2ui1ib1、ic1分别与ib2、ic2大小相同，方向相反；uo1与uo2大小相同，极性相反。有输出电压，具有放大作用。记差模放大倍数为 Ad故 uo = uo1 - uo22.动态分析o共模信号输入= ui 2共模信号 ui1ui1与ui 2大小和极性均相同。理想情况电路完全对称uo = 0无放大作用 0, 但很小。实际电路，uo记共模放大倍数为 AcAd共模抑制比=KCMRAc差分放大电路的输入输出方式：oooo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。为提高集成运放的输入电阻，降低噪

4、声，输入级的静态电流常取得很小，还采用场效晶体管组成差分放大电路。，5.1.3集成运放的输出级电路互补对称电路= 0静态时，UE动态时，在ui 正半周，T1导通T2截止电流回路：T1 RL uo正半周UCC在ui负半周，T2导通、T1截止电流回路：UCC RL T2 uo 负半周5.1.4集成运放的图形符号和信号输入方式o图形符号反相输入端同相输入端IN-IN+OUT 输出端信号传递方向输入端输出端o信号输入方式：反相输入方式；同相输入方式； 差分输入方式。5.2 集成运放的基本特性5.2.1 集成运放的主要参数5.2.2 集成运放的电压传输特性和电路模型5.2.3 集成运放的理想特性5.2.

5、1集成运放的主要参数1. 输入失调电压 uIO2. 输入失调电流 IIO3. 输入偏置电流 IIB4. 开环差模电压放大倍数AO 5.最大差模输入电压Uid max 6.最大共模输入电压Uic max7. 最大输出电压Uo max8. 最大输出电流 Io max9.共模抑制比KCMR10. 输入电阻11. 输出电阻riro12.电源电压 UCC5.2.2集成运放的电压传输特性和电路模型uoo 电压传输特性+Uou=f (u )(u= u- u )+-ioiuo = A0ui= A0 (u+ -u- )-线性区：UiuiO+u -uUi+-因 A 很大，故线性区很窄，0U-即(u+ - u- )

6、极小。oii U + ,u= U + 正饱和饱和区：uiioo负饱和u u-u+ u-正饱和负饱和uiOu -u+-o 集成运放工作状态的判断开环工作 饱和区闭环正反馈 饱和区闭环负反馈 线性区U-o5.3放大电路中的负反馈5.3.1 反馈的基本概念5.3.2 负反馈的四种类型5.3.3 负反馈对放大电路性能的影响5.3.1反馈的基本概念反馈将电路的输出信号（电压和电流）的一部分或全部通过一定的电路（反馈电路）送回至电路的输入回路。负反馈 反馈信号xf 与输入信号 xi 极性相反，用于放大电路；正反馈 反馈信号 xf 与输入信号 xi极性相同 ，用于振荡电路。5.3.1反馈的基本概念= xi-

7、 xf对于负反馈xd反馈系数开环放大倍数xi = xd + xf= xd+ Fxo= xd + FA0 xd= xd (1+ FA0 )闭环放大倍数1+ FA当（1深度负反馈）0A0A01Af= 1+ FA FA= F00A= xo=A0 xd=A0fxx(1+ FA )1+ FAid00A= xo0xdF = xfxo5.3.2负反馈的四种类型o 按输入回路连接方式：并联反馈输入量反馈量净输入量以电流形式比较Id = Ii - I f串联反馈输入量反馈量净输入量以电压形式比较Ud = Ui -U f5.3.2负反馈的四种类型o 按输出回路连接方式：电压反馈反馈量取决于输出电压电流反馈反馈量取

8、决于输出电流四种类型： 电压串联负反馈电流串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈5.3.2负反馈的四种类型1.电压串联负反馈Rf如何判定图中各电压极性？用瞬时极性法判定！+uf-+-A0+R+uoudu= u- u输入回路反馈电压+RLuLduf=if+-+RbRui-uoR + RfRfif2.电流并联负反馈如何判定图中各电流方向？R1ii+di-A0-ui-+ioid= ii - if输入回路反馈电流RL+RbR=R + RifioRL5.3.2负反馈的四种类型Rf3.电压并联负反馈各电流方向如图ifiiidR+ui-A0+u-uo+id = ii - ifRLuL+输入回路-Rb= u-

9、 - uoi反馈电流fRf4.电流串联负反馈各电压极性如图-ud+A0+ioRL+u= u- u+输入回路反馈电压Rbui+dif-ufRuf Rio-5.3.3负反馈对放大电路性能的影响1.提高放大倍数的稳定性在深度负反馈下dAf= (1+ FA0 ) - FA01=(1+ FA )2(1+ FA )2dA000dAf表示闭环放大倍数相对变化量AfdA0表示开环放大倍数相对变化量A0dAffhffhAfAf/2Ofhfhff4.改变输入电阻和输出电阻串联反馈并联反馈电压反馈电流反馈输入电阻增大输入电阻减小输出电阻减小输出电阻增大例题5.3.1在图示电压串联负反馈电路中，设 Rf =100KW

10、, R = Rb =10KW,为直流电压0.1V，集成运放的负载电阻R不接，输入电压uiL开环电压放大倍数A0= 500KW ，输出电阻=10000 ，输入电阻ri= 500W。试用集成运放的电路模型求此电路的输出电压uo ,ro闭环电压放大倍数 Af 、输入电阻rif 和输出电阻rof 。Rf+uf-+-A0+R+uoud+uLRL+-+Rbui-解 集成运放用电路模型表示后，原电路可画成右上图 所示的等效电路，据图列出方程：例题5.3.1iR - ii - if= 0(R+ r )i + Ri= ubiiRi(R+ r )i+ Ri= A (u- u) = A ri0+-fofR0 i i

11、代入参数可解得电流：i 22.07 10-5 m Aiif 9.99m A 9.99m Auo = A0riifiR ii + i f输出电压 1.099V= uo闭环电压放大倍数= 10.99Afui例题5.3.1= ui 453M Wr输入电阻ifii为求输出电阻，令ui= 0得图= u - A0 (u+ - u- ) +ui = i + i12R+(r + R ) / / Rrofib= u 0.6Wiri = 500KW,= 500W整理后代入参数得rof= 453M W= 0.6W可见，rifrofro- u- ) 均很小，（理想特性ii 0,u+ u- )。ri和(u+5.4 集成

12、运放在模拟信号运算方面的应用5.4.1 比例运算电路5.4.2 加、减运算电路5.4.3积分、微分运算电路5.4.1比例运算电路= KuiRf输出电压与输入电压成比例关系：uo1.反相输入比例运算电路 电路一：电路构成负反馈，集成运放工作在线性区。ifiRi_i-uiA0+u-uo+i+uRb+i= i 0-+（电路一）u- u+ = Rbi+ 0反相输入端非接地，但电位为地（零）电位“虚地”5.4.1比例运算电路电路一：= ui - u- ui= - Rf= i -Rii得 uuoffif1RRRRfifiiRi-即_uA0+iu-uo+的阻值一般取 1kW 1M W。R、Rfu+ i+Rb

13、uo = -ui当 Rf= RAf= -1,反相器= ui= Rr电路的输入电阻平衡电阻ifiiRb R / RfA= uo = - Rf fuRi5.4.1比例运算电路 电路二= - -Rf ifRf= uii= - ua= i因 i=,uf12iRRRR R12212(1 + Rf )u1i= i+ i=3f2iRR12(1 + Rf- Rf= - R3u= -R i- R i)uu得o3 32 2iiRRR121（电路二）则此电路可用较小的Rf 阻值获得较大的放大倍数。A= uo= - Rf+ (1+ Rf ) R3 = - 1 (R+ R+ Rf R3 )fu RRR Rf3Ri121

14、 12u= - Rf+ (1+ Rf ) R3 uo RRR i121 5.4.1比例运算电路2.同相输入比例运算电路Rfifu u u 0 iR =i-uiR+ii-uf +iRu-_Aifu-0RRuo+ui+uiiRb+ R / RfRb即当Rf= 0或R Af= 1,uo = ui 电压跟随器= uir电路的输入电阻ifii= u+ = u- = ui集成运放承受的共模电压 ucA= uo = 1+ Rf fuRiu= u+ R i= u + Rf u= (1+ Rf )uo-ffiRiRi5.4.2加、减运算电路RfifR1i11. 加法运算电路ui1= i+ 0,u- u+ 0i-

15、根据得R2i2i-_ui2Au-0 ui1+ ui 2uo+ i+ iiRf12bRR+u+12= R= R如取R和放大12加法运算= R2 = Rf如取 R1uo = -(ui1 + ui2 )u= - Rf(u+ u)oRi1i 2u -R i= ( Rf u+ Rf u)offRi1Ri 212例题5.4.1 电路如图5.4.5所示，写出 uo1、uo2和uo的表达式。= - 20 u= -2uui1u= - R2 u解i1i1o1i1R101R7 / /R8R6 / /R8u=u+u+2i 2i3R+ RR+ R/ /R/ /R6787681212=+uui 2i320 +1220 +

16、12ui2= 3 (u+ uu)i3i 2i38u= (1+ R5 )u= (1+ 30) 3 (u+ u) = 1.5(u+ u)+2o2i 2i3i 2i3R1084u= -(uo1 + uo2 )R= -3(u+ u) = 6u- 4.5u- 4.5uo10o1o2i1i 2i3RR9115.4.2加、减运算电路2. 减法运算电路RfRu- u+ 3ui 2R+ RR1_ui12- u-3A0- Rf+ Rf- ui1uo+u= u= uRuu-ofi1RRRu+i2111R2= (1+ Rf- RfR)uu3-i1RR11= R1 + Rf- RfR3uui 2i1R+ RRR1231

17、R1 = R2 , R3 = Rf常取则差分放大u= Rf(u- u)oRi 2i115.4.2加、减运算电路Rf2. 减法运算电路R1_uA0R= R= R= Ri1当取得123fuo+ui2+R2R3减法运算集成运放承受的共模电压R3u= u= u=u+-ci 2R+ R23（此电路也可用叠加原理分析输入、输出关系）uo= ui2 - ui15.4.2加、减运算电路2. 减法运算电路R1双运放减法运算电路用叠加原理分析输R2R2_A0+R1_Auo10入、输出关系式：uoui1+R3+= R1 + R2ui2R4uuo1i1R2= - R2u= -(1 + R2 )u当u单独作用时，输出电

18、压分量：u,oo1i1RRo111= (1+ R2 )u当u单独作用时，输出电压分量：ui2oi 2R1特点：输入电阻大得u= u + u = (1+ R2 )(u- u)oooRi 2i11例题5.4.2图示由差分输入运算电路和电桥组成的测温电路。其中为热敏电阻，设电阻温度系数a = 4-R3110( C)T在0 C时的阻值R0 = 51W； R1、R2和R3为精密固定电阻，且R1 = R2 = R3 = 51W；R4= R5 =10kWR6 = R7 =100kWU = 10V。试求当环境温度T分别为25和5时的输出电压u0。解 在25时，RTRT = (1+aT )R0= (1+ 410

19、-3 25) 51W= 56.1W的阻值为UR6R1RRT4b_A0+uoa+R5因的阻值远大于R 、R 、R 、RR2R3R74567R2、R3 , 故例题5.4.2R251u=U =10 = 5VaR + R51+ 5112UR51R6u= 3U =10 = 4.762VbR+ R51+ 56.1Rb3T1RTR4_= R6A0+100(u- u )u=(5 - 4.762) = 2.38VuooabR10a4+R5同理，在5时R2R3R7R= (1- 410-3 5)51 = 49.98WT51u=10 = 5.051Vb51+ 49.98u= 100 (5 - 5.051) = -0.

20、51Vo105.4.3积分、微分运算电路+ uc _ic1.积分运算电路 基本积分电路CRi_iuiA0+i-uo= u+ 0u-i- = i+ 0+= uiRbi= iCiR设电容电压初始值为 uC (0)1- u= -u= -u(0) - 1i dtC C = -u(0) -u= ui dtCi-oCCCC1RC = -u(0) -u dtCi5.4.3积分、微分运算电路1.积分运算电路1RC u(0) = 0,uiUIOuou= -当u dtoiCt当输入电压为直流电压时，O t即u= U ,得ii输入、输出电压波形如图CRf 比例积分电路ifii_1uA0+C iu= -(Ri+i d

21、t)Rofiiuo+Rbu= -( Rfu+1u dt)oRiRCiUiuo= - RC t5.4.3积分、微分运算电路uiUIO1.积分运算电路t当ui = U（i直流）,得uoOtR- f UIR 和积分电路u= - 1idt = - 1(iC = - 1CC + i )dtoC12(ui1 + ui 2)dtR1R2当R= R= R,12积分电路可将矩形波电压变换为三角波电压。u= -1 (u+ u)dtoRCi1i 2u= -( RfU+Uit)oRiRC例题5.4.3图示电路中，集成运放的电源电压为 15V ,C = 1m F ,R1 = R2 =10kW, R3 = Rf= 20k

22、W, R4 =100kW,= 0.5V , 电容无初始储能。试求在t = 0 时加入 ui1 = 0.6V ,ui2输出电压上升到6V所需的时间。RfCR1_ui1A0R4_+A0+uo1ui2uo+R2+RA31R5A2等构成基本积分解集成运放 A1 等构成差值放大电路，A2 电路。例题5.4.3+ RfR1- RfR3u=uuo1i 2i1R+ RRR1231= Rf- u) = 20 (0.5 - 0.6) = -0.2V(ui 2i1R101RCfR1_ui1A0R4_+A0+uo1uoui2+R2+RA31R5A210.2R C u= -udt = 2too1100 103 110-

23、64t = uo= 6 = 3su= 6V ,当22o5.4.3积分、微分运算电路Rfif2.微分运算电路u- = u+ = 0,if= iCCic_uAi0u= -R i= -R iu-+ u-cuo+offfC+du= -RuC = uiC C dtRfb微分电路可将矩形波变换成正负尖脉冲波。u= -RC dui ofdt5.5 集成运放在幅值比较方面的应用5.5.1开环工作的比较器5.5.2滞回比较器5.5.1开环工作的比较器开环状态集成运放工作在非线性区。uoUOH1.反相输入比较器R_uA0+IuoOuiUR输入电压参考电压uRI+UUOLR UR , 运放负饱和，uo当 uiui=

24、 UOH= UOLuoUOH2.同相输入比较器R_UAR0uo+Ou UR ,uo = UOHURUR3.输出加限幅电路的比较器uoUZR_URA0+R0uo- UD+ UZ-uIO-UDuI+RuoUZ1+UD24.过零比较器= 0）(即URR_uIOuAI0R0uo-(UZ2+UD1)+- UD1+-+UZ1uiO-+RUZ2+UD2-uoUOHO可将其它波形变换为矩形波。tUOL 如输入为正弦波，输出为方波。tURRL例题5.5.1图示为电源电压过压报警电路，试分析其工作原理。解集成运放构成电压比较器，参考电压Ub =UZ。当直流电源输出电压小于上限值时，UaUb ,比较器A输出低电平，

25、三极管T截止，继电器K线圈无电压，触点K1闭合，DL发光；K2断开，DH不发光蜂鸣器H不发声；K3闭合，负载RL正常工作。例题5.5.1图示为电源电压过压报警电路，试分析其工作原理。当直流电源电压超过上限值时，UaUb , A输出高电平，T饱和导通，K加电压，K1断开，DL不发光 K2闭合，DH发光，H发声报警，K3断开，RL断电。5.5.2滞回比较器闭环正反馈集成运放工作在非线性区R1_集成运放同相输入端电压u+uA0+Iuo由输出电压 uo共同确定。R2和参考电压Uu+URRRf 0,= UOH , 并设UR设加电源后集成运放正饱和，uo（正值） U+ H ,= UOL ,加入 uI ,

26、当 uI 增大至 uI运放负饱和，uoRfRu+ = U+ H =UR +2UOHR2 + RfR2 + Rfu=RfU+R2u+ R+ RRR+ Ro2f2f5.5.2滞回比较器R1_uIA0+uo当 uI UR2减小至 u,u+运放+U+LIR= UOH。Rf正饱和，uoRfRuUR U 0, 2UOL当oR+ RR+ RRU2f2fOH时的电压传输特性如图 。uIUTLOUTH主要参数：正向阈值电压负向阈值电压 滞回电压（回差UOLu= U=RfU+R2U+ + LR+ RRR+ ROL2f2f）DUT = UTH -UTLUTL = U+LUTH = U+ H5.5.2滞回比较器滞回电

27、压R2、U、DU ；改变值，可改变UR2 + RfTHTLT改变 UR ,可使电压传输特性左、右移动。R1_= 0, 如图 ：UuI当A0+RuoR2u+（正值）RfuoUOH （负值）uIUTLUTHO（不变）UOLDU= R2(U-U)TR+ ROHOL2fU=R2UTLR+ ROL2fU= R2UTHR+ ROH2fRDUT =2(UOH -UOL )R2 + Rf例题5.5.2作原理。分析图示方波-三角波产生电路的工C解 电路由电压比较器和基本积分电路构成。集成运放 AA1A2R3_AA00RR5u4o1uo2+1工作在非线性区，A+2u+工作在线性区。R6R1设加电源后，集成运放 A

28、1正饱和，电容C 无初始储能。则DZ+-UZR2= Uzuo11dt = - UZttuu= -（下降）o2o1R CR C055例题5.5.2R1R2=u+集成运放 A同相输入端电压uU+ H+ Ro2R + RZR11212 0当 uo2下降至使u+ H - R2R1R2uUu -U即o2ZR02ZR + RR + R11集成运放 A1212负饱和，uo1= -UZCuo1+UZA1A2RtO3_A0+A0+RRu-U45o1Zuo2Ruo2+2UZR1u+R6t1t2t3R1tDZO+-UZR2R- 2UZR1例题5.5.2R1R2=u-此时集成运放A 同相输入端电压uU+ L1R+ Ro2R+ RZ1212u= - R2+ UZ 0而(t - t )（上升） 当u上升至使 uUo2+Lo2Z1RR C15 R2R1R2即uUuUo2Zo2ZR + RR + RR11212= UZ。 以后重复。集成运放A1正饱和，uo1uo1+UZCA2A1tR