电工电子学集成运算放大器课件

第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器8.1 8.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述8 8.3 .3 运放在信号运算方面的运用运放在信号运算方面的运用8.5 8.5 运放在波形产生方面的运用运放在波形产生方面的运用8 8.4 .4 运放在信号处理方面的运用运放在信号处理方面的运用8.2 8.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈返回返回前一页前一页 后一页后一页1 1、了解集成运放的基本组成、特点、电压传、了解集成运放的基本组成、特点、电压传 输特性和主要参数。输特性和主要参数。2 2、掌握理想运算放大器的分析方法（线性、掌握理想运算放大器的分析方法（线性、非线性运用）。非线性运用）。3 3、理解用集成运放组成的比例、加、减、微、理解用集成运放组成的比例、加、减、微 分和积分电路的结构、工作原理。分和积分电路的结构、工作原理。4 4、理解用集成运放组成的电压比较器的工作、理解用集成运放组成的电压比较器的工作 原理。原理。本章要求：本章要求：后一页后一页返回返回前一页前一页8 8.1 .1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述一、一、集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器是一种具有高放大倍数的直集成运算放大器是一种具有高放大倍数的直 接耦合放大器。是一种常用的模拟集成电路。接耦合放大器。是一种常用的模拟集成电路。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸运放的符号：运放的符号：ri 高高:几十几十k 几百几百k KCMRR很大很大 ro 小小：几十：几十 几百几百 A uo 很很大大:104 107+uou+u-。+UCCUEE后一页后一页返回返回前一页前一页输入级输入级中间级中间级输出级输出级电路的简单说明电路的简单说明反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端输出端输出端+UCC ui-UEEuoT3T4T5T1T2IS1 12 23 3+后一页后一页返回返回前一页前一页输入级：输入级：采用带恒流源的差放，尽量减小零采用带恒流源的差放，尽量减小零 点漂移点漂移,提高提高 KCMR,提高输入阻抗提高输入阻抗 Ri。中间级：中间级：提供足够大的电压放大倍数。常采提供足够大的电压放大倍数。常采 用带恒流源的共射、共基电路。用带恒流源的共射、共基电路。输出级：输出级：要向负载提供一定的功率，要求输要向负载提供一定的功率，要求输 出阻抗出阻抗 Ro小，带负载能力强。小，带负载能力强。后一页后一页返回返回前一页前一页二、二、差动放大电路差动放大电路1、电路结构、电路结构电路结构对称，两个输入、两个输出电路结构对称，两个输入、两个输出前一页前一页 后一页后一页uoui1+U+UCCCCR RC CR RB2B2T T1 1R RB1B1R RC CT T2 2ui2R RB2B2R RB1B1+返回返回2 2、基本差动放大电路的工作特点基本差动放大电路的工作特点uo=VC1 VC2 =0uo=(VC1 VC1 )(VC2 VC2)=0静态时，静态时，ui1=ui2 =0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）两管变化量相等）前一页前一页 后一页后一页1）能抑制输出端的零点漂移）能抑制输出端的零点漂移uoui1+U+UCCCCR RC CR RB2B2T T1 1R RB1B1R RC CT T2 2ui2R RB2B2R RB1B1+返回返回uo=(VC1 VC1 )(VC2 VC)=2 VC1 两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，差模信号：差模信号：ui1=ui2大小相等、极性相反大小相等、极性相反前一页前一页 后一页后一页2）能放大差模信号）能放大差模信号uoui1+U+UCCCCR RC CR RB2B2T T1 1R RB1B1R RC CT T2 2ui2R RB2B2R RB1B1+差模信号差模信号是有用信号是有用信号信号输入信号输入+返回返回uo=(VC1 VC1 )(VC2 VC)两管集电极电位呈等量同向变化，两管集电极电位呈等量同向变化，共模信号：共模信号：ui1=ui2大小相等、极性相同大小相等、极性相同+前一页前一页 后一页后一页3）能抑制共模信号）能抑制共模信号uoui1+U+UCCCCR RC CR RB2B2T T1 1R RB1B1R RC CT T2 2ui2R RB2B2R RB1B1+差动电路抑差动电路抑制共模信号制共模信号能力的大小能力的大小,反映了它对反映了它对零点漂移的零点漂移的抑制水平。抑制水平。共模信号共模信号 需要抑制需要抑制 返回返回 ui1、ui2 大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。例例1:ui1=20 mV,ui2=10 mV ui2=15 mV 5 mV 前一页前一页 后一页后一页4）比较输入）比较输入这种输入常作为这种输入常作为比较放大来应用比较放大来应用 例例2:ui1=120 mV,ui2=110 mV 可分解成可分解成:ui1=115 mV +5 mV ui2=115 mV 5 mV 可分解成可分解成:ui1=15 mV +5 mV共模信号共模信号 差模信号差模信号 放大器只放大器只 放大两个放大两个 输入信号输入信号 的差值信的差值信 号号差差 动放大电动放大电 路。路。返回返回 若电路完全对称，理想情况下若电路完全对称，理想情况下Ac=0 输出电压输出电压 uo=Ad（ui1 ui2）=Ad uid 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则Ac 0，实际输出电压实际输出电压 uo=Ac uic+Ad uid 共模信号对输出有影响共模信号对输出有影响。前一页前一页 后一页后一页返回返回（Common-Mode Rejection Ratio)衡量差动放大电路放大差模信号和抑制衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。共模信号的能力。差模放大倍数差模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数 KCMRR越大，说明差越大，说明差模放大倍数越大，抑制模放大倍数越大，抑制共模信号的能力越强。共模信号的能力越强。前一页前一页 后一页后一页5）共模抑制比）共模抑制比返回返回3 3、典型差动放大电路、典型差动放大电路RE、EE作用：作用：EE：用于补偿用于补偿RE上的压降，以维持工作点不变上的压降，以维持工作点不变VT1+VCCEERCRBRCT2RBREui1ui2+-+-VT1后一页后一页前一页前一页uo+-uo+-返回返回四、集成运放主要参数四、集成运放主要参数1、开环差模电压增益、开环差模电压增益 Auo 是决定运放运算精度的主要因素。是决定运放运算精度的主要因素。2、最大输出电压、最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。电压。3、共模输入电压范围、共模输入电压范围 UICM4、输入失调电压输入失调电压 UIO5、输入失调电流输入失调电流 IIO6、输入偏置电流输入偏置电流 IIB愈小愈好愈小愈好后一页后一页返回返回前一页前一页五、五、理想运放及其分析依据理想运放及其分析依据1、理想运算放大器、理想运算放大器 Auo ，KCMRR ，rid ，ro 02、电压传输特性、电压传输特性 uo=f(ui)+Uo(sat)-Uo(sat)ud=u+u-uo线性区线性区非线性区非线性区线性区：线性区：uo=Auo（u+u）非线性区：非线性区：u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+Ube，rif 提高提高。1 1）串联负反馈）串联负反馈无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：uiubeib+uf+使电路的输入电阻提高使电路的输入电阻提高返回返回后一页后一页前一页前一页if无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：在同样的在同样的Ube下，下，Ii=Ib+If Ib，rif 降低降低。2 2）并联负反馈）并联负反馈 使电路的输入电阻降低使电路的输入电阻降低iiibube+返回返回后一页后一页前一页前一页 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电压负反馈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。即有恒压输出特性，故输出电阻降低。电流负反馈具有稳定输出电流的作用，电流负反馈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。即有恒流输出特性，故输出电阻提高。1 1）电压负反馈使电路的输出电阻降低）电压负反馈使电路的输出电阻降低2 2）电流负反馈使电路的输出电阻提高）电流负反馈使电路的输出电阻提高5.对输出电阻的影响对输出电阻的影响返回返回后一页后一页前一页前一页8 8.3 .3 运算放大器运算放大器在信号运算方面的运用在信号运算方面的运用一、比例运算一、比例运算二、加法运算二、加法运算三、减法运算三、减法运算四、积分运算四、积分运算五、微分运算五、微分运算后一页后一页返回返回前一页前一页一、比例运算一、比例运算1、反相比例运算、反相比例运算（1）电路组成）电路组成 以后如不加说明，以后如不加说明，输入、输出的另一端输入、输出的另一端均为地（均为地（）。要求静态时要求静态时u+、u-对对地电阻相同，地电阻相同，平衡电阻平衡电阻 R2=R1/RF（2）电压放大倍数）电压放大倍数 虚断虚断 虚短虚短 u-=u+=0 称称“虚地虚地”反相反相 输入的重要特点输入的重要特点uo o+.ui iR R2 2R RF Fu u+u u_ _。R R1 1.。+i i1 1i if fi i-i i+后一页后一页返回返回前一页前一页一、比例运算一、比例运算 虚短虚短 u-=u+=0 称称“虚地虚地”反相反相 输入运算的重要特点输入运算的重要特点uo+.uiR2RFu+u_。R1.。+1、反相比例运算、反相比例运算电压并联负反馈电压并联负反馈 输入电阻低，共模电压输入电阻低，共模电压 0后一页后一页返回返回前一页前一页 电压并联负反馈，输入、输出电阻低，电压并联负反馈，输入、输出电阻低，ri=R1。共模输入电压低。共模输入电压低。结论：结论：Auf为负值，即为负值，即 uo与与 ui 极性相反。极性相反。ui 加加 在反相输入端。在反相输入端。Auf 只与外部电阻只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本有关，与运放本 身参数无关。身参数无关。|Auf|可大于可大于 1，也可等于，也可等于 1 或小于或小于 1。u-=u+=0，反相输入端反相输入端“虚地虚地”。后一页后一页返回返回前一页前一页例：电路如下图所示，已知例：电路如下图所示，已知 R1=10 k ，RF=50 k 。求：求：1、Auf、R2；2、若若 R1不变，要求不变，要求Au f为为 10，则，则RF、R2 应为应为 多多少？少？RF+.uiuoR2u+u_。R1解：解：1、Au f=RF R1 =50 10=5R2=R1 RF =10 50 10+50=8.3 k 2、Au f=RF R1=RF 10=10 RF=Auf R1=10 10=100 R2=10 100 10+100=9.1 k 后一页后一页返回返回前一页前一页 虚短虚短 虚断虚断 +.uo oR R2 2R RF Fu u+u_u_。ui i。R R1 1i iF Fi i1 1输入电阻高输入电阻高共模电压共模电压=ui i2、同相比例运算电路、同相比例运算电路（1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数）电压放大倍数电压串联负反馈电压串联负反馈 后一页后一页返回返回前一页前一页 电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻 低，共模输入电压可能较高。低，共模输入电压可能较高。结论：结论：Auf 为正值，即为正值，即 uo与与 ui 极性相同。极性相同。ui 加加 在同相输入端。在同相输入端。Auf只与外部电阻只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本有关，与运放本 身参数无关。身参数无关。Auf 1，不能小于不能小于 1。u-=u+0，反相输入端不存在反相输入端不存在“虚地虚地”现象。现象。后一页后一页返回返回前一页前一页 当当 R1=或或 RF=0 时，时，uiuo+.u+u_。URLR1R2+.uoR2RFu+u_。ui。R1uo=ui，Au f=1，称称电压跟随器电压跟随器。此电路是电压此电路是电压 串联负反馈，输串联负反馈，输 入电阻高，输出入电阻高，输出 电阻低，在电路电阻低，在电路 中的作用与分立中的作用与分立 元件的射极输出元件的射极输出 器相同，但是电器相同，但是电 压跟随性能更好。压跟随性能更好。后一页后一页返回返回前一页前一页二、加法运算二、加法运算 1、反相加法运算、反相加法运算 虚短虚短 u-=u+=0 平衡电阻：平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RF 虚断虚断 +.ui i2 2ui i1 1uo oR R2 2R RF Fu u+u u_ _。R Ri i1 1R Ri i2 2。i i1 1i i2 2i iF Fi i-i1+i2=if ，即，即后一页后一页返回返回前一页前一页2、同相加法运算同相加法运算 根据叠加原理：根据叠加原理：ui1单独作用单独作用(ui20)时，时，同理，同理，ui2单独作用时单独作用时+.uo oR RF Fu u+u u_ _。.ui i2 2。R Ri i2 2R R1 1ui i1 1R Ri i1 1分析方法一：分析方法一：思考思考后一页后一页返回返回前一页前一页分析方法二：分析方法二：+.uo oR RF Fu u+u u_ _。.ui i2 2。R Ri2 2R R1 1ui i1 1R Ri1 1 也可写出也可写出 u-和和 u+的表达式，利用的表达式，利用 u-=u+的的性质求解。性质求解。平衡电阻：平衡电阻：Ri1/Ri2=R1/RF后一页后一页返回返回前一页前一页+.uoRFu+u_。.ui2。Ri2R1ui1Ri2+.ui2ui1uoR2RFu+u_。Ri1Ri2。反相加法运算电路反相加法运算电路同相加法运算电路同相加法运算电路前一页前一页 后一页后一页返回返回1、输入电阻低；、输入电阻低；1、输入电阻高；、输入电阻高；前一页前一页 后一页后一页反相加法运算电路的特点：反相加法运算电路的特点：同相加法运算电路的特点：同相加法运算电路的特点：2、共模电压低；、共模电压低；3、当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；、当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；2、共模电压高；、共模电压高；3、当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；、当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；返回返回三、减法运算三、减法运算由虚断可得：由虚断可得：由虚短可得：由虚短可得：分析方法一：分析方法一：常用做测量常用做测量常用做测量常用做测量放大电路放大电路放大电路放大电路+.ui i2 2ui i1 1uo oR R3 3R RF Fu u+u-u-。R R1 1。R R2 2后一页后一页返回返回前一页前一页R2/R3=R1/RF 如果取如果取 R1=R2，R3=RF 如果取如果取 R1=R2=R3=RF 输出与两个输入信号的输出与两个输入信号的差值差值成正比。成正比。+.ui2ui1uoR3RFu+u-。R1。R2后一页后一页返回返回前一页前一页分析方法二：利用叠加原理分析方法二：利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算电路减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。与同相比例运算电路的叠加。+.ui2ui1uoR3RFu+u-。R1。R2后一页后一页返回返回前一页前一页四、积分运算四、积分运算由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1=ifiF=?C CF F+.uo oR R2 2u u+u u_ _。R R1 1ui i。.i i1 1i if f+后一页后一页返回返回前一页前一页若输入信号电压为恒定直流量，若输入信号电压为恒定直流量，即即 ui=Ui时时，则，则uot0-UOM+UOMt0ui积分饱和积分饱和线性积分时间线性积分时间线性积分时间线性积分时间输出电压随时输出电压随时间线性变化间线性变化后一页后一页返回返回前一页前一页当电容当电容CF的初始电压为的初始电压为 uc(t0)时，则有时，则有前一页前一页 后一页后一页 采用集成运算放大器组成的积分电路，由采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故于充电电流基本上是恒定的，故u0是时间是时间t的的一次函数，从而提高了它的线性度。一次函数，从而提高了它的线性度。将比例运算和积分运算结合在一起，就组成将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例比例积分运算电路。积分运算电路。这种运算器又称这种运算器又称PI调节调节器，常用于控制系统中，以保证自控系统的稳器，常用于控制系统中，以保证自控系统的稳定性和控制精度。定性和控制精度。返回返回比例比例积分运算积分运算电路的输出电压电路的输出电压+.ui iuo oR R2 2R RF Fu u+u-u-。R R1 1C CF Fi iF Fi i1 1u uc c输出电压是对输入电压的比例输出电压是对输入电压的比例积分积分上式表明：上式表明：改变改变RF和和CF，可调整比例系数和积分时间常数，可调整比例系数和积分时间常数，以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。i iF F前一页前一页前一页前一页 后一页后一页后一页后一页PI调节器调节器+返回返回五、微分运算五、微分运算uot0t0ui+.uo oR R2 2u u+u_u_。ui iR RF F。.C C1 1i i1 1i if f前一页前一页 后一页后一页由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得返回返回比例比例微分运算微分运算输出电压是对输入电压的比例输出电压是对输入电压的比例微分微分上式表明：上式表明：控制系统中，控制系统中，PD调节器调节器在调节过程中在调节过程中起加速起加速作用作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。+.uo oR R2 2u u+u_u_。R RF Fui i。.C C1 1i i1 1i if fR R1 1i iR RPD调节器调节器前一页前一页 后一页后一页返回返回uo+.uiRRFu+u_。R1.。+.uoR2RFu+u_。ui。R1+.uoRu+u_。R1ui。.RF.+uiuou+u_。R1将输出电压将输出电压反馈到输入反馈到输入 前一页前一页前一页前一页 后一页后一页后一页后一页返回返回io+.ioR2RLu+u_ui。R1将输出电流将输出电流反馈到输入反馈到输入+.uiR2RFu+u_。R1.。RLR电流并联电流并联负反馈负反馈电流串联电流串联负反馈负反馈 前一页前一页前一页前一页 后一页后一页后一页后一页返回返回7.4 7.4 运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面的应用 一、有源滤波器一、有源滤波器 二、采样保持电路二、采样保持电路 三、电压比较器三、电压比较器 会分析、画传输特性、根据输入波形画会分析、画传输特性、根据输入波形画输出波形输出波形了解概念了解概念前一页前一页前一页前一页 后一页后一页后一页后一页返回返回一、有源滤波器一、有源滤波器滤波器：滤波器：选频电路。它能选出有用频率信号，而抑制选频电路。它能选出有用频率信号，而抑制无用频率信号。无用频率信号。无源滤波器：无源滤波器：由电阻、电容和电感元件组成的滤波器。由电阻、电容和电感元件组成的滤波器。有源滤波器：有源滤波器：由运算放大器组成的滤波器。由运算放大器组成的滤波器。缺点：缺点：低频时体积大，很难做到小型化。低频时体积大，很难做到小型化。特点：特点：体积小、效率高、频率特性好。体积小、效率高、频率特性好。前一页前一页前一页前一页 后一页后一页后一页后一页返回返回二、电压比较电路二、电压比较电路 电压比较电路用来比较输入信号与参考电压电压比较电路用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的平。由此来判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。功能：功能：用途：用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合等技术领域，以及波形产生及变换等场合。前一页前一页 后一页后一页返回返回理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：输出只有两种可能输出只有两种可能+Uo 或或Uo 当当 u+u 时，时，uo=+Uo u+UR，uo=+UOui UR，uo=UOuiuoo UO+UOUR电压传输特性电压传输特性uouio UO+UOUR+uiuou+u_。R1+_URR2+_+uiuou+u_。R1 URR2前一页前一页 后一页后一页返回返回uitoURouot+UO UOouot+UO UOt1t2+uiuou+u_。R1+_URR2+_+uiuou+u_。R1 URR2前一页前一页 后一页后一页返回返回3.输出带限幅的电压比较电路输出带限幅的电压比较电路设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则 ui UR，uo=UZUZ-UZuiuoo UO+UOUR电压传输特性电压传输特性+uiuou+u_。R1+_URR.DZR2前一页前一页 后一页后一页返回返回4.过零电压比较电过零电压比较电路路uiuoo UO+UOUR=0uitoouot+UO UO+uiuou+u_。R1优点：优点：结构简单，灵敏度高结构简单，灵敏度高缺点：缺点：抗干扰能力差，当抗干扰能力差，当ui在门限电平附近变动在门限电平附近变动 时时，输出输出 uo 反复跳变。反复跳变。R2前一页前一页 后一页后一页返回返回+uouituituo例：利用电压比较例：利用电压比较电路将正弦波变为电路将正弦波变为方波。方波。+Uo Uo过零比较电路过零比较电路前一页前一页 后一页后一页返回返回