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1、1,第二章 集成运放及其基本应用,2.2 理想运放在线性区常用电路,2.3 理想运放在非线性区常用电路,2.1 集成运算放大器,2,2.1 集成运算放大器,集成运算放大器（集成运放、运放）：是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。,(a)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,集成运放的外形：,3,运算放大器外形图,4,运算放大器外形图,5,A741外形图：,运放的电路符号：,2.1.1 集成运放的电压传输特性,6,集成运放的主要技术指标,集成运算放大器的符号,一、开环差模电压增益 Aod,一般用对数表示，定义为,单位：分贝,理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100
2、 140 dB。,图 5.2.1 运算放大器的符号,7,二、输入失调电压 UIO,三、输入失调电压温漂 UIO,定义：,为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。,一般运放：UIO 为 1 10 mV；,高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。,定义：,一般运放为 每度 10 20 V；,高质量运放低于每度 0.5 V 以下；,8,四、输入失调电流 IIO,五、输入失调电流温漂 IIO,当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即,定义：,一般运放为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。,定义：,一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。,9,六、输入偏置电流 IIB,七、差模
3、输入电阻 rid,八、共模抑制比 KCMR,定义：,输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。,定义：,一般集成运放为几兆欧。,定义：,多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。,10,九、最大共模输入电压 UIcm,输入端所能承受的最大共模电压。,十、最大差模输入电压 UIdm,反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。,十一、 - 3 dB带宽 fH,表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。,11,十二、 单位增益带宽 BWG,Aod 降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于 1 。,十三、 转换速率 SR,额
4、定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为 V / s 。,在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值。,其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。,12,理想运算放大器,理想运放的技术指标,开环差模电压增益 Aod = ；,输出电阻 ro = 0；,共模抑制比 KCMR = ；,差模输入电阻 rid = ；,UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0；,输入偏置电流 IIB = 0；,- 3 dB 带宽 fH = ，等等。,13,线性区电压传输特性：,差模输入信号：,开环电压放大倍数：Auo,14,理想运放工作在线
5、性区时的特点,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即,理想运放工作在线性区特点：,1. 理想运放的差模输入电压等于零,即,“虚短”,集成运放的电压和电流,15,2. 理想运放的输入电流等于零,由于 rid = ，两个输入端均没有电流，即,“虚断”,16,2.1.2 理想集成运放及不同工作区的特点,理想运放的参数： （1）Auo； （2）输入电阻Ri ； （3）输出电阻Ro 0 ；（4）通频带fbw ,工作在线性区的特点： （1）虚短路uP uN （2）虚断路iP 0 、 iN 0,工作在非线性区的特点： （2）虚断路iP 0 、 iN 0,17,例如F007开环时Auo=105,
6、 Uom=10V, Uom=+10V, 则差模输入信号的线性区为-0.1mV+0.1mV。 如果外加负反馈, 使闭环增益Au=100, 则差模输入信号的线性区为-100mV+100mV。,运放必须加负反馈才可以工作在线性区。,小结： 如果运放应用电路中引入了负反馈，则在输入信号一个较大范围内，集成运放工作在线性工作区； 分析集成运放线性应用电路时，注意应用“虚短”和“虚断”两个重要特点。 若集成运放工作于开环或正反馈状态，则运放处于开关状态，输出电压在正、负饱和值之间转换。注意：不存在 “虚短”现象，仍存在“虚断”现象。,18,2.2 理想运放在线性区常用电路,2.2.1 基本运算电路 1.
7、比例运算电路 2. 加减运算电路 3. 积分、微分电路,2.2.2 有源滤波电路 1. 一阶有源低通滤波电路 2. 一阶有源高通滤波电路 3. 带通滤波电路,19,2.2.1 基本运算电路,1. 比例运算电路,1） 同相比例运算电路,又由“虚短” 知：uP = uN = ui,iN = 0,由“虚断” 知：,特点： 输出与输入同相且成比例 输入电阻很高 输出电阻很低,为使两个输入端特性对称，一般取R1 = R2 / Rf 。,20,同相比例运算电路实例：电压跟随器,由前面的分析可知，当 Rf = 0 或 R2 = 时， 有 Au = 1,21,2） 反相比例运算电路,一般取R1 = R2 /
8、Rf,由于“虚断”， iP =iN = 0，uP = 0,由于“虚短”， uP = uN = 0,“虚地”,由 i1 = if ，得,求得,特点： 输出与输入反相且成比例 输入电阻等于R2 输出电阻很低,若 R2 Rf ，则为单位增益反相器。,22,T型网络反相比例运算电路,联立方程：,u1,uN = 0,求得：,23,例：若下图电路中各参数已知，求uo表达式,解：,这是一个二级放大电路，两级之间不存在负载效应(若前级的输出电阻为零，或后级的输入电阻无穷大，则不存在负载效应），可分别计算各级的放大倍数。有,24,加减运算电路：电路的输出量反映多个输入量相加或相减的结果。,一般取：,由于“虚断”
9、，i- = 0,所以：i1 + i2 + i3 = iF,又因“虚地”，u- = 0,所以：,当 R1 = R2 = R3 = R 时，,2. 加减运算电路,1） 加法运算电路,反相加法运算电路：,25,由于“虚断”，i+ = 0，所以：,解得：,其中：,由于“虚短”，u+ = u-,同相加法运算电路：,26,2） 减法运算电路,两种方案： 利用加法电路和反相电路构成减法电路 在运放的同相和反相输入端分别输入信号，实现减法运算。,解得：,27,例：用集成运放实现以下运算关系,解：可用以下电路实现,28,比较得：,选 RF1 = 20 k，得： R1 = 100 k， R3 = 15.4 k；,
10、选 RF2 = 100 k，得： R4 = 100 k， R2 = 10 k。,令：,取：,29,3. 积分、微分运算电路,1） 积分运算电路,电路的输出量为输入量对时间的积分。,由于“虚断”和，“虚地”，有, = RC,积分时间常数,30,例：若前述积分电路的输入电压为图示方波，且已知电容的初始电压为零，求uo的表达式和波形图。,解：,31,可见，输出电压的相位比输入电压的相位超前90 。因此，此时积分电路的作用是移相。,解：,式中K为积分常数。若只考虑uo中的变化分量，则波形如图所示。,32,由于“虚断” 和“虚地”，有,2） 微分运算电路,电路的输出量为输入量对时间的微分。,积分、微分电
11、路的用途： 波形变换、移项、控制电路等。,33,Multisim 虚拟仿真实验1：反相比例放大器,34,Multisim 虚拟仿真实验2：同相比例放大器,35,作用：选频。,分类：,低通滤波器(LPF)、,高通滤波器(HPF) 、,带通滤波器(BPF) 、,带阻滤波器(BEF) 。,1. 滤波电路的作用和分类,2.2.2 有源滤波电路,36,滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。,37,无源低通滤波器：,电压
12、放大倍数为,截止频率,由对数幅频特性知，具有“低通”的特性。,电路缺点：电压放大倍数低，只有，且带负载能力差。,解决办法：利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器。,2. 一阶有源低通滤波电路,fc,38,电压放大倍数：,一阶有源低通滤波器：,由于“虚断”，可求得电容电压为,进一步求得：,39,通带电压放大倍数：,一阶有源低通滤波器与无源低通滤波器的频率特性相似；但通带电压放大倍数得到提高，带负载能力增强。,截止频率：,电压放大倍数：,40,3. 一阶有源高通滤波电路,fc,无源高通滤波器：,41,截止频率：,一阶有源高通滤波器：,电压放大倍数：,通带电压放大倍数：,42,带通滤波器可由一个低
13、通滤波器和一个高通滤波器串联而成。,阻,阻,f1,f2,通,4. 带通滤波电路,43,有源带通滤波器的典型电路：,取：,44,中心频率,以上方程联立，求得电压放大倍数：,电路稳定的条件：,Q：品质因数， ：通带电压放大倍数,通频带：,45,2.3 理想运放在非线性区常用电路,2.3.1 单限比较器 2.3.2 滞回比较器,电压比较器将模拟量输入电压与参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。,比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。,分类：过零比较器、单限比较器、滞回比较器及双限比较器。,46,2.3.1 单限比较器,简单过零比较器：,电压传输特性,Uo
14、m,+Uom,当 u+u 时，uo= +Uom u+u 时，uo= Uo m,运放处于开环状态,即 ui0 时，uo = Uo m,1. 过零比较器,47,输出限幅过零比较器：,电压传输特性,UZ,+UZ,ui0 时，uo = UZ,输出端接有两个背靠背的稳压管，起正负限幅作用；R为限流电阻，保护运放的输出级。,若输出端的两个稳压管不同，则输出的正负电压值不同。,48,电压传输特性,UZ,+UZ,uiUREF 时，uo = UZ,2. 一般单限比较器,参考电压,49,uP,解：由于“虚断”，同相端输入电流为零。,例：电路如图，求电压传输特性曲线。,运用叠加定理，求得,令uP0，解得门限电压为,电压传输特性,+UZ,-UZ,uiUT 时， uP0， uo = +UZ,50,2.3.2 滞回比较器,单限比较器抗干扰能力差，如右图所示：,滞回比较器可提高抗干扰能力，如右图所示：,51,滞回比较器电路：,uP,由于,因此,门限电压等于uP，有,UT1,UT2,ui逐渐上升时，门限电压为UT2， ui逐渐下降时，门限电压为UT1。,52,运用叠加定理，求得,解：由于“虚断”，同相端输入电流为零。,uP即门限电压，有：,回差(门限宽度)UT ：,53,UT1,UT2,电压传输特性：,54,课后习题,2.4 2.8,