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1、(16-0),第十六章 集成运算放大器,(16-1),第十六章 集成运算放大器, 16.1 集成运算放大器的简单介绍 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用 16.4 运算放大器在波形产生方面的应用 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,(16-2),集成电路: 将整个电路的各个元件及连线均制造在同一块半导体基片上，形成一个不可分割的整体。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；, ,16.1 集成运算放大器的简单介绍,(16-3),各类型号集
2、成芯片,(16-4),一、集成电路内部结构的特点：,2. 输入级采用差放电路。由于电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，故温度均一性好。,3. 电阻元件由硅半导体构成，范围从100到30K，精度低。高阻值电阻用晶体管有源元件代替或外接。,1. 电感元件难于制造。制造几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成，大电容需外接。,4. 二极管一般用晶体管的发射结构成。,(16-5),三、集成运放电路的组成,输 入 级：常为差分放大电路。要求Ri大， Ad大， Ac小, 输入端耐压高。它有同相和反相两个输入端。,中 间 级：主放大级，常为共射放大电路，多采用复合 管。要求有足够的放大能力。
3、,输 出 级：功率级，多采用互补功放电路或射极输出器。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。多采用恒流源电路。,(16-6),集成运放的基本结构,输入级,中间级,输出级,-UCC,+UCC,u,uo,u,反相输入端,同相输入端,基本原理框图,(16-7),uo,与uo反相,与uo同相,(16-8),输入级,尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大。,(16-9),中间级,足够大的电压放大倍数,(16-10),输出级,主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io ，输出阻抗 ro小。,(16-11),ri 大: 几十k 几
4、百 k,运放特点：,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A o 很大: 104 107,运放符号：,国际符号,国内符号,反相输入端,同相输入端,输出端,(16-12),1、最大输出电压UOPP,使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。,2、开环电压放大倍数Auo,三、集成运放的主要参数,无外加反馈回路时的差模放大倍数。一般在104 107之间。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度越高。,3、输入失调电压UIO,使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。此值越小越好。,(16-13),4、输入失调电流IIO,5、输入偏置电流IIB,6、共模输入电压范围UICM,共模电压超出
5、此范围时，运放的共模抑制性能大大下降。,输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差。此值一般在零点零几微安级，越小越好。,输入信号为零时，两输入端静态基极电流平均值。此值一般在零点几微安级，越小越好。,(16-14),Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|12V时，运放 处于线性区。,四、理想运放及其分析依据,线性放大区,饱和区,饱和区,(16-15),由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,1、在分析信号运算电路时对运放的处理,实际：,
6、理想：,(16-16),理想运放的条件,虚短路:,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,虚开路， 也称虚断路,运放工作在线性区的特点,运放工作在线性区特点,(16-17),虚短路不成立：,运放工作在饱和区的特点,(16-18),2、分析运放组成的线性电路的依据,虚短路 虚开路 放大倍数与负载无关， 每级可以分开分析。,(16-19),16.2 运放在信号运算方面的应用,凡是将放大电路输出端信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。,反馈概念,串联负反馈 ri ; 并联负反馈 ri ;,电压负反馈 ro; 电流负反馈 ro;
7、,负反馈对放大电路的影响,(16-20),16.2.1 比例运算,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大、反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,(16-21),i1 iF,1. 放大倍数,虚短路,虚开路,一、反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相 输入端，信号从 反相端输入。,虚地,(16-22),RP = R1 / RF,为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大RF，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,2. 电路的输入电阻,ri = R1,(16-23),4.
8、共模电压,3. 反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小,因虚短, 所以uu+= 0， 称反相输入端“虚地” 反相输入的重要特点,(16-24),反相比例电路的特点：,2. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,3. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,4. 由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,5. 在放大倍数较大时，该电路结构不再适用 。,1. 反相端为“虚地”。,(16-25),例：试计算下图开关S断开和闭合时的Au,解：,S断开:,S闭合:,if,i1 i2,P98 例 16.2.1,(16-26),M,例：求Au =?
9、,i1= i2,虚短路,虚开路,虚地,(16-27),该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。因R3的存在，削弱了负反馈。,(16-28),例：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：1. Auf 、R2 ； 2. 若 R1不变，要求Auf为 10，则RF 、 R2 应为 多少？,解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5,R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k,2. 因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得 RF =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k,(
10、16-29),二、同相比例运算电路,u- u+= ui,虚短路,虚开路,结构特点： 负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,虚开路,i1,iF,(16-30),同相比例电路的特点,3. 共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2. 由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,(16-31),此电路输入电阻大，输出电阻小，在电路中的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,当 R1= 或 RF =
11、 0 时,(16-32),例：试计算Uo,解：,由其为电压跟随器知: Uo = 15 / 2 =7.5V,P99：例 16.2.2,(16-33),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。,(16-34),例：试计算Uo,P99： 例 16.2.3,解：,(16-35), 16.2.2 加法运算电路,作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和、反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,(16-36),一、反相求和运算,实际应用时可适
12、当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,(16-37),调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,(16-38),二、同相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,(16-39),此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：,u+ 与 ui1 和 ui2的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,(16-40),1. 输入电阻低； 3. 当改变某一路输入电阻时， 对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点： 1. 输入电阻高； 3. 当改变某一路输入
13、电阻时， 对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,(16-41),左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？,提示： 1. 虚开路：流入同相端的电流为0。 2. 结点电位法求u+。,(16-42),解出：, 16.2.3 减法运算,(16-43),单运放加减运算电路特例：差动放大器,(16-44),实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,(16-45),虚短路,虚开路,虚开路,(16-46),优点：元件少，成本低。,缺点：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。 阻值的调整计算不方便。,单运放加减运算电路小结,改进：采用双运放电路。,(16-47),例：设计一加
14、减运算电路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1) 画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,(16-48),(2) 求各电阻值。,uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,如果不需要R4时，不能直接接地。,(16-49),例：试分析双运放加减运算电路,(16-50),例: 试分析三运放电路,(16-51),虚短路：,虚开路：,(16-52),三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。 由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。,(16-53),例如：由三运放放大器组成的温度测量电路。,Rt ：热敏电阻,集成化:仪表放大器,(1
15、6-54),例: A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。,uo = 0.5ui+2.5 V,(16-55),uo =0.5ui +2.5 V,=0.5 (ui +5) V,(16-56),1. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小 。,2. 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,3. 关于共模电压：同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,比例运算电路与加减运算电路小结,(16-57),知识点回顾：, 16.2.4 积分运算电路,(16-58),输入方波，输出是三角波。,一、
16、积分运算,(16-59),将比例运算和积分运算结合在一起，就组成 比例-积分PI运算电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,(16-60),U,积分时限,应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱。,(16-61),积分电路的主要用途,1. 在电子开关中用于延迟。 2. 波形变换。例：将方波变为三角波。 3. A/D转换中，将电压量变为时间量。 4. 移相。,(16-62), 16.2.5 微分运算电路,(16-63),比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,PD调节器,iF,(16-64),运算电
17、路要求,1. 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。 2. 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。 3. 会用 “虚断(ii=0)”和“虚短 (u+=u) ”分析给定运算电路的 放大倍数。 4. 能设计简单的加减和积分运算电路。,(16-65),16.3.1 有源滤波器,16.3 运放在信号处理方面的应用,1. 按信号性质分类,3. 按电路功能分类:,低通滤波器；高通滤波器； 带通滤波器；带阻滤波器,2. 按所用元件分类,模拟滤波器和数字滤波器,无源滤波器和有源滤波器,4. 按阶数分类:,一阶，二阶 高阶,滤波电路的分类,(16-66),无源滤波器,由无源滤波器+运放构成。,
18、由无源元件R、C、L构成。,有源滤波器,空间体积，电流的大小，成本，都有优缺点,(16-67),一、一阶有源低通滤波器,(16-68),二、一阶有源高通滤波器,C,(16-69),有源滤波器的优点,1. 体积小重量轻。,2. 其输入和输出之间具有良好的隔离。,3. 除起滤波作用外，还可将信号放大。,(16-70),16.3.3 电压比较器,作用：比较输入电压和参考电压的大小。,特点：由于运放开环工作或引入了正反馈 ，故其工作于饱和区。输出电压为： uo=Uo(sat),(16-71),UR：参考电压 ui ：被比较信号,特点：运放处于开环状态。,当ui UR时 , uo = +Uom 当ui
19、UR时 , uo = -Uom,一、ui从同相端输入,(16-72),UR,当ui UR时 , uo = -Uom,二、 ui从反相端输入,(16-73),三、过零比较器: (UR =0时),(16-74),例: 利用电压比较器将正弦波变为方波。,(16-75),电路改进：用稳压管稳定输出电压。,限幅电压比较器,(16-76),集成运算放大器的分类 技术指标：高通、高速、高阻、低功耗、 大功率、高精度型。 内部电路：双极、单极型。 运放数目/每片：单运放、双运放、四运放。,16.5 使用运算放大器应注意的问题,(16-77),使用集成运算放大器应注意的问题,调零：需外接调零电路。 方法：a. 当Ui = 0时，调节调零电位器， 使Uo = 0。 b. 当Ui 0时，调节调零电位器， 使Uo的值为和其相对应的计算值。,(16-78),使用集成运算放大器应注意的问题,= 输出端保护,电源保护 =,保护：需外接保护电路。,输入端保护 =,(16-79),使用集成运算放大器应注意的问题,扩大输出电流,(16-80),作业 16.2.3 16.2.10 16.2.13 16.2.17 16.2.18（4）（5）（7） 16.3.1,(16-81),结 束,