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1、第17章 集成运算放大器,返回,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 使用运算放大器应注意的几个问题,集成电路:它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件,优 点：工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合,16.1.1 集成电路中元器件的特点,1. 单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致,
2、元器件相互离得很近,温度特性较一致,3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造,4.电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容不易制造,16.1 集成运算放大器的简单介绍,16.1.2 电路的简单说明,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,输入级,中间级,输出级,同相 输入端,输出端,反相 输入端,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输
3、出器构成。,集成电路的封装,F007（5G24）外引线图,接 线 图,顶 视 图,特点：高可靠性、低成本、小尺寸,Auo 高: 80dB140dB rid 高: 105 1011 ro 低: 几十 几百 KCMR高: 70dB130dB,运放符号：,国际符号,16.1.3 主要参数,1. 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电压。,2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器
4、件损坏。,愈小愈好,3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,1. 理想运算放大器,Auo ， rid ， ro 0 ， KCMR ,uo,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,(1)差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流可认为是零，i+= i 0 ,即虚断。,uo = Auo(u+ u ),3. 理想运放工作在线性区的特点,uo =
5、 Auo(u+ u ),Auo越大，运放的 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。,4. 理想运放工作在饱和区的特点,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,例 F007运算放大器的正、负电源电压为15V，开环电压放大倍数AU0=2105,输出最大电压（即Uo(sat)为13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：,输出电压,解,只要两个输入端之间的电压绝对值超过65V，输出
6、电压就达到正或负的饱和值。,输出电压,输出电压,输出电压,16.2 运算放大器在信号运算方面的运用,集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。,运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。,16.2.1 比例运算,1. 反相比例运算,（1）电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,电阻 R2 = R1 / RF,
7、因虚断，i+= i = 0 ，,平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。,（2）电压放大倍数,u=u+= 0,i1 if,电阻 R2 = R1 / RF,当 R1 = RF,反向器,电位为零，虚地,电位为零,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
8、RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k,例：求Au =?,i1= i2,2. 同相比例运算,（1）电路组成,平衡电阻R2=R1/RF,（2）电压放大倍数,当 R1= 或 RF = 0 时，,uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。,左图是一电压跟随器，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。,例：图中同相比例运算电路，,求：,解：,此电路为同相比例运算电路，,于是,16.2.2 加法运算电路,1. 反相加法运算电路,平衡电阻： R2= Ri1 / Ri
9、2 / Ri3 / RF,i = 0,ii1+ ii2 +ii3= if,u= u+= 0,ii1+ ii2 +ii3= if,当 Ri1=Ri2=Ri3=R1 时，,当 R1=RF 时，,加法运算电路与运算放大器本身的参数无关,只要电阻阻值足够精确,就可保证加法运算的精度和稳定性.,R2 / R3 = R1 / RF,16.2.3 减法运算电路,如果取 R1 = R2 ，R3 = RF,如 R1 = R2 = R3 = RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,如果没有R3,例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压,A1是电压跟随器，,A2是差动运算电路，,ui1=uic1 +uid1,ui
10、2=uic2 + uid2,输入电压,共模分量,差模分量,uic1 = uic2,uid1 = - uid2,如果R1 = R2 = R3 ,RF多大时输出电压uo不含共模分量?,例：,例如:,ui1=10=8+2=uic1 +uid1,ui2= 6 =8 -2=uic2 + uid2,u0=2uid1 =-4,17.2.4 积分运算电路,i1 = if,当ui为阶跃电压时,R1CF,为时间常数,当电容CF的初始电压为 uC(t0) 时，则有,应用举例,在电路的输入端输入方波，输出是什么波形？,将比例运算和积分运算结合在一起，就组成 比例-积分运算电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对
11、输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。,17.2.5 微分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1 = if,Ui,Ui,当ui为阶跃电压时,uo为尖脉冲电压,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,控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,17.3 运放在信号处理方面的应用,17.3.1 有源滤波器,17.3.2 采样保持电路,17.3.3 电压比较器,17.3.1 有源
12、滤波器,滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。,无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。,缺点：低频时体积大，很难做到小型化。,优点：体积小、效率高、频率特性好。,按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,1. 有源低通滤波器,若频率 为变量，则 电路的传递函数,2. 有源高通滤波器,17.3.2 采样保持电路,采样保持电路，多用于模 - 数转换电路（A/D）之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模
13、拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,模拟开关,模拟输入信号,1. 电路,采样存储 电容,控制信号,电压跟随器,2. 工作原理,采样阶段： uG为高电平， S 闭合(场效应管导通), ui对存储电容C充电， uo= uC = ui 。,保持阶段： uG为 0,S 断开(场效应管截止),输出保持该阶段开始瞬间的值不变。,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,17.3.3 电压比较器,电压比较器的功能： 电压比较器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，由高电平变成低电平，或者由低电平
14、变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。,用途： 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 。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,理想运放工作在饱和区的特点：,1. 输出只有两种可能 +Uo (sat) 或Uo (sat) 当 u+ u 时， uo = +Uo (sat) u+ u 时， uo = Uo (sat) 不存在 “虚短”现象 2. i+= i 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性,电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),运放处于开环状态,基本电压比较器,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,即 uiUR 时，uo = Uo
15、 (sat),可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,例:,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,过零电压比较器,利用电压比较器 将正弦波变为方波,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为UZ， 忽略稳压管的正向导通压降 则 ui UR，uo = UZ,uiUR 时， uo = Uo (sat),电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压， 试分析并画出输出电压uo”, uo, uo的波形。,例:,t Tp,微分电路,2. 滞回比较器,电路中引入正反馈 (1) 提高了比较器的响应速度； (2) 输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。,上门限电压,下门限电压,当 uo
16、 = + Uo(sat)， 则,当 uo = Uo(sat)， 则,设某一瞬时,上门限电压 U+ ： ui 逐渐增加时的门限电压,下门限电压U“+： ui 逐渐减小时的门限电压,ui,电压传输特性,定义：回差电压,与过零比较器相比具有以下优点： 1. 改善了输出波形在跃变时的陡度。 2. 回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰 能力越强。,结论： 1. 调节RF 或R2 可以改变回差电压的大小。 2. 改变UR可以改变上、下门限电压， 但不影回差 电压U。,电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。,解: 上门限电压,下门限电压,例：电路如图所示，Uo(s
17、at) =6V，UR = 5V, RF = 20k，R2 =10k，求上、下门限电压。,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,1. 选用元件,根据实际要求来选用运算放大器,主要是根据使用条件及运放的参数进行选择。,2. 消振,这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响,使电路产生自激振荡，即外加消振的方法。,3. 调零,由于运放内部参数不可能完全对称,输入信号为零,输出可能不为零,为此,在使用时必须调零。,4. 保护,(1) 输入保护,（2） 输出端保护,（3） 电源保护,（5） 扩大输出电流,例：,例：,17.2.5 17.2.9 17.2.10 17.2.13,第 17 章 作业与思考题,