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1、第16章 集成运算放大器,主要内容,集成运算放大器的简介 运算放大器在信号运算方面的应用 运算放大器在信号处理方面的应用 运算放大器在波形产生方面的应用 使用运算放大器应注意的几个问题,16.1 集成运算放大器的简单介绍,集成电路： 集 成 度：SSI、MSI、LSI、 VLSI （ASI） 导电类型：双极型、单极型 兼容型 信号类型：数字、模拟、混合 优 点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高,模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率 放大器、集成稳压电源、集成数模转 换电路,16.1.1 集成运算放大器的特点,尽量避免使用电容。 输入级采用差动放大电路。 电阻值大致为100 30k。 二极管都
2、采用三极管构成。,16.1.2 电路的简单说明,一、运放构成,输 入 级：由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。 中 间 级：共射放大电路。用于电压放大。 输 出 级：互补对称电路。降低输出电阻，提高带载 能力。 偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态 工作点。,在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻比较容易，而制造晶体管却最容易。,运放举例：LM741,2反相输入端,出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。,6输出端,3同相输入端,4负电源端,7正电源端,8闲置端（NC）,1、5接调零电位器,二、
3、运放特点 开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百K）； 输出电阻低（约几百）； 漂移小、可靠性高、体积小、 重量轻、价格低 。,16.1.3 主要参数,1、最大输出电压UOPP能使输出电压与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没有外接反馈时所测出的差模电压放大倍数。 3、输入失调电压Uio为使输出等于零而在输入端加的微小补偿电压。（调零工作已由调零电位器来完成，如前所述）,4、输入失调电流Ii当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差。其值愈小愈好。一般在零点零几微安级。 5、输入偏置电流IiB当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流的平
4、均值，其值愈小愈好。一般在零点几微安级。 6、最大共模输入电压UiCM 运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备。如超出这个电压，运放的共模抑制能力就大为下降，甚至造成器件损坏。,3）开环输出电阻 ro0,2）差模输入电阻 rid,4）共模抑制比 KCMRR,理想化条件：,1）开环电压放大倍数 Auo,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,实际运放的参数指标很接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。,右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比较接近。,运算放大器的传输
5、特性,虚地,虚断,虚短,从运放的输入特性看，可分为线性区和饱和区，运放在不同区工作时的分析方法不同：,线性区： uo=Auo(u+-u-),rid ，故 两输入端的输 入电流为零。,Auo ，uo为有限值， 故 u+-u-=uo/Auo0 即 u+ u-,分析依据,当有信号输入时，如同相端接地，即u+=0 则 u- 0,虚短,饱和区： uoAuo(u+-u-) 当u+ u- 时,uo=uo(sat) 当u+ u- 时,uo=uo(sat) 但两输入端的输入电流仍为零。,P99例16.1.1,运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积分与微分等简单运算，还能完成对数与反对数以及乘除等复杂运算。它
6、们都是线性范围内的运算，都适用叠加原理。,16.2 运放在信号运算方面的应用,在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题：如何保证运放工作在线性区 ? 我们知道：Auo，即当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。,我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大电路的性能，所以,解决之道是：在电路中引入深度负反馈。,下面的问题是从输出端将反馈引到同相端还是反相端 ？ 答案是：,引回到反相端,16.2.1 比例运算,1、反相输入 Rf 反馈电阻； R2 平衡电阻，用于消除静态基极电流对输出电压的影响。 R2= R1Rf,由KCL、KVL
7、和运放工作在线性区的分析依据：,及,由此得：,说明： 1、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相输入的比例运算电路称为反相器； 2、如R1和RF的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证了比例运算的精度和稳定性（深度负反馈）。,反馈类型：,深度并联电压负反馈,电路阻抗特征：输入电阻不高，输出电阻很低。,2、同相输入,及,有,反馈类型：,深度串联电压负反馈,得,P102例,16.2.2 加法运算,在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路,由此得,16.2.3 减法运算,当两个输入端都有信号输入时，即为差
8、动输入，可进行减法运算,由于电路存在共模电压，为了保证运算精度，应当选用共模抑制比较高的运算放大器。,问题：对于差分减法电路，如果R1=R2=R3，当RF 多大时，输出电压不含有共模分量？,解：根据16.2.10,16.2.4 积分运算,当输入信号为阶跃电压时，,右图是在控制和测量系统中常用的比例-积分调节器（PI调节器）：,可视为反相比例运算和积分运算的叠加。,与以前学过的RC积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电电流基本恒定。,16.2.5 微分运算,微分运算是积分的逆运算，,当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。微分电路稳定性不高，用得较少。(波形
9、如右图),右图是在控制系统中使调节过程加速的比例微分调节器（PD调节器）。,P123习题16.2.8 解：,由于RFR4,P123习题16.2.10 解：,用结点电压法求u+,运放除了能完成信号的运算，还能完成信号滤波、采样保持及比较等处理工作。,16.3 运放在信号处理方面的应用,16.3.1 有源滤波器,滤波器是一种选频电路选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。 将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到
10、较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。,1. 有源低通滤波器,2. 有源高通滤波器,+,+,+,+,R1,RF,R,C,ui,u0,0,由RC电路得出：,故,其模为：,幅角为：,16.3.2 采样保持电路,当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。,16.3.3 电压比较器,运放工作于开环状态，uR是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，即运放工作于非线性饱和区。 参考电压等于零时，称为过零比较器。,电压传输特性,Uo(sat),+Uo
11、(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。,当 u+u 时，uo= +Uo (sat) u+u 时，uo= Uo (sat),即 uiUR 时，uo = Uo (sat),可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。,ui UR，uo=+ Uo (sat) ui UR，uo= Uo (sat),输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,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 U
12、R，uo = UZ,uiUR 时，uo = Uo (sat),过零电压比较器,利用电压比较器 将正弦波变为方波,滞回比较器,分析： 当输出为+UZ时 称为上限阈值电压； 当输出为-UZ时 称为下限阈值电压 。,窗口比较器,16.4 运放在波形产生方面的应用,波形发生器的作用： 产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。 特点：不用外接输入信号，即有输出信号。,16.4.1 矩形波发生器,1. 电路结构,由滞回比较器、,RC充放电电路组成，,电容电压uC 即是比较器的输入电压，,2. 工作原理,设电源接通时， uo = +Uo(sat) ，uC(0) = 0。,电阻R2两端的
13、电压UR即是比较器的参考电压。,uo 通过 RF 对电容C充电， uC 按指数规律增长。,充电,当 uo = +Uo(sat)时，电容充电， uC上升，,电容放电， uC下降，,当uC= UR 时，uo 跳变成 Uo(sat),当 uC= UR 时，uo 跳变成 +Uo(sat) ，电容又重新充电。,放电,2. 工作原理,3. 工作波形,A1：滞回比较器 因 u = 0 ， 所以当 u+ = 0 时， A1状态改变,16.4.2 三角波发生器,1. 电路结构,A2：反相积分电路,2. 工作原理,A1：滞回比较器 因 u- = 0 ，所以当 u+ = 0时，A1状态改变,输出 uo1 改变(+UZ 跃变到UZ 或 UZ 跃变到 +UZ)，,当,同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。,3. 工作波形,(1) 改变比较器的输出 uo1、电阻R1 、R2 即可改变三角波的幅值。 (2) 改变积分常数R4C 即可改变三角波的频率。,16.4.3 锯齿波发生器,1. 电路,三角波发生器,在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其 输出锯齿波。,2. 波形,16.4.3 锯齿波发生器,1. 电路,第16章结束，谢谢！,The End,作业： 16.2.7 16.2.10 16.2.11 16.2.13,