第16章集成運算放大器

1、退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用16.3 16.3 運算放大器在信號處理方面的應用運算放大器在信號處理方面的應用* *16.4 16.4 運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應用運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應用16.5 16.5 使用運算放大器應注意的幾個問題使用運算放大器應注意的幾個問題退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 了解集成運算放大器的基本組成及其主要參數(shù)的了解集成運算放

2、大器的基本組成及其主要參數(shù)的意義；理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運意義；理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法；理解用運算放大器算放大器并掌握其基本分析方法；理解用運算放大器組成的比例、加法、減法、微分和積分運算電路的工組成的比例、加法、減法、微分和積分運算電路的工作原理；理解電壓比較器的工作原理和應用。作原理；理解電壓比較器的工作原理和應用。 集成運算放大器的電壓傳輸特性，理想運算放大集成運算放大器的電壓傳輸特性，理想運算放大器及其基本分析方法。集成運算放大器組成的比例、器及其基本分析方法。集成運算放大器組成的比例、加減、積分運算電路的工作原理，電壓比較

3、器組成的加減、積分運算電路的工作原理，電壓比較器組成的幅值比較電路。幅值比較電路。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 集成運算放大器的基本組成，有源濾波電路的工集成運算放大器的基本組成，有源濾波電路的工作原理。作原理。講課講課5 5學時，習題學時，習題1 1學時。學時。 退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 分立電路：分立電路：由各種單個元件聯(lián)接起來的電子電路。由各種單個元件聯(lián)接起來的電子電路。 集成電路：集成電路：相對分立電路而言，將整個電路的各個相對分立電路而言，將整個電路的各個元件以及相互之間的連接同時制造在一

4、塊半導體芯片上，元件以及相互之間的連接同時制造在一塊半導體芯片上，組成一個不可分割的整體。組成一個不可分割的整體。 優(yōu)點：優(yōu)點：體積小，重量輕，功耗低，可靠性高，價格體積小，重量輕，功耗低，可靠性高，價格便宜。便宜。 就集成度而言：就集成度而言：有小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大有小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模。規(guī)模。 就導電類型而言：就導電類型而言：有雙極型（普通晶體管）、單極有雙極型（普通晶體管）、單極型（場效晶體管）和兩者兼容的。型（場效晶體管）和兩者兼容的。 就功能而言：就功能而言：有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄

5、總目錄總目錄制作群主主 頁頁16.1.1 集成運算放大器的特點集成運算放大器的特點 集成運算放大器是一種具有高開環(huán)放大倍數(shù)并帶集成運算放大器是一種具有高開環(huán)放大倍數(shù)并帶有深度負反饋的多級直接耦合放大電路。有深度負反饋的多級直接耦合放大電路。 電感、電容元件不易集成，常采用外接方式。電感、電容元件不易集成，常采用外接方式。 由于各個晶體管通過同一工藝過程制作在同一硅片由于各個晶體管通過同一工藝過程制作在同一硅片上，因此容易獲得特性相近的差分對管。上，因此容易獲得特性相近的差分對管。 常用晶體管（或場效晶體管）恒流源代替電阻，高常用晶體管（或場效晶體管）恒流源代替電阻，高阻值電阻常采用外接方式。阻

6、值電阻常采用外接方式。 二極管采用晶體管構成。二極管采用晶體管構成。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁輸入級：輸入級：要求輸入要求輸入電阻高，電阻高，靜態(tài)電流靜態(tài)電流小，差模放大倍數(shù)小，差模放大倍數(shù)高，高，抑制零點漂移抑制零點漂移和共模干擾信號的和共模干擾信號的能力強能力強。16.1.2 電路的簡單說明電路的簡單說明16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹中間級：中間級：要求電壓放大倍數(shù)高，要求電壓放大倍數(shù)高，由由共發(fā)射極放大電路共發(fā)射極放大電路構構成：成：其其放大管采用復合管放大管采用復合管，以提高電流放大系數(shù)；，以提高電流

7、放大系數(shù)；集電集電極電阻采用極電阻采用晶體管晶體管恒流源恒流源代替，以提高電壓放大倍數(shù)代替，以提高電壓放大倍數(shù)。 輸出端輸出端輸入端輸入端 輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級偏置偏置電路電路運算放大器的方框圖運算放大器的方框圖輸入級采用差分放大電路。輸入級采用差分放大電路。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁輸出級：輸出級：要求輸要求輸出電阻低，帶負出電阻低，帶負載能力強，載能力強，能輸能輸出足夠大的電壓出足夠大的電壓和電流。和電流。輸出端輸出端輸入端輸入端 輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級偏置偏置電路電路運算放大器的方框圖運算放大器的方框圖16.1

8、 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹偏置電路：偏置電路：為各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流為各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，決定各級的靜態(tài)工作點，采用采用各種各種恒流源電路恒流源電路。 在應用集成運算放大器時，需要知道它的幾個管在應用集成運算放大器時，需要知道它的幾個管腳的用途以及放大器的主要參數(shù)，無需關注內(nèi)部電路。腳的用途以及放大器的主要參數(shù)，無需關注內(nèi)部電路。采用互補功率放大電路或射極輸出器。采用互補功率放大電路或射極輸出器。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁最大輸出電壓最大輸出電壓uopp 能使輸出能

9、使輸出電壓電壓和輸入和輸入電壓電壓保持不失真關系的最大保持不失真關系的最大輸出電壓。輸出電壓。開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)auo 沒有外接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。沒有外接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。auo愈愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓uio 要使要使uo = 0，需在輸入端加一個很小的補償電壓，即，需在輸入端加一個很小的補償電壓，即輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電壓，其值其值愈小愈好。愈小愈好。16.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹退退 出出下一

10、頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍uicm 運算放大器應在規(guī)定的共模電壓范圍內(nèi)，才對共運算放大器應在規(guī)定的共模電壓范圍內(nèi)，才對共模信號具有抑制的性能。如超出這個電壓，運放的模信號具有抑制的性能。如超出這個電壓，運放的共共模抑制性能就大為下降，模抑制性能就大為下降，甚至造成器件損壞。甚至造成器件損壞。輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流iio 輸入信號為零時兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差，輸入信號為零時兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差，其值愈小愈好。其值愈小愈好。16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹輸入偏置電流輸入偏置電流iib

11、 輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，其大小主要和電路中第一級管子的性能有關。均值，其大小主要和電路中第一級管子的性能有關。其值愈小愈好。其值愈小愈好。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 理想化的條件理想化的條件開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) auo 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid 開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻 ro 0 共模抑制比共模抑制比 kcmrr 反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端開環(huán)電壓放大倍開環(huán)電壓放大倍數(shù)的理想化條件數(shù)的理想化條件方向方向16.1.4 理想運算放大器及其

12、分析依據(jù)理想運算放大器及其分析依據(jù)運算放大器的圖形符號運算放大器的圖形符號16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹-+u- -u+ +uo o退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 分析依據(jù)分析依據(jù)理想特性理想特性實際特性實際特性傳輸特性：傳輸特性：表示輸出電壓與輸表示輸出電壓與輸入電壓之間關系的特性曲線。入電壓之間關系的特性曲線。16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹運算放大器的傳輸特性運算放大器的傳輸特性 u+ + - u- uoo + +uo(sat)- -uo(sat)因差模輸入電阻因差模輸入

13、電阻rid，故故i+ i 0，稱，稱“虛斷虛斷”。oouauuu有限值有限值無窮大無窮大0稱稱“虛短虛短” uu工作在線性區(qū)工作在線性區(qū)uuauuoo-+u- -u+ +uo oi- -i+ +退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁工作在飽和區(qū)（非線性）工作在飽和區(qū)（非線性） 輸出電壓只有兩種可能，即輸出電壓只有兩種可能，即等于等于 + +uo(sat) 或或 - -uo(sat) 。i+ i 0當當 u+ u 時，時，uo = + +uo(sat) 16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹運算放大器的傳輸特性運算放大器的傳輸特性

14、 u+ + - u- uoo + +uo(sat)- -uo(sat)uuauuoo當當 u+ u 時，時，uo = - - uo(sat) 退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 反相輸入反相輸入1iiruuifofruuii1fourru平衡電阻：平衡電阻：r2 = r1 / rf ，其作用是消除靜態(tài)基極電其作用是消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響。流對輸出電壓的影響。16.2.1 比例運算比例運算0 ii0uufi ii if ii +-+-r1rf r2uiuo -i+ i- u+ u- 退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群

15、主主 頁頁輸出電壓與輸入電壓是比例運算關系。輸出電壓與輸入電壓是比例運算關系。如果如果r1 和和rf 的阻值足夠精確，而且運算放大器的的阻值足夠精確，而且運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，就可認為開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，就可認為auf只取決于只取決于rf與與r1 的比值而與運算放大器本身的參數(shù)無關。的比值而與運算放大器本身的參數(shù)無關。1fiofrruuau當當 rf = r1 時，時，uo = -ui ，為，為反相器反相器。負號表明負號表明 uo與與 ui 反相。反相。16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總

16、目錄總目錄制作群主主 頁頁 同相輸入同相輸入urru1fo11fiof1rruuau1i0ruifofruuiauf 為正值，表示為正值，表示 uo與與 ui 同相，且同相，且auf 1 。auf與運放本身的參數(shù)無關，其精度和穩(wěn)定性很高。與運放本身的參數(shù)無關，其精度和穩(wěn)定性很高。iuuu16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用+-+-r1rf r2uiuo -0 iifi ii if ii 當當 r1 = 或或 rf = 0 時，時，uo = ui ，為，為電壓跟隨器電壓跟隨器。i+ i- u+ u- 退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄

17、總目錄制作群主主 頁頁 uo只與電源電壓和分壓電阻有關，其精度和穩(wěn)定只與電源電壓和分壓電阻有關，其精度和穩(wěn)定性較高，可作為基準電壓。性較高，可作為基準電壓。例：例：試計算圖中試計算圖中uo的大小。的大小。16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用15k 7.5k -+-uo15k +15v解：解：v5 . 715151515ouu該電路是一電壓跟隨器。該電路是一電壓跟隨器。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁平衡電阻：平衡電阻：r2= r11 / r12 / rf2i12f1 i11fourrurru 加法運算電路與運

18、放本身的參數(shù)無關，只要電阻加法運算電路與運放本身的參數(shù)無關，只要電阻值足夠精確，就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性。值足夠精確，就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性。16.2.2 加法運算加法運算疊加定理的應用疊加定理的應用16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用if ii2 i+ i- u+ u- ii1 -+-r12rf r2ui1uo r11ui2111 ii1ruuifofruui0 ii0uufi2i1 iii122ii2ruui退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁urru1fo12i3 231f1urrrrr1 i

19、1fourru2i3 231f1 i1f1urrrrrurrooouuu16.2.3 減法運算減法運算當當 r1 = r2 ，rf = r3時，有時，有當當 r1 = r2 = r3 = rf 時，有時，有根據(jù)根據(jù)疊加定理疊加定理16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用if ii +-+-r1rf r2ui1uo -r3+ui2-1 i2i1fouurru1 i2iouuu退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用例：例：試求輸出電壓試求輸出電

20、壓uo 。-+ui1-+r1rf r2uo ui2a2a1uo1a1是電壓跟隨器是電壓跟隨器解：解：1 io1uua2是差分運算電路是差分運算電路2i1f1o1fo1urrurru2i1f1 i1f1urrurr退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁tucrud1if1otucicddff1iiruui當當ui為階躍電壓，為階躍電壓，uitoui- -uo(sat)uoto16.2.4 積分運算積分運算ouuuc16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用if ii i+ i- u+ u- +-+-r1cf r2uiuo

21、-+-uc0 iifi ii tcruuf1io則則最后達到飽和值最后達到飽和值- -uo(sat) 。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁ticucd1fftucrurrud1if1i1focuiruuffo 上圖為比例上圖為比例- -積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器( (簡稱簡稱pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器) )。常用于。常用于自動控制系統(tǒng)中，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的精度。自動控制系統(tǒng)中，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的精度。0uu1iifruuii16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用例：例：試求圖示電路試求圖示電路uo與與ui的關系式

22、。的關系式。if ii i+ i- u+ u- +-+-r1cf r2uiuo -+-ucrf0 iifi ii 退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁tuuctucicddddi11itucruddi1fo當當ui為階躍電壓時為階躍電壓時16.2.5 微分運算微分運算0uu16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用uitouiif ii i+ i- u+ u- +-+-rfc1 r2uiuo -+-uc0 iifi ii fofruuiuoto則則uo為尖脈沖電壓為尖脈沖電壓退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目

23、錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 上圖為比例上圖為比例- -微分調(diào)節(jié)器（簡稱微分調(diào)節(jié)器（簡稱pd調(diào)節(jié)器），在調(diào)節(jié)器），在控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中， 使調(diào)節(jié)過程中起加速作用。使調(diào)節(jié)過程中起加速作用。tuucicddi1tucrurruddi1fi1fo16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用例：例：試求圖示電路試求圖示電路uo與與ui的關系式。的關系式。if ir i+ i- u+ u- +-+-rfc1 r2uiuo -r1ic 0 iif iiircfofruui1iruuir0uu退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁

24、16.3.3 電壓比較器電壓比較器電壓比較器的作用：電壓比較器的作用：在比在比較器的輸入端比較較器的輸入端比較輸入信輸入信號號ui和和參考電壓參考電壓ur的大小，的大小，+-+-r1r2uiuo -+ur- 運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，由于開環(huán)電壓放大運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，由于開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，即使輸入端有一個非常微小的差值信號，倍數(shù)很高，即使輸入端有一個非常微小的差值信號，也會使輸出電壓飽和也會使輸出電壓飽和。 因此運算放大器工作在飽和區(qū)因此運算放大器工作在飽和區(qū)( (即非線性區(qū)即非線性區(qū)) ) 。 在輸出端以高電平或低電平（即為數(shù)字信號在輸出端以高電平或低電平（即為數(shù)字信號1或或0）

25、來來反映比較結果。反映比較結果。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁電壓傳輸特性電壓傳輸特性 +uo(sat) uo(sat)當當 ui ur ，即，即 u ur ，即，即 u u+ 時，時，uo = uo (sat) uiuoour退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 過零電壓比較器過零電壓比較器uo(sat)tuoo16.3 16.3 運算放大器在信號處理方面的應用運算放大器在信號處理方面的應用+-+-r1r2uiuo -電壓傳輸特性電壓傳輸特性 +uo(sat) uo(sat)uiuoo 利用過零電壓比較器將正利

26、用過零電壓比較器將正弦波變?yōu)榫匦尾?，即波形變換。弦波變?yōu)榫匦尾?，即波形變換。+uo(sat)tuio退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁例：例：電路電路如圖所示，輸入電如圖所示，輸入電壓壓ui是一正弦電壓，試分析是一正弦電壓，試分析并畫出輸出電壓并畫出輸出電壓u1，u2和和uo的的波形波形。16.3 16.3 運算放大器在信號處理方面的應用運算放大器在信號處理方面的應用tuiouo(sat)tu1o+uo(sat)tu2o+uo(sat)uo(sat)tuoo+uo(sat)解：解： 運算放大器構成過零比較器運算放大器構成過零比較器-+r1r2uiuo u

27、2 u1 rrldcrc組成微分電路組成微分電路二極管二極管d起削波作用起削波作用退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁 有限幅的過零電壓比較器有限幅的過零電壓比較器 設雙向穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為設雙向穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為uz，忽略穩(wěn)壓管的，忽略穩(wěn)壓管的正向導通壓降正向導通壓降。 雙向穩(wěn)壓二極管雙向穩(wěn)壓二極管電壓傳輸特性電壓傳輸特性+uz uz16.3 16.3 運算放大器在信號處理方面的應用運算放大器在信號處理方面的應用+-+-r1r2uiuo -dz uo(sat) +uo(sat)uiuoo當當 ui 0，即，即 u+ 0，即，即 u+ u- 時，時，u

28、o = +uz退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁16.4.1 矩形波發(fā)生器矩形波發(fā)生器16.4.2 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器16.4.3 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器矩形波電壓常用于數(shù)字電路中作為信號源。矩形波電壓常用于數(shù)字電路中作為信號源。 鋸齒波電壓在示波器、數(shù)字儀表等電子設備中作鋸齒波電壓在示波器、數(shù)字儀表等電子設備中作為掃描用。為掃描用。退退 出出下一頁下一頁上一頁上一頁章目錄章目錄總目錄總目錄制作群主主 頁頁16.5.1 選用元件選用元件16.5.2 消振消振 集成運算放大器按其技術指標或按其內(nèi)部電路或集成運算放大器按其技術指標或按其內(nèi)部電路或按其每一集成片中運算放大器的數(shù)目等進行分類。按其每一集成片中運算放大器的數(shù)目等進行分類。 通常根據(jù)