《电工与电子学》课件：第十六章集成运算放大器.ppt

1、回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用16.3 16.3 运算放大器在信号处理方面的运算放大器在信号处理方面的应用应用* *16.4 16.4 运算放大器在波形产生方面的运算放大器在波形产生方面的应用应用16.5 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的了解集成运

2、算放大器的基本组成及其主要参数的意义；理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运意义；理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；理解用运算放大器算放大器并掌握其基本分析方法；理解用运算放大器组成的比例、加法、减法、微分和积分运算电路的工组成的比例、加法、减法、微分和积分运算电路的工作原理；理解电压比较器的工作原理和应用。作原理；理解电压比较器的工作原理和应用。 集成运算放大器的电压传输特性，理想运算放大集成运算放大器的电压传输特性，理想运算放大器及其基本分析方法。集成运算放大器组成的比例、器及其基本分析方法。集成运算放大器组成的比例、加减、积分运算电路的工作原理，电压

3、比较器组成的加减、积分运算电路的工作原理，电压比较器组成的幅值比较电路。幅值比较电路。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 集成运算放大器的基本组成，有源滤波电路的工集成运算放大器的基本组成，有源滤波电路的工作原理。作原理。讲课讲课5 5学时，习题学时，习题1 1学时。学时。 回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 分立电路：分立电路：由各种单个元件联接起来的电子电路。由各种单个元件联接起来的电子电路。 集成电路：集成电路：相对分立电路而言，将整个电路的各个相对分立电路而言，将整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时

4、制造在一块半导体芯片上，元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。组成一个不可分割的整体。 优点：优点：体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，价格体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，价格便宜。便宜。 就集成度而言：就集成度而言：有小规模、中规模、大规模和超大有小规模、中规模、大规模和超大规模。规模。 就导电类型而言：就导电类型而言：有双极型（普通晶体管）、单极有双极型（普通晶体管）、单极型（场效晶体管）和两者兼容的。型（场效晶体管）和两者兼容的。 就功能而言：就功能而言：有数字集成电路和模拟集成电路。有数字集成电路和模拟集成电路。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目

5、录 上一页上一页 下一页下一页退出退出16.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器是一种具有高开环放大倍数并带集成运算放大器是一种具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。 电感、电容元件不易集成，常采用外接方式。电感、电容元件不易集成，常采用外接方式。 由于各个晶体管通过同一工艺过程制作在同一硅片由于各个晶体管通过同一工艺过程制作在同一硅片上，因此容易获得特性相近的差分对管。上，因此容易获得特性相近的差分对管。 常用晶体管（或场效晶体管）恒流源代替电阻，高常用晶体管（或场效晶体管）恒流源代替电阻，高阻值电阻常采用外

6、接方式。阻值电阻常采用外接方式。 二极管采用晶体管构成。二极管采用晶体管构成。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出输入级：输入级：要求输入要求输入电阻高，电阻高，静态电流静态电流小，差模放大倍数小，差模放大倍数高，高，抑制零点漂移抑制零点漂移和共模干扰信号的和共模干扰信号的能力强能力强。16.1.2 电路的简单说明电路的简单说明16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍中间级：中间级：要求电压放大倍数高，要求电压放大倍数高，由由共发射极放大电路共发射极放大电路构构成：成：其其放大管采用复合管放大管采用复合管，以提高电流放大系数；

7、，以提高电流放大系数；集电集电极电阻采用极电阻采用晶体管晶体管恒流源恒流源代替，以提高电压放大倍数代替，以提高电压放大倍数。 输出端输出端输入端输入端 输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器的方框图运算放大器的方框图输入级采用差分放大电路。输入级采用差分放大电路。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出输出级：输出级：要求输要求输出电阻低，带负出电阻低，带负载能力强，载能力强，能输能输出足够大的电压出足够大的电压和电流。和电流。输出端输出端输入端输入端 输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器的方框图运算放大器的

8、方框图16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍偏置电路：偏置电路：为各级电路提供稳定和合适的偏置电流为各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，决定各级的静态工作点，采用采用各种各种恒流源电路恒流源电路。 在应用集成运算放大器时，需要知道它的几个管在应用集成运算放大器时，需要知道它的几个管脚的用途以及放大器的主要参数，无需关注内部电路。脚的用途以及放大器的主要参数，无需关注内部电路。采用互补功率放大电路或射极输出器。采用互补功率放大电路或射极输出器。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出最大输出电压最大输出电压UO

9、PP 能使输出能使输出电压电压和输入和输入电压电压保持不失真关系的最大保持不失真关系的最大输出电压。输出电压。开环电压放大倍数开环电压放大倍数Auo 没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数。没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。输入失调电压输入失调电压UIO 要使要使uo = 0，需在输入端加一个很小的补偿电压，即，需在输入端加一个很小的补偿电压，即输入失调电压，输入失调电压，其值其值愈小愈好。愈小愈好。16.1.3 主要参数主要参数16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介

10、绍回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出共模输入电压范围共模输入电压范围UICM 运算放大器应在规定的共模电压范围内，才对共运算放大器应在规定的共模电压范围内，才对共模信号具有抑制的性能。如超出这个电压，运放的模信号具有抑制的性能。如超出这个电压，运放的共共模抑制性能就大为下降，模抑制性能就大为下降，甚至造成器件损坏。甚至造成器件损坏。输入失调电流输入失调电流IIO 输入信号为零时两个输入端静态基极电流之差，输入信号为零时两个输入端静态基极电流之差，其值愈小愈好。其值愈小愈好。16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍输入偏置电流

11、输入偏置电流IIB 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，其大小主要和电路中第一级管子的性能有关。均值，其大小主要和电路中第一级管子的性能有关。其值愈小愈好。其值愈小愈好。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 理想化的条件理想化的条件开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Auo 差模输入电阻差模输入电阻 rid 开环输出电阻开环输出电阻 ro 0 共模抑制比共模抑制比 KCMRR 反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端开环电压放大倍开环电压放大倍数的理想化条件数的理想化条件方向方向16.1.4

12、 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据运算放大器的图形符号运算放大器的图形符号16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍-+u- -u+ +uo o回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 分析依据分析依据理想特性理想特性实际特性实际特性传输特性：传输特性：表示输出电压与输表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线。入电压之间关系的特性曲线。16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性 u+ + - u- uoO + +Uo(sat)- -Uo(sat)因

13、差模输入电阻因差模输入电阻rid，故故i+ i 0，称，称“虚断虚断”。oouAuuu有限值有限值无穷大无穷大0称称“虚短虚短” uu工作在线性区工作在线性区uuAuuoo-+u- -u+ +uo oi- -i+ +回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出工作在饱和区（非线性）工作在饱和区（非线性） 输出电压只有两种可能，即输出电压只有两种可能，即等于等于 + +Uo(sat) 或或 - -Uo(sat) 。i+ i 0当当 u+ u 时，时，uo = + +Uo(sat) 16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍运算放大器的传输

14、特性运算放大器的传输特性 u+ + - u- uoO + +Uo(sat)- -Uo(sat)uuAuuoo当当 u+ u 时，时，uo = - - Uo(sat) 回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 反相输入反相输入1iiRuuiFofRuuii1FouRRu平衡电阻：平衡电阻：R2 = R1 / RF ，其作用是消除静态基极电其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响。流对输出电压的影响。16.2.1 比例运算比例运算0 ii0uufi ii if ii +-+-R1RF R2uiuo -i+ i- u+ u- 回主页回主页 总目录总目录 章目录章目

15、录 上一页上一页 下一页下一页退出退出输出电压与输入电压是比例运算关系。输出电压与输入电压是比例运算关系。如果如果R1 和和RF 的阻值足够精确，而且运算放大器的的阻值足够精确，而且运算放大器的开环电压放大倍数很高，就可认为开环电压放大倍数很高，就可认为Auf只取决于只取决于RF与与R1 的比值而与运算放大器本身的参数无关。的比值而与运算放大器本身的参数无关。1FiofRRuuAu当当 RF = R1 时，时，uo = -ui ，为，为反相器反相器。负号表明负号表明 uo与与 ui 反相。反相。16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用回主页回主页 总目录

16、总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 同相输入同相输入uRRu1Fo11Fiof1RRuuAu1i0RuiFofRuuiAuf 为正值，表示为正值，表示 uo与与 ui 同相，且同相，且Auf 1 。Auf与运放本身的参数无关，其精度和稳定性很高。与运放本身的参数无关，其精度和稳定性很高。iuuu16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用+-+-R1RF R2uiuo -0 iifi ii if ii 当当 R1 = 或或 RF = 0 时，时，uo = ui ，为，为电压跟随器电压跟随器。i+ i- u+ u- 回主页回主页 总目录总

17、目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 uo只与电源电压和分压电阻有关，其精度和稳定只与电源电压和分压电阻有关，其精度和稳定性较高，可作为基准电压。性较高，可作为基准电压。例：例：试计算图中试计算图中uo的大小。的大小。16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用15k 7.5k -+-uo15k +15V解：解：V5 . 715151515ouu该电路是一电压跟随器。该电路是一电压跟随器。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出平衡电阻：平衡电阻：R2= R11 / R12 / RF2i12F1 i11F

18、ouRRuRRu 加法运算电路与运放本身的参数无关，只要电阻加法运算电路与运放本身的参数无关，只要电阻值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性。值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性。16.2.2 加法运算加法运算叠加定理的应用叠加定理的应用16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用if ii2 i+ i- u+ u- ii1 -+-R12RF R2ui1uo R11ui2111 ii1RuuiFofRuui0 ii0uufi2i1 iii122ii2Ruui回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出uRRu1Fo1

19、2i3 231F1uRRRRR1 i1FouRRu2i3 231F1 i1F1uRRRRRuRRooouuu16.2.3 减法运算减法运算当当 R1 = R2 ，RF = R3时，有时，有当当 R1 = R2 = R3 = RF 时，有时，有根据根据叠加定理叠加定理16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用if ii +-+-R1RF R2ui1uo -R3+ui2-1 i2i1FouuRRu1 i2iouuu回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出tuCRud1iF1otuCiCddFf1iiRuui当当ui为阶跃电压

20、，为阶跃电压，uitOUi- -Uo(sat)uotO16.2.4 积分运算积分运算ouuuC16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用if ii i+ i- u+ u- +-+-R1CF R2uiuo -+-uC0 iifi ii tCRUuF1io则则最后达到饱和值最后达到饱和值- -Uo(sat) 。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出tiCuCd1fFtuCRuRRud1iF1i1FoCuiRuufFo 上图为比例上图为比例- -积分调节器积分调节器( (简称简称PI调节器调节器) )。常用于。常用于自动控制

21、系统中，以保证系统的稳定性和控制的精度。自动控制系统中，以保证系统的稳定性和控制的精度。0uu1iifRuuii16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用例：例：试求图示电路试求图示电路uo与与ui的关系式。的关系式。if ii i+ i- u+ u- +-+-R1CF R2uiuo -+-uCRF0 iifi ii 回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出tuuCtuCiCddddi11ituCRuddi1Fo当当ui为阶跃电压时为阶跃电压时16.2.5 微分运算微分运算0uu16.2 16.2 运算放大器在信号运算方

22、面的应用运算放大器在信号运算方面的应用uitOUiif ii i+ i- u+ u- +-+-RFC1 R2uiuo -+-uC0 iifi ii FofRuuiuotO则则uo为尖脉冲电压为尖脉冲电压回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 上图为比例上图为比例- -微分调节器（简称微分调节器（简称PD调节器），在调节器），在控制系统中，控制系统中， 使调节过程中起加速作用。使调节过程中起加速作用。tuuCiCddi1tuCRuRRuddi1Fi1Fo16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用例：例：试求图示电路试求图

23、示电路uo与与ui的关系式。的关系式。if iR i+ i- u+ u- +-+-RFC1 R2uiuo -R1iC 0 iif iiiRCFofRuui1iRuuiR0uu回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出16.3.3 电压比较器电压比较器电压比较器的作用：电压比较器的作用：在比在比较器的输入端比较较器的输入端比较输入信输入信号号ui和和参考电压参考电压UR的大小，的大小，+-+-R1R2uiuo -+UR- 运算放大器工作在开环状态，由于开环电压放大运算放大器工作在开环状态，由于开环电压放大倍数很高，即使输入端有一个非常微小的差值信号，倍数很高，即

24、使输入端有一个非常微小的差值信号，也会使输出电压饱和也会使输出电压饱和。 因此运算放大器工作在饱和区因此运算放大器工作在饱和区( (即非线性区即非线性区) ) 。 在输出端以高电平或低电平（即为数字信号在输出端以高电平或低电平（即为数字信号1或或0）来来反映比较结果。反映比较结果。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出电压传输特性电压传输特性 +Uo(sat) Uo(sat)当当 ui UR ，即，即 u UR ，即，即 u u+ 时，时，uo = Uo (sat) uiuoOUR回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出

25、 过零电压比较器过零电压比较器Uo(sat)tuoO16.3 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用+-+-R1R2uiuo -电压传输特性电压传输特性 +Uo(sat) Uo(sat)uiuoO 利用过零电压比较器将正利用过零电压比较器将正弦波变为矩形波，即波形变换。弦波变为矩形波，即波形变换。+Uo(sat)tuiO回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出例：例：电路电路如图所示，输入电如图所示，输入电压压ui是一正弦电压，试分析是一正弦电压，试分析并画出输出电压并画出输出电压u1，u2和和uo的的波形波形。16.3 16

26、.3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用tuiOUo(sat)tu1O+Uo(sat)tu2O+Uo(sat)Uo(sat)tuoO+Uo(sat)解：解： 运算放大器构成过零比较器运算放大器构成过零比较器-+R1R2uiuo u2 u1 RRLDCRC组成微分电路组成微分电路二极管二极管D起削波作用起削波作用回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出 有限幅的过零电压比较器有限幅的过零电压比较器 设双向稳压二极管的稳压值为设双向稳压二极管的稳压值为UZ，忽略稳压管的，忽略稳压管的正向导通压降正向导通压降。 双向稳压二极管双向稳压二极

27、管电压传输特性电压传输特性+UZ UZ16.3 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用+-+-R1R2uiuo -DZ Uo(sat) +Uo(sat)uiuoO当当 ui 0，即，即 u+ 0，即，即 u+ u- 时，时，uo = +UZ回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出16.4.1 矩形波发生器矩形波发生器16.4.2 三角波发生器三角波发生器16.4.3 锯齿波发生器锯齿波发生器矩形波电压常用于数字电路中作为信号源。矩形波电压常用于数字电路中作为信号源。 锯齿波电压在示波器、数字仪表等电子设备中作锯齿波电压在示波器

28、、数字仪表等电子设备中作为扫描用。为扫描用。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出16.5.1 选用元件选用元件16.5.2 消振消振 集成运算放大器按其技术指标或按其内部电路或集成运算放大器按其技术指标或按其内部电路或按其每一集成片中运算放大器的数目等进行分类。按其每一集成片中运算放大器的数目等进行分类。 通常根据实际要求来选用。选好后，根据管脚图通常根据实际要求来选用。选好后，根据管脚图和符号图联接外部电路。和符号图联接外部电路。 通常外接通常外接RC消振电路或消振电容来破坏产生自激消振电路或消振电容来破坏产生自激振荡的条件。一般运算放大器内部已有消振

29、元件，毋振荡的条件。一般运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。须外部消振。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出16.5 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题16.5.3 调零调零16.5.4 保护保护 外接调零电路以解决由于运算放大器的内部参数外接调零电路以解决由于运算放大器的内部参数不完全对称时，当输入信号为零仍有输出信号的情况。不完全对称时，当输入信号为零仍有输出信号的情况。 输入端保护输入端保护 当输入端所加的差模或共模电压过高时会损坏输当输入端所加的差模或共模电压过高时会损坏输入级的晶体管。入级的晶体管。 在

30、输入端接入反向并联的二极管，将输入电压限在输入端接入反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下。制在二极管的正向压降以下。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出16.5 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题16.5.5 扩大输出电流扩大输出电流 电源保护电源保护 输出端保护输出端保护为防止输出电压过大，可用稳压二极管来保护。为防止输出电压过大，可用稳压二极管来保护。为防止正、负电源接反，可用二极管来保护。为防止正、负电源接反，可用二极管来保护。 运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要的电流较大时，可在输出端加接一级互补对称电路。的电流较大时，可在输出端加接一级互补对称电路。回主页回主页 总目录总目录 章目录章目录 上一页上一页 下一页下一页退出退出P119 16.2.3P119 16.2.3（虚断、虚短）（虚断、虚短） 16.2.616.2.6（基本公式）（基本公式）P121 16.2.12P121 16.2.12（虚断、虚短）（虚断、虚短） 16.2.1516.2.15（基本公式）（基本公式）