1、第第5 5章章 集成运算放大器集成运算放大器5.1 5.1 集成运放的基本组成集成运放的基本组成5.2 5.2 集成运放的基本特性集成运放的基本特性5.3 5.3 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈5.4 5.4 集成运放在模拟信号运算方面的应用集成运放在模拟信号运算方面的应用5.5 5.5 集成运放在幅值比较方面的应用集成运放在幅值比较方面的应用* *5.6 5.6 应用举例应用举例5.1 5.1 集成运放的基本组成集成运放的基本组成5.1.1 5.1.1 概述概述5.1.2 5.1.2 集成运放的输入级电路集成运放的输入级电路差分放大差分放大 电路电路5.1.3 5.1.3 集成运放的输
2、出级电路集成运放的输出级电路互补对称互补对称 电路电路5.1.4 5.1.4 集成运放的图形符号和信号输入方式集成运放的图形符号和信号输入方式5.1.1 5.1.1 概述概述 集成运放是一种具有很高的电压放大倍数，集成运放是一种具有很高的电压放大倍数，性能优越，集成化的多级放大器。性能优越，集成化的多级放大器。类型：通用型、专用型类型：通用型、专用型集成运放的基本组成框图集成运放的基本组成框图 o 输入级输入级o 中间级中间级o 输出级输出级o 偏置电路偏置电路多级放大器的耦合方式：多级放大器的耦合方式：阻容耦合阻容耦合直接耦合直接耦合变压器耦合变压器耦合5.1.2 5.1.2 集成运放的输入
3、级电路集成运放的输入级电路 差分放大电路差分放大电路电路特点：对称；双湍输电路特点：对称；双湍输 入，双湍输出。入，双湍输出。1.1.静态分析静态分析120iiuu12,BBII12,CCII12CCuu120oCCuuu温度变化引起的漂移温度变化引起的漂移 12,BBii12,CCii12CCuu120oCCuuu2.2.动态分析动态分析o 差模信号输入差模信号输入差模信号差模信号 12,iiuu 大小相同，极性相反。大小相同，极性相反。 12iiuu与111222,ibcibcuiiuii、11bcii、分别与分别与22bcii、大小相同，方向相反大小相同，方向相反 ；12oouu与大小相
4、同，极性相反。大小相同，极性相反。12ooouuu故 ，有输出电压，具有放大作用。有输出电压，具有放大作用。记差模放大倍数为记差模放大倍数为dAo 共模信号输入共模信号输入共模信号共模信号 12iiuu12iiuu与大小和极性均相同。大小和极性均相同。 理想情况理想情况电路完全对称电路完全对称0ou 无放大作用无放大作用 实际电路，实际电路，0,ou 但很小。但很小。 cA共模抑制比共模抑制比 1dCMRcAKA记共模放大倍数为记共模放大倍数为 o 双端输入，双端输出；双端输入，双端输出；o 双端输入，单端输出；双端输入，单端输出；o 单端输入，双端输出；单端输入，双端输出；o 单端输入，单端
5、输出。单端输入，单端输出。差分放大电路的输入差分放大电路的输入输出方式：输出方式：5.1.3 5.1.3 集成运放的输出级电路集成运放的输出级电路 互补对称电路互补对称电路静态时，静态时，0EUiu1T动态时，在动态时，在正半周，正半周， 导通，导通，21TT导通、截止，电流回路：电流回路： 1CCLoUTRu正半周正半周 在在 负半周，负半周，iu2T 截止，电流回路：电流回路： 2CCLoURTu负半周负半周5.1.4 5.1.4 集成运放的图形符号和信号输入方式集成运放的图形符号和信号输入方式o 图形符号图形符号 ININOUT反相输入端反相输入端 同相输入端同相输入端 输出端输出端信号
6、传递方向信号传递方向输入端输入端输出端输出端o 信号输入方式：信号输入方式： 反相输入方式；反相输入方式；同相输入方式；同相输入方式；差分输入方式。差分输入方式。5.2 5.2 集成运放的基本特性集成运放的基本特性5.2.1 5.2.1 集成运放的主要参数集成运放的主要参数5.2.2 5.2.2 集成运放的电压传输特性和电路模型集成运放的电压传输特性和电路模型5.2.3 5.2.3 集成运放的理想特性集成运放的理想特性5.2.1 5.2.1 集成运放的主要参数集成运放的主要参数 1. 1.输入失调电压输入失调电压 2. 2.输入失调电流输入失调电流 3. 3.输入输入偏置电流偏置电流 4. 4
7、.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 5. 5.最大差模输入电压最大差模输入电压 6. 6.最大共模输入电压最大共模输入电压 9.9.共模抑制比共模抑制比 7. 7.最大输出电压最大输出电压 8. 8.最大输出电流最大输出电流 10.10.输入电阻输入电阻11.11.输出电阻输出电阻 12.12.电源电压电源电压 IOuIOIOAIBImaxidUmaxicUmaxoImaxoUCMRKirorCCU5.2.2 5.2.2 集成运放的电压传输特性和电路模型集成运放的电压传输特性和电路模型o 电压传输特性电压传输特性()oiuf u()iuuu线性区：线性区：00()oiuAuA uu0A
8、()iiuu即极小。因因很大，故线性区很窄，很大，故线性区很窄，饱和区：饱和区： ,iioouUuU,iioouUuU正饱和正饱和负饱和负饱和 线性工作区模型线性工作区模型o 电路模型电路模型 iu,ou输入电压输入电压控制输出电压控制输出电压即为电压控制电压源的模型。即为电压控制电压源的模型。 5.2.3 5.2.3 集成运放的理想特性集成运放的理想特性o 理想化参数：理想化参数：开环电压增益开环电压增益 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 共模抑制比共模抑制比 0A ir 0or CMRKo 线性区工作的两个重要特性：线性区工作的两个重要特性：uu0iio 理想的电压传输特性理想的电压传输
9、特性uuuu正饱和正饱和负饱和负饱和o 集成运放工作状态的判断集成运放工作状态的判断开环工作开环工作 饱和区饱和区闭环正反馈闭环正反馈 饱和区饱和区闭环负反馈闭环负反馈 线性区线性区5.3 5.3 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈5.3.1 5.3.1 反馈的基本概念反馈的基本概念5.3.2 5.3.2 负反馈的四种类型负反馈的四种类型5.3.3 5.3.3 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响5.3.1 5.3.1 反馈的基本概念反馈的基本概念反馈反馈将电路的输出信号（电压和电流）的一部将电路的输出信号（电压和电流）的一部 分或全部通过一定的电路（反馈电路）送分或全部通过
10、一定的电路（反馈电路）送 回至电路的输入回路。回至电路的输入回路。 负反馈负反馈反馈信号反馈信号 fx与输入信号与输入信号 ix极性相反极性相反 正反馈正反馈反馈信号反馈信号 fx与输入信号与输入信号 ix极性相同极性相同 负反馈用于放大电路，正反馈用于振荡电路。负反馈用于放大电路，正反馈用于振荡电路。对于负反馈对于负反馈difxxx反馈系数反馈系数 foxFx开环放大倍数开环放大倍数 0odxAx00(1)idfdodddxxxxFxxFA xxFA闭环放大倍数闭环放大倍数 0000(1)1odfidxA xAAxxFAFA011FA（深度负反馈深度负反馈） 000011fAAAFAFAF当
11、当 dxixfxox0AF5.3.2 5.3.2 负反馈的四种类型负反馈的四种类型o 按输入回路连接方式：按输入回路连接方式： 串联反馈串联反馈输入量反馈量净输入量输入量反馈量净输入量 以电压形式比较以电压形式比较 difUUU并联反馈并联反馈输入量反馈量净输入量输入量反馈量净输入量以电流形式比较以电流形式比较 difIIIo 按输出回路连接方式：按输出回路连接方式： 电压反馈电压反馈 反馈量取决于输出电压反馈量取决于输出电压 电流反馈电流反馈 反馈量取决于输出电流反馈量取决于输出电流四种类型：四种类型： 电压串联负反馈电压串联负反馈 电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈
12、电流并联负反馈电流并联负反馈1.1.电压串联负反馈电压串联负反馈如何判定图中各电压极性？用瞬时极性法判定！用瞬时极性法判定！输入回路输入回路 difuuu反馈电压反馈电压 fofRuuRR2.2.电流并联负反馈电流并联负反馈 如何判定图中各电流方向？输入回路输入回路 difiii反馈电流反馈电流 foLRiiRR3.3.电压并联负反馈电压并联负反馈 各电流方向如图各电流方向如图输入回路输入回路 difiii反馈电流反馈电流 offuuiR4.4.电流串联负反馈电流串联负反馈 各电压极性如图各电压极性如图 输入回路输入回路 difuuu反馈电压反馈电压 fouRi5.3.3 5.3.3 负反馈对
13、放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响1.1.提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性在深度负反馈下在深度负反馈下0011fAAFAF0022000(1)1(1)(1)fdAFAFAdAFAFA00011ffdAdAAFAAffdAA表示闭环放大倍数相对变化量表示闭环放大倍数相对变化量 00dAA表示开环放大倍数相对变化量表示开环放大倍数相对变化量 00ffdAdAAA闭环放大倍数稳定性高闭环放大倍数稳定性高 即即 2.2.减小非线性失真减小非线性失真 无负反馈无负反馈 有负反馈有负反馈 3.3.扩展通频带扩展通频带 4.4.改变输入电阻和输出电阻改变输入电阻和输出电阻串联反馈使输入电阻
14、增大串联反馈使输入电阻增大 并联反馈使输入电阻减小并联反馈使输入电阻减小 电压反馈使输出电阻减小电压反馈使输出电阻减小 电流反馈使输出电阻增大电流反馈使输出电阻增大hfhff 例题例题 在图示电压串联负反馈电路中，设在图示电压串联负反馈电路中，设100,10,fbRKRRK负载电阻负载电阻 LR不接，输入电压不接，输入电压 为直流电压为直流电压0.1V0.1V，集成运放的，集成运放的 iu开环电压放大倍数开环电压放大倍数010000A ，输入电阻，输入电阻 500irK，输出电阻，输出电阻 500or 。试用集成运放的电路模型求此电路的输出电压试用集成运放的电路模型求此电路的输出电压 ,ou闭
15、环电压放大倍数闭环电压放大倍数 fA 、输入电阻输入电阻 ifr和输出电阻和输出电阻 ofr 。 解解 集成运放用电路模型表示后，原电路可画成右上图集成运放用电路模型表示后，原电路可画成右上图所示的等效电路，据图列出方程：所示的等效电路，据图列出方程：000()()()RifbiiRifofRi iiiiRr iRiuRr iRiA uuA ri代入参数可解得电流：代入参数可解得电流：522.07109.999.99ifRifiAiAiiiA输出电压输出电压 01.099oifuA riV闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数 10.99ofiuAu输入电阻输入电阻 为求输出电阻，令为求输出电阻，令
16、 453iifiurMi0iu 得图得图 012()()/ / ofibuA uuuiiirRrRR整理后代入参数得整理后代入参数得0.6ofuri可见，可见， 453500,0.6500ifioforMrKrr()iruu和均很小，（理想特性均很小，（理想特性 0,)iiuu。5.4 5.4 集成运放在模拟信号运算方面的应用集成运放在模拟信号运算方面的应用5.4.1 5.4.1 比例运算电路比例运算电路5.4.2 5.4.2 加、减运算电路加、减运算电路5.4.3 5.4.3 积分、微分运算电路积分、微分运算电路5.4.1 5.4.1 比例运算电路比例运算电路输出电压与输入电压成比例无系。输
17、出电压与输入电压成比例无系。oiuKu1.1.反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路 电路构成负反馈，集成运放工作在线性区。0ii0buuR i反相输入端非接地，但电位为地（零）电位 “虚地”1iifuuuiiRRfoffiRuR iuR fofiRuAuR fRR、的阻值一般取的阻值一般取 11kM。得得 即即 fRRoiuu 反相器反相器1,fA 电路的输入电阻 iifiurRi平衡电阻 /bfRRR当当 2.2.同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路 0ii iuuuifRuuiiRR(1)ffoffiiiRRuuR iuuuRR1fofiRuAuR即即 当当 0fRR 或1,fA
18、oiuu电压跟随器电压跟随器电路的输入电阻电路的输入电阻 iifiuri 集成运放承受的共模电压集成运放承受的共模电压 ciuuuu/bfRRR5.4.2 5.4.2 加、减运算电路加、减运算电路1. 1. 加法运算电路加法运算电路 根据根据 0,0iiuu得得 121212iifuuiiiRR1212()ffoffiiRRuR iuuRR 如取如取 12RRR12()foiiRuuuR 和放大和放大 12fRRR12()oiiuuu 加法运算加法运算 如取如取 2. 2. 减法运算电路减法运算电路3223iRuuuRR11111ffiofiRRuuuuRuuuRRR111(1)ffiRRuu
19、RR13211231ffiiRRRRuuRRRR常取常取 1234,RRRR则则 211()foiiRuuuR差分放大差分放大 当取当取 123fRRRR得得 21oiiuuu减法运算 集成运放承受的共模电压集成运放承受的共模电压3223ciRuuuuRR（此电路也可用叠加原理分析输入、输出关系）双运放同相输入减法运算电路双运放同相输入减法运算电路12112oiRRuuR用叠加原理分析输入、输出关系式：用叠加原理分析输入、输出关系式：当当1ou单独作用时，单独作用时， 221221111121(1)ooiiRRRRRuuuuRRRR 2iu单独作用时，输出电压分量：单独作用时，输出电压分量：
20、当当221(1)oiRuuR 输出电压分量：输出电压分量： 得得 2211(1)()oooiiRuuuuuR特点：输入电阻大特点：输入电阻大 例题例题5.4.2 5.4.2 图示由差分输入运算电路和电桥组成的测温图示由差分输入运算电路和电桥组成的测温电路。其中电路。其中 为热敏电阻，设电阻温度系数为热敏电阻，设电阻温度系数 在在 时的阻值时的阻值 为精密固定电阻，且为精密固定电阻，且 TR314 10 ()C0 C051R ；123RRR、和求当环境温度求当环境温度T T分别为分别为2525和和55时的输出电压时的输出电压12351RRR；4510RRk，67100RRk；10UV。试试 0u
21、 。 解解 在在2525时，时，TR的阻值为的阻值为 因因 4567RRRR、 、的阻值远大于的阻值远大于 23,RR、故0(1)TRT R3(14 1025) 5156.164()oabRuuuR100(54.762)2.3810V同理，在同理，在55时时3(14 105)5149.98TR51105.0515149.98buV100(55.051)0.5110ouV 2125110551 51aRuUVRR3351104.7625156.1bTRuUVRR5.4.3 5.4.3 积分、微分运算电路积分、微分运算电路1.1.积分运算电路积分运算电路 o 基本积分电路基本积分电路 0ii0uu
22、iCiuiiR设电容电压初始值为设电容电压初始值为 (0)Cu1(0)oCCCCuuuuui dtC 1(0)Ciui dtC 1(0)Ciuu dtRC 当当(0)0,Cu1oiuu dtRC 当输入电压为直流电压时，当输入电压为直流电压时，,iiuU即得ioUutR C 输入、输出电压波形如图输入、输出电压波形如图 o 比例积分电路比例积分电路 1()ofiiuR ii dtC 1()foiiRuuu dtRRC ,iiuU当（直流）得()fioiRUuUtRRC o 和积分电路和积分电路 1211()oCui dtiidtCC 12121()iiuudtCRR 12,RRR当当121()
23、oiiuuudtRC 积分电路可将矩形波电压变换为三角波电压。积分电路可将矩形波电压变换为三角波电压。 例题例题5.4.3 5.4.3 在图示电路中，在图示电路中，设设 储储能），储储能），100,Rk10CF（无初始（无初始0t 在,Iu时输入电时输入电压压其波形如图所示。其波形如图所示。 试写出试写出 05ts 期间输出电压期间输出电压ou的表达式，并画出其波形图。的表达式，并画出其波形图。 解解 101 ,1IIts uUV （）在，361( )100 1010 10IoUu ttttRC 1ts在时，时，(1 )1ousV。(2)13 ,1,IIts uUV在( )(1 )(1)Ioo
24、UutustRC1(1)2tt 3 ,ts在(3 )1ousV 。335 1 ,IItsuUV （）在，( )(3 )(3)IooUutustRC1(3)4tt 5ts在，(5 )1ousV。波形如图。波形如图。 ou 例题例题5.4.4 5.4.4 图示电路中，集成运放的电源电图示电路中，集成运放的电源电压为压为 15 ,V123410,20,100,fRRkRRkRk1,CF0t 在时加入时加入 120.6 ,0.5 ,iiuV uV电容无初始储能。试求电容无初始储能。试求 输出电压上升到输出电压上升到6V6V所需的时间。所需的时间。 解解 集成运放集成运放 1A等构成差值放大电路，等构成
25、差值放大电路， 2A等构成基本积分等构成基本积分电路。电路。131211231ffoiiRRRRuuuRRRR21120()(0.50.6)0.210fiiRuuVR 141oouudtR C 360.2210010110t6,ouV当当 6322outs2.2.微分运算电路微分运算电路0,fCuuiiofff CuR iR i Cfd uRCd t CiuuiofduuR Cdt 微分电路可将矩形波变换成正负尖脉冲波。微分电路可将矩形波变换成正负尖脉冲波。5.5 5.5 集成运放在幅值比较方面的应用集成运放在幅值比较方面的应用 5.5.1 5.5.1 开环工作的比较器开环工作的比较器 5.5
26、.2 5.5.2 滞回比较器滞回比较器5.5.1 5.5.1 开环工作的比较器开环工作的比较器1.1.反相输入比较器反相输入比较器 开环状态开环状态集成运放工作在非线性区。集成运放工作在非线性区。iu输入电压输入电压 RU参考电压参考电压 ,iRuU当当 运放正饱和，oOHuU,iRuU运放负饱和， oOLuU2.2.同相输入比较器同相输入比较器,iRuUoOLuU,iRuUoOHuU3.3.输出加限幅电路的比较器输出加限幅电路的比较器 4.4.过零比较器过零比较器 (0RU即）可将其它波形变换为矩形图可将其它波形变换为矩形图。如输入为正弦波，输出为方波。如输入为正弦波，输出为方波。 5.5.
27、2 5.5.2 滞回比较器滞回比较器集成运放同相输入端电压集成运放同相输入端电压 闭环正反馈闭环正反馈集成运放工作在非线性区集成运放工作在非线性区u由输出电压由输出电压 ou和参考电压和参考电压 RU共同确定。共同确定。222fRoffRRuUuRRRR设加电源后集成运放正饱和，设加电源后集成运放正饱和， ,oOHuU并设并设 0,RU222fHROHffRRuUUURRRR（正值）（正值） 加入加入 ,Iu当当 Iu增大至增大至 ,IHuU运放负饱和，运放负饱和，,oOLuU222fLROLffRRuUUURRRR当当 Iu减小至减小至 ,ILuU运放运放正饱和正饱和，oOHuU。0,RU2
28、22fROLffRRUURRRR当当 时的电压传输特性如图时的电压传输特性如图 。主要参数主要参数正向阈值电压正向阈值电压 THHUU负向阈值电压负向阈值电压 TLLUU滞回电压（回差）滞回电压（回差）TTHTLUUU滞回电压滞回电压 22()TOHOLfRUUURR改变改变 22fRRR值，可改变值，可改变 THTLTUUU、；改变改变 ,RU可使电压传输特性左、右移动。可使电压传输特性左、右移动。 当当 0,RU如图如图 ：22THOHfRUURR22TLOLfRUURR22()TOHOLfRUUURR（正值正值） （负值负值） （不变不变） 例题例题5.5.1 5.5.1 分析图示方波分
29、析图示方波- -三角波产生电路的工作原理。三角波产生电路的工作原理。 解解 电路由电电路由电压压比较器和基本积分电比较器和基本积分电路构成。集成运放路构成。集成运放 工作在非线性区，工作在非线性区， 工作在线性区。工作在线性区。1A2A 设加电源后，集成设加电源后，集成运放运放 正饱和，电容正饱和，电容C无初始储能。则无初始储能。则 1A1ozuU210551tZooUuu dttR CR C （下降）（下降） 集成运放集成运放 同相输入端电压同相输入端电压1A1221212HoZRRuuURRRR当当2ou下降至使下降至使 0Hu12021212ZRRuURRRR 即221oZRuUR 集成
30、运放集成运放1A负饱和，负饱和， 1oZuU 22115()ZoZRUuUttRR C 1221212LoZRRuuURRRR此时集成运放此时集成运放 同相输入端电压同相输入端电压1A而而 （上升）（上升） 当当 上升至使上升至使2ou0Lu221oZRuUR1221212oZRRuURRRR即即 集成运放集成运放1A正饱和，正饱和，1oZuU。以后重复。以后重复。 5.6 5.6 应用举例应用举例 温度监测控制电路温度监测控制电路 电路包含：温度传感器、电压跟随器、加法定标电路、电路包含：温度传感器、电压跟随器、加法定标电路、滞回比较器、反相器、光电耦合器、继电器、加热器等。滞回比较器、反相
31、器、光电耦合器、继电器、加热器等。o 温度传感器温度传感器： 温度：温度：01000100: 7355 153TR11TCCTRUURR 1OTUU0.97 11.54V o 加法定标电路加法定标电路120.97 11.54010OOUVVUV要求：要求：110.97OO LUUV 220OO LUU1410O LCCPUURR得得 即当即当141154.6CCPO LURRkU 时时当当1111.54OO HUUV 时，时，2210OOHUUV2226211141010.57OO HO LPfOO HO LUUURRAUUUR 624109.4610.57PRRRk32OOUUo 滞回比较器
32、滞回比较器 14531214ORUURR13115511131113RORRUUURRRR在加温时，集成运放在加温时，集成运放 5A正饱和，正饱和，55OO HUU当温度上升至控温范围上限时，当温度上升至控温范围上限时， 55,UU集成运放集成运放5A负饱和。负饱和。 65OOUU （反相作用）（反相作用） 光电耦合器件光电耦合器件o 光电耦合和加温电路光电耦合和加温电路 1T K K 继电器继电器当当6OU为低电平时，为低电平时， 12TT、导通，继电器线导通，继电器线 圈带电，触头闭合，加热器工作；圈带电，触头闭合，加热器工作；当当6OU为高电平时，停止加热。为高电平时，停止加热。本章结束返回目录第6章 波形产生和变换
