1、第第5 5章章 集成运算放大器集成运算放大器 集成运放实质上是一种双端输入、单端集成运放实质上是一种双端输入、单端输出的具有高电压放大倍数，高输入阻抗、输出的具有高电压放大倍数，高输入阻抗、低输出阻抗的多级直接耦合放大器。它主要低输出阻抗的多级直接耦合放大器。它主要用来实现模拟信号的运算及处理，在模拟电用来实现模拟信号的运算及处理，在模拟电子线路中得到了广泛的应用。子线路中得到了广泛的应用。LM741 1 2 3 48 7 6 5 741761432582 2反相输入端反相输入端6 6输出端输出端3 3同相输入端同相输入端4 4正电源端正电源端7 7负电源端负电源端8 8闲置端闲置端（NC）1
2、 1、5 5接调零电位器接调零电位器运放举例：运放举例：LM741LM741集集 成成 度度 分分 类：类：SSISSI、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI5.1 5.1 概述概述集成运放器的内部电路构成集成运放器的内部电路构成 集成运算放大器的输入级都采用差动放大电集成运算放大器的输入级都采用差动放大电路（双端输出），中间级一般都是共发射极路（双端输出），中间级一般都是共发射极电压放大电路，输出级由互补对称功放电路电压放大电路，输出级由互补对称功放电路和射极输出器组成。和射极输出器组成。unA2uA1uAiuou21iouu32iouu输入级输入级中间级中间级激励级激励级输出级输出
3、级前置级前置级集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Auo Auo是决定运放电路稳是决定运放电路稳定性和运算精度的重要因定性和运算精度的重要因素，希望素，希望Auo越大越好。越大越好。dBUUAiouolg20 2.最大输出电压最大输出电压UoPP 在一定电源电压下，集成运放输出电压和输入电在一定电源电压下，集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压峰值。其值比电源压保持不失真关系的最大输出电压峰值。其值比电源电压小。如电源电压为电压小。如电源电压为15V，该值约为，该值约为12V左右。左右。3.最大差模输入电压最大差模输入电压
4、Uidmax Uidmax是指集成运放的反相输入端和同相输入端是指集成运放的反相输入端和同相输入端之间所能承受的最大电压。之间所能承受的最大电压。4.最大共模输入电压最大共模输入电压Uicmax Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，超过这个值，共模抑制比明显下降，甚至造成器件损坏。超过这个值，共模抑制比明显下降，甚至造成器件损坏。5.差模输入电阻差模输入电阻rid rid是指集成运放两个输入端之间的电阻值。是指集成运放两个输入端之间的电阻值。rid越大越大越好，它标志集成运放输入端向差模信号源索取信号能越好，它标志集成运放输入端向差模信号
5、源索取信号能力的大小。力的大小。6.输出电阻输出电阻ro ro是指集成运放输出级的输出是指集成运放输出级的输出电阻。它反应了运放带负载的能力。电阻。它反应了运放带负载的能力。7.共模抑制比共模抑制比KCMRR KCMRR是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数与共模是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数与共模输入电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称输入电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称程度。程度。KCMRR越大，运放抑制共模信号的能力就越强。越大，运放抑制共模信号的能力就越强。理想集成运算放大器理想集成运算放大器 理想集成运放的电路模型理想集成运放的电路模型uuou 理想集
6、成运放及其分析依据理想集成运放及其分析依据uoA :)1(开环差模放大倍数理想集成运放的传输特性是指输出电理想集成运放的传输特性是指输出电压与净输入电压之间关系的特性曲线。压与净输入电压之间关系的特性曲线。如右图所示：如右图所示：理想集成运放的理想集成运放的传输特性传输特性实际特性实际特性理想特性理想特性 uuou0o(sat)Uo(sat)Uid :)2(r差模输入电阻CMRR :)3(K共模抑制比0 :)4(or开环输出电阻传输特性的特点传输特性的特点 传输特性可分为线性区和非线传输特性可分为线性区和非线性区。所以，运算放大器可工作在性区。所以，运算放大器可工作在线性区也可工作在非线性区，
7、但是，线性区也可工作在非线性区，但是，其分析方法不一样。其分析方法不一样。线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区当理想运放工作在线性区时：当理想运放工作在线性区时：uu1.理想运放的两个输入端的电位相等理想运放的两个输入端的电位相等虚短虚短0 uA而)(0uuAuuo00uoAuuu有限值有限值uuou uuou0o(sat)Uo(sat)U教材教材P2P20707例例2.理想运放的两个输入端的输入电流为零。理想运放的两个输入端的输入电流为零。0ii虚断虚断idruuouiiidr当理想运放工作在非线性区时：当理想运放工作在非线性区时：1.理想运放的两个输入端的输入电流为零。理想运放的两
8、个输入端的输入电流为零。0ii虚断虚断2.输出电压有两种取值可能输出电压有两种取值可能uuou当当)(satooUuuu )(satooUuuu uu只是两种状态的转换点只是两种状态的转换点（正饱和值）（正饱和值）（负饱和值）（负饱和值）0 uuouo(sat)Uo(sat)U概述：概述：利用运放器的线性工作区可实现输出、利用运放器的线性工作区可实现输出、输入信号之间的线性运算关系：如输入信号之间的线性运算关系：如比例、加减、比例、加减、积分与微分积分与微分等运算，它们都是运放器的线性应等运算，它们都是运放器的线性应用，且都适用于叠加原理。用，且都适用于叠加原理。要保证运放器工作在线性区，在运
9、放器构成要保证运放器工作在线性区，在运放器构成的各种运算电路中，就必须引入深度负反馈，以的各种运算电路中，就必须引入深度负反馈，以降低整个放大电路的放大倍数，从而扩大输入信降低整个放大电路的放大倍数，从而扩大输入信号的范围。号的范围。5.2 集成运放的线性应用比例运算比例运算 反相比例运算反相比例运算ouiufu2R1RfR1ifi uuii0 因为输入信号从反相输入端输入，所以，因为输入信号从反相输入端输入，所以，称为反相输入。称为反相输入。R Rf f 反馈电阻反馈电阻 R R2 2 平衡电阻用于消除平衡电阻用于消除静态基极电流对输出电静态基极电流对输出电压的影响压的影响 R R2 2=R
10、=R1 1RRf f 运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用001 uuuiiffofofiiRuRuuiRuRuui 1111RRuuAfiouf ifouRRu1 ouiufu2R1RfR1ifi当当R1=Rf时时1ufAiouu 反馈类型反馈类型 电压并联负反馈电压并联负反馈反相器与运放本身的参与运放本身的参数无关，保证了数无关，保证了比例运算的精度比例运算的精度和稳定性。和稳定性。输入电阻降低，输入电阻降低，输出电阻降低。输出电阻降低。同相比例运算同相比例运算ouiufu2R1RfR1ifiiifuuuuuii 1foifofiiRuuRuuiRuRui1110ifouRRu
11、)1(1 )1(1RRuuAfiouf 反馈类型反馈类型 电压串联负反馈电压串联负反馈输入电阻增高，输出电阻降低。输入电阻增高，输出电阻降低。duouiufu2R1RfR1ifi)1(1RRuuAfiouf ouiufu2R1R1ifiouiufu2RfRfi1)1(fioufRuuA1)01(1 RuuAiouf电压跟随器电压跟随器反相比例加法运算反相比例加法运算i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路 在反相端输入若干路信在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路号，构成反相加法运算电路 131211fiiii)(313212111oififi
12、fuRRuRRuRRufofRui11111Ruii12212Ruii13313Ruii由此得1131211RRRR当当时，时，fRR 1再若再若，则，则)(3211oiiifuuuRRu)(321oiiiuuuu uuii0减法（差动）运算减法（差动）运算 当运放的两个输入当运放的两个输入端都加入信号时称为差端都加入信号时称为差动输入，如图。动输入，如图。2323iuRRRu 11111RuuRuuiii fofofRuuRuui uRRuRRufifo)1(1112323111)(1(ififouRRRRRuRRu fRRRR321)(121iifouuRRu uuii0ou2iufu2R
13、1RfR1ifi1iu3R积分运算积分运算 如果将反馈电阻换成如果将反馈电阻换成电容，则比例运算电路就电容，则比例运算电路就变成了积分电路。如图：变成了积分电路。如图：ouiufu2R1RfC1ificu uuii00u11Ruiiif dtuCRdtiCuuifffco111iu0iUt0out)(0 satU负号表示输出与输入反相负号表示输出与输入反相当当ui为阶跃信号时为阶跃信号时tCRUufio1最后达到负的饱和值最后达到负的饱和值 右图是在控制和测量右图是在控制和测量系统中常用的比例系统中常用的比例-积分积分调节器（调节器（PIPI调节器）：调节器）：)1(11odtuCRuRRui
14、FiFui1uo +-R2CFi1R1PI调节器调节器ifucRF 可视为可视为反相比例运算反相比例运算和和积分运算积分运算的叠加。的叠加。与前面学过的与前面学过的RCRC积分电路相比，运放所积分电路相比，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。好。这是因为充电电流基本恒定。11fRUiii微分运算微分运算 微分运算是积分运算的逆微分运算是积分运算的逆运算，所以，如果将输入电阻运算，所以，如果将输入电阻换成电容，则比例运算电路就换成电容，则比例运算电路就变成了微分电路。变成了微分电路。1Couiufu2RfR1ifi uu
15、ii00 uudtduCiiif11 dtduCRiRuifffo1 当当ui为阶跃信号时，为阶跃信号时，uo为尖脉冲电压为尖脉冲电压输出电压输出电压与输入电压的一次微分成正比。与输入电压的一次微分成正比。iu0iUt0out 下图是在控制系统中使调节过程加速的比例下图是在控制系统中使调节过程加速的比例微分调节器（微分调节器（PDPD调节器）。调节器）。iu0iUt0outPD调节器uiuo+-R2C1iciRRFifR1iFiFRFFuRRdtduCRiiRiRu11cfo)(-+-+-+R123-+-+-+2R1u0U2=2V23U1=1V2R2R2R2R2Ru02u01例题分析例题分析例
16、例1 1：理想运放构成的电路如图所示，求输出：理想运放构成的电路如图所示，求输出u0解：解：VUu2201VURRuf2)1(1102VuuRRuf021)1(020110例例2 2：理想运放构成的电路如图所示，求输出：理想运放构成的电路如图所示，求输出电压与输入电压的关系。电压与输入电压的关系。RRRFRRRCuiR1R1RFRRFRA1 A2u0u01ucic解：解：iFiFFFuRRuuRRuRRRRu101011101R)1(001uudtduRCucc0010udtduRCuRRuiFdtuRCRRuiF10iFuRRdtduRC10 运放除了能完成信号的运算，还能完运放除了能完成信
17、号的运算，还能完成信号滤波、采样保持及信号比较等成信号滤波、采样保持及信号比较等处理工作。处理工作。电压比较器电压比较器有源滤波器有源滤波器采样保持电路采样保持电路运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面的应用5.3 集成运放的非线性应用电压比较器电压比较器ouiuRU)()(0satoosatooUuuuUuuuii0RUouiu)(satoU)(satoU 该电路是对输该电路是对输入电压入电压ui进行比较进行比较和鉴别的电路，是和鉴别的电路，是集成运放非线性应集成运放非线性应用的基本电路。用的基本电路。集集成运放工作在开环成运放工作在开环或正反馈状态。或正反馈状态。工作原理工作原理（1）
18、UR为参考电压，加在同相输为参考电压，加在同相输入端。输入电压入端。输入电压ui加在反相输入端。加在反相输入端。（3）其电压传输特性如图所示）其电压传输特性如图所示:（2）当）当uiUR时时,输出电压输出电压uo=-U(sat）。如果输入信号是正弦信号如果输入信号是正弦信号:RU0iutou)(satoU)(satoU0t0RUouiu)(satoU)(satoU 调节调节UR的大小的大小,可以改变输出波形正负半周的可以改变输出波形正负半周的宽度。如果宽度。如果UR=0,则构成过零比较器。则构成过零比较器。)()(0satoosatooUuuuUuuuiiouiuRU过零比较器过零比较器:0o
19、uiu)(satoU)(satoU传输特性传输特性0iutou)(satoU)(satoU0t 如果想限制输出电压的大小如果想限制输出电压的大小,可以在输出端接双向稳压管。可以在输出端接双向稳压管。0ouiuzUzUouiu电路电路ZD 滞回比较器滞回比较器:在许多应用电路中在许多应用电路中,要求电压比较器的传输特性具有滞回特性。要求电压比较器的传输特性具有滞回特性。这样，在输入信号为变化缓慢的信号或信号幅值较小时，可以消这样，在输入信号为变化缓慢的信号或信号幅值较小时，可以消除干扰对输出电压的影响。除干扰对输出电压的影响。传输特性传输特性电路的构成电路的构成ouiufR1R2R3RfuuZD
20、0ouiuzUzUthLuthHu电路电路特点特点 R2和和Rf组成正反馈电路，输出电压必为高、组成正反馈电路，输出电压必为高、低两种电平低两种电平。同时正反馈的引入，同时正反馈的引入，也也加快了电加快了电压比较器状态的翻转。压比较器状态的翻转。工作过程分析工作过程分析0:iuIfZoUu iiuuZoUuiiuuZfthHURRRU22022ZfthLURRRUZoUu0ouiuzUzUthLuthHuouiufR1R2R3RfuuZD 可见：输出电压的变化总是滞后于输入可见：输出电压的变化总是滞后于输入电压的变化，所以叫滞回比较器。电压的变化，所以叫滞回比较器。0iutZfURRR 22Z
21、fURRR 22ZUouZU0t有源滤波器有源滤波器 滤波器是一种选频电路。按选择频率范围的不滤波器是一种选频电路。按选择频率范围的不同，同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。将将RCRC组成的无源滤波器再接到运放器的同相输组成的无源滤波器再接到运放器的同相输入端而构成有源滤波器（因运放器是有源器入端而构成有源滤波器（因运放器是有源器件），其性能会得到较大的改善：体积小、效件），其性能会得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。率高、频率特性好等。在此仅介绍有源低通滤波和有源高通滤波器在此仅介绍有源低通滤波和有源高通滤波器有源低通滤波器有源低通滤波
22、器电路的组成电路的组成ouiufR1RCRCu工作原理工作原理RCjUUCjRCjUUiiC 111 URRUfo)1(10111111jRRRCjRRUUffio RC10 截止角频率截止角频率0010111)(jARCjRRUUjTuffi电路的频率特性电路的频率特性200)(1|)(|)(ufAjTA0arctan)(画出其幅频、相频特性为：画出其幅频、相频特性为：0)(|)(|00ufAjT4-)(2|)(|000ufAjT2-)(0|)(|jT|0ufA|210ufA0000)(42001)(jAjTuf有源高通滤波器有源高通滤波器ouiufR1RCR工作原理工作原理RCjUUCjR
23、RUUiiR111 URRUfo)1(101111111jRRRCjRRUUffio RC1000101111)(jARCjRRUUjTuffi200)(1|)(|)(ufAjTA幅频特性和相频特性如下：幅频特性和相频特性如下：0arctan)(画出其幅频、相频特性如下：画出其幅频、相频特性如下：ouiufR1RCR|)(|jT|0ufA|210ufA0000)(24采样保持电路采样保持电路 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。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在两次采样
24、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。和程序控制等装置中。uiuo +-RC采样保持电路采样保持电路ucS控制信号控制信号ououi采采样样 保保持持t输入输出波形输入输出波形“1 1”接通，接通，“0 0”断开断开运放器中的反馈运放器中的反馈 在集成运放的线性运算电路中，必须加入深在集成运放的线性运算电路中，必须加入深度负反馈才能使电路稳定运行。而且，输入度负反馈才能使电路稳定运行。而且，输入与输出间的关系与运放电路本身的参数无关。与输出间的关系与运放电路本身的参数无关。下面分析运放器电路中的反馈类型。下面
25、分析运放器电路中的反馈类型。电压并联负反馈电压并联负反馈ouiufu2R1RfR1ifi电压串联负反馈电压串联负反馈ouiufu2R1RfR1ifi电流并联负反馈电流并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈00iiRfRuiuuiif0ffffiiRuiRui11iffuRRu1fRiii0ififuRRRRuRui)1(1110输出电流输出电流i0不随不随RL变化，变化，具有恒流输出特性。具有恒流输出特性。iu2R1RfR1ifi0ufuRLR0iiRi0uiufuRLR2R0iuuRi 总结：总结：1.1.反馈电路直接从输出反馈电路直接从输出电压电压端引出，是电压端引出，是电压反馈；从非输出电压端引出，是电流反馈。反馈；从非输出电压端引出，是电流反馈。2.2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，是串联反馈是串联反馈(极性相同，负反馈；极性相异，极性相同，负反馈；极性相异，正反馈）正反馈）；加在同一个输入端上的，是并；加在同一个输入端上的，是并联反馈联反馈(极性相同，正反馈；极性相异，负极性相同，正反馈；极性相异，负反馈）反馈）。集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项ouiufR1R2R输入保护输入保护ouiufR1R2R3RZD输出保护输出保护ou1D2D电源保护电源保护CECE
