1、 第第16章章 集成运算放大电路集成运算放大电路 返回返回16.1 集成运算放大器的简单介绍16.2 运算放大器在信号运算方面的应用16.3 运算放大器在信号处理方面的应用16.4 运算放大器在波形产生方面的应用16.5 使用运算放大器应注意的几个问题集成电路集成电路:它是用一定的生产工艺把它是用一定的生产工艺把晶体管、场晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容效应管、二极管、电阻、电容、以及以及它们之间的连线所组成的整个电路它们之间的连线所组成的整个电路集集成成在一块半导体基片上，封装在一个在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，
2、也称为功能的器件，也称为优优 点：点：工作稳定、使用方便、体积小、重量工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了轻、功耗小，实现了元件、电路和系元件、电路和系统统的三结合的三结合返回目录返回目录集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的特点1.单个的精度不是很高单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致性能比较一致2.2.元器件相互离得很近元器件相互离得很近,温度特性较一致温度特性较一致3.3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造都不易制造 4.4.电感难于制
3、造电感难于制造,电容一般不超过电容一般不超过200pF,200pF,大电容大电容不易制造不易制造返回目录返回目录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集成运算放大器：集成运算放大器：是一种是一种高放大倍数、高输入高放大倍数、高输入 电阻、低输出电阻电阻、低输出电阻的直接耦的直接耦合放大电路合放大电路电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路 尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR,输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载能力，给出输出级
4、主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。内部内部电路电路返回目录返回目录集成电路的封装集成电路的封装双列直插式塑料封装双列直插式塑料封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212、1414、1616等种类等种类金属壳封装金属壳封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212等种类等种类返回目录返回目录213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)每两个每两个运放共运放共用一个用一个偏置偏置电阻电阻四个四个运放运放共用共用V VDDDD、V VSSSS端端C14578C14578外引线排列图外引线排
5、列图213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)返回目录返回目录F007F007（5G245G24）外引线图）外引线图 反相反相输入端输入端 同相同相输入端输入端输出端输出端A Ao o1 11 15 54 43 32 26 67 7+15V+15V-15V-15V接接 线线 图图顶顶 视视 图图CCVEEVOUTININ返回目录返回目录 rid 高高:几十几十k 几百几百k 运放的特点：运放的特点：理想运放：理想运放：rid KCMRR很大很大KCMMRR ro 小：几十小：几十 几百几百 ro 0 Auo 很大很大:104以上以上 107
6、Auo 运放的特点和符号运放的特点和符号运放符号：运放符号：u u+uo A0 u u+uo A0 u u+uo 返回目录返回目录运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性)(ioufu+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区uuou)(uuAuuoo线性区很线性区很窄窄,所以所以运放在线运放在线性区工作性区工作,通常引入通常引入深度电压深度电压负反馈负反馈返回目录返回目录运算放大器线性应用时的分析依据运算放大器线性应用时的分析依据1.1.差模输入电阻差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流两个输入端的输入电流可认为是零，即可认为是零，即虚断虚断。idr2.2.开环电压放
7、大倍数开环电压放大倍数 输出电压是一个输出电压是一个有限值，有限值，0uA00uoAuuu uu即即虚短虚短。,0u 如果信号从反向端输入，同相端接地如果信号从反向端输入，同相端接地 0u反相端近于反相端近于“地地”电位，即电位，即虚地虚地。返回目录返回目录运算放大器在饱和区时的情况运算放大器在饱和区时的情况当当 时时，uuo(sat)Uouuuo(sat)Uou当当时，时，注意注意：此时输入端的输入电流也等于零此时输入端的输入电流也等于零返回目录返回目录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1.1.比例运算比例运算(1)反相输入fii 10uu111
8、RuRuuiiiFFfRuRuuiooi1FouRRu1FiofRRuuAuR R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o1ifi返回目录返回目录平衡电阻，保证输入端平衡电阻，保证输入端对地的静态电阻相等对地的静态电阻相等R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o电路的输入电阻1iRR 平衡电阻F12/RRR 返回目录返回目录R RR R2 2R R1 1F Fu ui iu uo o电位为零，虚地电位为零 注意虽然虽然0uu但不能将反相输但不能将反相输入端和同相输入入端和同相输入端直接相联或者端直接相联或者直接接地直接接地返回目录返回目录(2)(2)同相输入同
9、相输入R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iiuuuf1ii 1Fiof1RRuuAu请思考：当当1R0FR或或此电路此电路 有什么特点？有什么特点？例题FoiFofRuuRuui1i11RuRuii1Fo1uRRufi1i返回目录返回目录i313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu2.2.加法运算加法运算12i212Rui11i111Rui13i313Rui131211fiiiiFofRuiFfoRiu(1)反相加法器R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui i1 1u ui i2 2u ui i3 3R R1 12 2R R1 11
10、 1R R1 13 311i12i13i返回目录返回目录R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui i1 1u ui i2 2u ui i3 3R R1 12 2R R1 11 1R R1 13 3平衡电阻F1312112/RRRRR 加法运算电路与运算放大器本身的参加法运算电路与运算放大器本身的参数无关数无关,只要电阻阻值足够精确只要电阻阻值足够精确,就可就可保证加法运算的精度和稳定性保证加法运算的精度和稳定性.返回目录返回目录(2)同相加法器R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo oR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR
11、R3 3R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2u ui3i3R R1212R R1111R R1313R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2R R2121R R2222i2222121i1222122uRRRuRRRu此电路若以此电路若以u为输入，为输入，则输出为：则输出为：uRRu1Fo1i2222121i12221221Fo1uRRRuRRRRRu请想一想：外接的各电阻关系如何？请想一想：外接的各电阻关系如何？反相求和电路与同相求电路相比有什么优点？反相求和电路与同相求电路相比有什么优点？3.减法运算R R2 2R
12、 R1 1R RF Fu ui iu uo oR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR R3 3R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2u ui3i3R R1212R R1111R R1313R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2R R2121R R2222R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1R R3 3R R2 2R R1 1R RF Fu uo oR R3 3u ui2i2图中电路的输入方图中电路的输入方式也称做式也称做差动输入差动输入由同相输入及反相输入由同相输入及反
13、相输入的结论的结论，运用叠加定理，运用叠加定理ooouuui23231Fi11Fo1uRRRRRuRRui11FouRRui23231Fo1uRRRRRu返回目录返回目录请思考：如何选择电阻，能得出如下结论i1i21FouuRRui1i2ouuu差动输入方式下的电压放大倍数差动输入方式下的电压放大倍数1Fi1i2oufRRuuuA注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选这种输入方式存在较大的共模电压，应选用用K KCMRRCMRR较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。例题返回目录返回目录4.4.积分运算积分运算R R2 2R R1 1C CF Fu ui i
14、u uo ou uc c1if1RuiituCRtiCuud1d1iF1fFco反相输入反相输入0u虚地虚地例题1ifi返回目录返回目录ou思考题：在图示电路中，输入电压在图示电路中，输入电压mV6280sinitu 试求输出电压试求输出电压的幅值，并画出的幅值，并画出ou的波形图。的波形图。iutoutR R2 2R R1 1C CF Fu ui iu uo ou uc c返回目录返回目录5.5.微分电路微分电路R R2 2C CF Fu ui iu uo ou uc cR RF FiFfFoiRiRutuCRuddi1FotuCtuCiCddddi111ifii 应用举例fi1i返回目录返
15、回目录例例1 电路如图所示，试分别计算开关电路如图所示，试分别计算开关S断开和闭合时的电压放大倍数断开和闭合时的电压放大倍数Auf。uouiR21k+1k1kS10kiiifii 2.当当S闭合时：闭合时：iiiuui32211 uouiR21k+1k1kS10kiiifii iiiuii3121 1010oofuuui fiii 3.31031 ioufoiuuAuu1.当当S断开时：断开时：解：解：511101 RRAFuf 例例2 如图所示电路，已知如图所示电路，已知RF100k，R150k，输入电压，输入电压 ui3sint V，求电压放，求电压放大倍数和输出电压大倍数和输出电压uo。
16、uoRFuiR2R1+350100111Fuf RRA解解：电压放大倍数：电压放大倍数输出电压：输出电压：VtuAu sin9iufo 例例3 一个测量系统的输出电压和某些输入信号的数一个测量系统的输出电压和某些输入信号的数值关系为值关系为uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，试选择图示电路中，试选择图示电路中各输入电路的电阻和平衡电阻。设各输入电路的电阻和平衡电阻。设RF=100 k。uoui1RFui3Ri1Ri3+R2ui2Ri2)(i313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu 解：解：kRRi254F1 kRRi502F2 kRRi2005.0F3 kRRRRRiii3
17、.13/F3212 =当当 R1=且且 RF=0 时，时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。称电压跟随器。uoui+uo+15k 15k+15V 7.5k 例例4 试计算图示电路中试计算图示电路中uo的大小的大小。0 ii解：由于解：由于Vuuu5.71521o uo只与电源电压和分压电阻只与电源电压和分压电阻有关，而与负载电阻大小和运放有关，而与负载电阻大小和运放的参数无关。的参数无关。例例5 如图所示电路，已知如图所示电路，已知RF100k，R150k，输入电压，输入电压 ui3sint V，求电压放，求电压放大倍数和输出电压大倍数和输出电压uo。uoRFuiR2R1+35010011
18、1Fuf RRA解解：电压放大倍数：电压放大倍数输出电压：输出电压：VtuAu sin9iufo 例例6 在图示电路中，已知在图示电路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求输出电压，求输出电压uo。uo1ui1+uoui2RRRA1A2+RRRi1i1o12)1(uuRRu 解：解：VuuuuuRRuRRu2)(222)1(i1i2i1i2o1i2o 滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通过过(衰减很小衰减很小)，而抑制其余频段的信号，而抑制其余频段的信号(衰减很大衰减很大)。滤波器通常分为滤波器通常分为低通低通、高通高通、带通带通及及带阻带阻
19、等。等。uiuoRFuCCR+R1+01F1Fioj11j11 RRRCRRUUAufiC1j1jUCRCUU URRU)(11Fo频频率率角角称称为为截截止止RC1:0 式式中中uiuoRFuCCR+R1+01F1Fioj11j11 RRRCRRUUAuf01Fioufj11)(j)(j)(jA RRUU0f0j1 uA1Fuf01RRA 为通频带放大倍数为通频带放大倍数 0f0j1)(uufAjA20f0)(1)(j uAT幅频函数：幅频函数：相频函数相频函数:0arctan)(,0时时当当 ,0时时当当 幅频特性幅频特性f021uA 0|Auf0|Auf(j)|Of0uf)(juAA 2
20、)(jf0ufuAA ,时时当当 0)(juf A20f0)(1)(j uAT幅频函数：幅频函数：uoRFCR+R1uiRC 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减时信号衰减得更快些，常将两节得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。组成二阶有源低通滤波器。二阶二阶一阶一阶 幅频特性幅频特性f021uA 0|Auf0|T(j)|OuiuoRFCR+R1 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUAufi1jUCRRU URRU)(11Fo频率频率角角称为截止称为截止RC1:式中0 uiuoRFCR+R1 01F1Fioj11j111
21、 RRRCRRUUAuf 01Fioufj11)(j)(j)(j RRUUA 0f0j1 uA1Fuf01RRA 为通频带放大倍数为通频带放大倍数 20f0uf)(1)(j uAA幅频函数：幅频函数：相频函数相频函数:0arctan)(0f0j1)(uufAjA20f0uf)(1)(j uAA,时时当当 f0uf)(juAA ,0时时当当 0)(juf A,0时时当当 2)(jf0uufAA 幅频特性幅频特性f021uA 0|Auf0|Auf(j)|O 将低通滤波器将低通滤波器和高通滤波器串联，和高通滤波器串联，并使低通滤波器的并使低通滤波器的截止频率大于高通截止频率大于高通滤波器的截止频率，
22、滤波器的截止频率，则构成有源带通滤则构成有源带通滤波器。波器。将低通滤波将低通滤波器和高通滤波器和高通滤波器并联，并使器并联，并使高通滤波器的高通滤波器的截止频率大于截止频率大于低通滤波器的低通滤波器的截止频率，则截止频率，则构成有源带阻构成有源带阻滤波器。滤波器。控制信号控制信号 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模-数转换电路（数转换电路（A/D）之前。由于之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的
23、需要。转换电路的需要。模拟开关模拟开关模拟输模拟输入信号入信号采样存储采样存储电容电容电压跟随器电压跟随器 SuC+ui+uo+uG uG为高电平，为高电平，S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)，ui对对存储电容存储电容C充电，充电，uo=uC=ui。uG为为 0，S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+ui+uo+uG 电压比较器用来比较输入信号与参考电压电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输
24、出电压产生跃变，的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。平。由此来判断输入信号的大小和极性。URuouiR2+R1参考电压参考电压电压传输特性电压传输特性uiuoOUR可见，在可见，在 ui=UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。当当 ui 单方向变化时，单方向变化时，uo 只变化一次。只变化一次。uiuoOURuitOURt1t2Ouot+Uo(sat)Uo(sat)U
25、RuouiR2+R1 当当UR=0时，即输入电压和零电平比较，时，即输入电压和零电平比较，称为称为过零比较器过零比较器。uouiR2+R1tuituo+Uo(sat)Uo(sat)ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat)uiuoURR2+R1 uiuoOUROt+Uo(sat)Uo(sat)uouitOURt1t2uoRVSuouiR2+R1+UZ UZ电压传输特性电压传输特性uiuoO 例例7 电路如图所示，输入电压电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，是一正弦电压，其周期为其周期为T，输出端外接，输出端外接RC电路的时间常数电路的时间常数RC ，试画出试画出uo
26、、uA、uL的波形。的波形。2TuoRVDuLuiRL+CAtuituo+Uo(sat)Uo(sat)uoRVDuLuiRL+CAtuituo+Uo(sat)Uo(sat)tuAtuL由于由于RC016.4 16.4 运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用1.1.矩形波发生电路矩形波发生电路Z122RURRRU双向稳压管,起输出限幅作用R R1 1和和R R2 2构成正反馈电路构成正反馈电路 起限流的作用起限流的作用反相输入端的电压反相输入端的电压cuu 电容两端电压的变化是电容电容两端电压的变化是电容通过电阻通过电阻R RF F的充放电实现的的充放电实现的R RF F和
27、和C C构成负反馈电路构成负反馈电路通过比较通过比较uu,的大小可的大小可得出输出电压得出输出电压U UR RR R2 2R RF Fu uo ou uC CR R1 1R R3 3D DZ Z返回目录返回目录2TtcutouZUZU思考题：如何改变矩形波的周期思考题：如何改变矩形波的周期T T？矩形发生器的波形矩形发生器的波形RURU返回目录返回目录2.2.三角波发生器三角波发生器组成积分电路组成比较器R R2 2R RF FR R1 1u uo1o1D DZ ZR R5 5R R4 4C CF Fu uo ou uc cR R6 6R R3 3返回目录返回目录ZURRu12o当当011uu
28、电路工作稳定后电路工作稳定后,当当Z1Uuoo121Z1221)(uRRRURRRuR R2 2R RF FR R1 1u uo1o1D DZ ZR R5 5R R4 4C CF Fu uo ou uc cR R6 6R R3 3o1uZUZU从从返回目录返回目录ZURRu12o当当011uu电路工作稳定后电路工作稳定后,当当Z1Uuoo121Z1221uRRRURRRuo1uZUZU从从R R2 2R RF FR R1 1u uo1o1D DZ ZR R5 5R R4 4C CF Fu uo ou uc cR R6 6R R3 3返回目录返回目录ZUZUZURR12ZURR121F424TR
29、CRR如何计算周期如何计算周期?2TZ122T0ZF42d1URRtUCRtto1uou三角波发生器的波形三角波发生器的波形返回目录返回目录 由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输入信号为零时，输出信号不为零，应用时要先调零入信号为零时，输出信号不为零，应用时要先调零 调零的两种方法：调零的两种方法：一是在无输入时调零，即将两个输入端接一是在无输入时调零，即将两个输入端接“地地”，调节电位器，使输出电压为零，调节电位器，使输出电压为零。VD1VD2uoui+RFR2R1 当输入端所加的差模电压超过允许的最大值当输入端所加的差模电压超过允许的最大值UIDM或共模电压超过允许的最大值或共模电压超过允许的最大值UICM时，时，可能会损坏输可能会损坏输入级的晶体管。保护电路将输入电压限制在二极管的入级的晶体管。保护电路将输入电压限制在二极管的正向压降以内。正向压降以内。RFR1+RR2VS1RFR1+R3VS2DZUU+RFR1+RBV1V2+UCCRBVD1VD2-UCCR2RFR1+RR 当特殊场合要求选用当特殊场合要求选用双电源运放而只有单电双电源运放而只有单电源供电的情况下，可采源供电的情况下，可采用图示的电路。用图示的电路。
