1、12022-11-14第三章第三章 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用3.13.1集成放大器基础集成放大器基础3.23.2负方馈放大器负方馈放大器3.33.3集成放大器的线性应用集成放大器的线性应用3.43.4集成放大器应用技术集成放大器应用技术22022-11-143.1.1 3.1.1 集成放大器概念集成放大器概念【集成放大器的特点集成放大器的特点】1 1电容元件是由半导体电容元件是由半导体PNPN结形成，只有几十个微法，若需用结形成，只有几十个微法，若需用大电容时要外结，因而集成放大器内部只能采用直接耦合放大电大电容时要外结，因而集成放大器内部只能采用直接耦合放大电路；路；2 2集
2、成元件虽然精度不高，但对称性好，距离近，温度性容集成元件虽然精度不高，但对称性好，距离近，温度性容易保持一致；易保持一致；3 3电阻元件有半导体电阻形成，大小一般在电阻元件有半导体电阻形成，大小一般在10010030K30K，需用大电阻时可外接，或采用半导体三极管组成的有源负载代替；需用大电阻时可外接，或采用半导体三极管组成的有源负载代替；4 4集成放大器工作电源电压比数字集成电路要高，一般在集成放大器工作电源电压比数字集成电路要高，一般在（10103030）V V左右，双电源放大器要求正负对称电源；左右，双电源放大器要求正负对称电源；32022-11-14【集成放大器的结构集成放大器的结构】
3、由输入级、中间由输入级、中间 放大级、放大级、输出级三部分组成输出级三部分组成 【集成放大器的分类集成放大器的分类】分为通用型和专用型分为通用型和专用型 （分为高精度型、高输入阻抗型、低功耗型、（分为高精度型、高输入阻抗型、低功耗型、高速型等。）高速型等。）42022-11-14【集成放大器的主要参数集成放大器的主要参数】（1 1）开环放大倍数）开环放大倍数A A（2 2）输出失调电压）输出失调电压U UIOIO（3 3）输入失调电流）输入失调电流I IIOIO（4 4）最大输出电压）最大输出电压U UO O（5 5）最大共模输入电压）最大共模输入电压U Uicmaxicmax（6 6）其他性
4、能指标：差模输如电阻、输出电阻、）其他性能指标：差模输如电阻、输出电阻、共模抑制比、静态功耗、温度漂移等。共模抑制比、静态功耗、温度漂移等。52022-11-143.1.3 3.1.3 理想集成放大器及其分析重点理想集成放大器及其分析重点1 1集成放大器的理想特性集成放大器的理想特性【集成放大器的理想参数集成放大器的理想参数】开环电压放大倍数开环电压放大倍数A=A=差模输入电阻差模输入电阻rid=rid=输出电阻输出电阻roro=0=0输入偏置电流输入偏置电流IB1=IB2=0IB1=IB2=0共模抑制比共模抑制比KCMR=KCMR=上限频率上限频率fHfH=62022-11-142 2集成放
5、大器的分析重点集成放大器的分析重点（1 1）线性区：）线性区：虚短路原则（简称虚短路原则（简称“虚短虚短”）：）：反相输入端电位反相输入端电位和同相输入端电位几乎相等，称为虚短路。和同相输入端电位几乎相等，称为虚短路。即：即：因此有：因此有：虚断路原则（简称虚断路原则（简称“虚断虚断”）：）：集成放大器的差集成放大器的差模输入电阻模输入电阻rid=rid=，输入偏置电流，输入偏置电流i+=i-0i+=i-0称为称为虚断路。虚断路。0Auuuo uu72022-11-14（2 2）非线性区）非线性区 当当u+u+u-u-时时uouo=-UOM=-UOM 当当u+u+u-u-时时uouo=+UOM
6、=+UOM此时此时 ，虚短路原则不成立，但虚断路，虚短路原则不成立，但虚断路原则仍然成立，即有原则仍然成立，即有i+=i-0 i+=i-0 82022-11-143.23.2负反馈放大器负反馈放大器3.2.13.2.1反馈的基本概念反馈的基本概念1 1反馈：反馈：将放大电路输出信号的一部分或全部将放大电路输出信号的一部分或全部经反馈网络送回到输入端，称为反馈。经反馈网络送回到输入端，称为反馈。2 2反馈的分类：反馈的分类：（1 1）分类：正反馈和负反馈、直流反馈和交流）分类：正反馈和负反馈、直流反馈和交流反馈、电压反馈和电流反馈、串联反馈和并联反馈、电压反馈和电流反馈、串联反馈和并联反馈。反馈
7、。（2 2）有无反馈的判别：看电路中是否存在连接）有无反馈的判别：看电路中是否存在连接输出回路和输入回路的反馈通路。输出回路和输入回路的反馈通路。92022-11-143 3反馈类型的判别方法反馈类型的判别方法:（1 1）正、负反馈的判别：）正、负反馈的判别：采用瞬时极性法。采用瞬时极性法。102022-11-14图（图（a a）中，在）中，在udud正方向设定情况下，有正方向设定情况下，有 可判断电路引入正反馈。可判断电路引入正反馈。在图（在图（b b）中，）中，可判断电路引入负反馈。可判断电路引入负反馈。)(uuuuuuudoi净输入电压)(fidfoiiiiiuuu净输入电压112022
8、-11-14（2 2）直流反馈与交流反馈的判别：反馈信号中只有）直流反馈与交流反馈的判别：反馈信号中只有直流分量，成为直流反馈；反馈信号中只有交流分直流分量，成为直流反馈；反馈信号中只有交流分量，成为交流反馈。反馈信号中既有直流分量又有量，成为交流反馈。反馈信号中既有直流分量又有交流分量，成为交直流反馈。交流分量，成为交直流反馈。（5 5）电压反馈与电流反馈的判别：）电压反馈与电流反馈的判别：通常采用负载短通常采用负载短路法。路法。（6 6）串联反馈与并联反馈的判别：）串联反馈与并联反馈的判别：根据输入信号与根据输入信号与反馈信号的连接方式判别。反馈信号的连接方式判别。122022-11-14
9、3.2.23.2.2负反馈的分析方法负反馈的分析方法在负反馈放大器中，如图所示，开环放大器的放在负反馈放大器中，如图所示，开环放大器的放大倍数：大倍数：A=xo/A=xo/xdxd 反馈网络中反馈系数反馈网络中反馈系数:F=F=xfxf/xo/xo反馈放大器的闭环放反馈放大器的闭环放大倍数大倍数:AfAf=xo/xi=xo/xi反馈分析框图反馈分析框图132022-11-14化简得：化简得：AFAxAFAxxxAxxxAddfddiof1)1(142022-11-141.1.当当1+AF01+AF0时，。引入负反馈后，放大倍数下降，时，。引入负反馈后，放大倍数下降，但整个闭环放大器其他性能都会
10、得到显著改善。但整个闭环放大器其他性能都会得到显著改善。2.2.当当1+AF01+AF0 时，即放大倍数增加，电路转为正时，即放大倍数增加，电路转为正反馈，使反馈放大器性能不稳定。反馈，使反馈放大器性能不稳定。3.3.当当1+AF=0 1+AF=0 时，。既在没有输入信号（时，。既在没有输入信号（xi=0 xi=0）时也产生输出信号，这种现象叫做自激振荡，时也产生输出信号，这种现象叫做自激振荡，简称自激。自激破坏了放大器的正常工作状态，简称自激。自激破坏了放大器的正常工作状态，应当设法避免。而对于振荡电路，却正是利用应当设法避免。而对于振荡电路，却正是利用自激产生各种波形信号。自激产生各种波形
11、信号。152022-11-143.2.33.2.3负反馈放大器的四种组态负反馈放大器的四种组态1.1.电压串联负反馈电压串联负反馈（1 1）电路组成：）电路组成：（2 2）反馈特点：）反馈特点：电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用，其过程如下：用，其过程如下：电压串联负反馈电压串联负反馈162022-11-14根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为：根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为：1111RRRRRUUAFFiOf172022-11-142.2.电压并联负反馈电压并联负反馈（1 1）电路组成：）电路组成：（2 2）反馈特点：当）反馈特点
12、：当iiii一定时一定时ifif愈大，反馈愈强，愈大，反馈愈强，净输入电流净输入电流idid愈小，反馈效果愈好。愈小，反馈效果愈好。iiii要保持一定，要保持一定，则则iiii信号源内阻应很大，反馈效果才会好。信号源内阻应很大，反馈效果才会好。电压并联负反馈电压并联负反馈182022-11-14根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为：根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为：1RRUUAFiOf192022-11-143.3.电流串联负反馈电流串联负反馈（1 1）电路组成：）电路组成：电流串联负反馈电流串联负反馈202022-11-14（2 2）反馈特点：电流负反馈具有稳定输出电）反馈特点：电流负反
13、馈具有稳定输出电流、提高输出电阻的作用。其过程如下流、提高输出电阻的作用。其过程如下;odfoiuui212022-11-144.4.电流并联负反馈电流并联负反馈（1 1）电路组成：如图所示）电路组成：如图所示（2 2）反馈特点：由于是并联反馈，宜采用）反馈特点：由于是并联反馈，宜采用高内阻的信号源。高内阻的信号源。电流并联负反馈电流并联负反馈222022-11-14根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为：根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为：)1(1RRRRUUAFLiOf232022-11-143.2.4 3.2.4 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响1.1.提高放大倍数的稳定
14、性提高放大倍数的稳定性2.2.改变电路的输入电阻和输出电阻改变电路的输入电阻和输出电阻（1 1）引入串联负反馈，增大输出电阻）引入串联负反馈，增大输出电阻（2 2）引入并联负反馈，减小输入电阻）引入并联负反馈，减小输入电阻（3 3）引入电压负反馈，减小输出电阻）引入电压负反馈，减小输出电阻（4 4）引入电流负反馈，增大输出电阻）引入电流负反馈，增大输出电阻242022-11-143.3.展宽通频带展宽通频带4.4.减小非线性失真和抑制干扰减小非线性失真和抑制干扰 负反馈对放大电路性能的影响与反馈负反馈对放大电路性能的影响与反馈深度有关深度有关252022-11-145.5.负反馈的应用原则负反
15、馈的应用原则（1 1）若要稳定放大器的静态工作点，应引）若要稳定放大器的静态工作点，应引 入直流负反馈，若需改变其动态性能入直流负反馈，若需改变其动态性能 指标，应引入交流负反馈。指标，应引入交流负反馈。（2 2）若要稳定输出电压，应引入电压负反）若要稳定输出电压，应引入电压负反 馈，若要稳定输出电流，应引入电流馈，若要稳定输出电流，应引入电流 负反馈。负反馈。（3 3）若要提高输入电阻，应采用串联负反）若要提高输入电阻，应采用串联负反 馈，反之，引入并联负反馈。馈，反之，引入并联负反馈。（4 4）若要降低输出电阻，应采用电压负反）若要降低输出电阻，应采用电压负反 馈，反之，引入电流负反馈。馈
16、，反之，引入电流负反馈。262022-11-143.2.53.2.5集成放大器组成的三种基本实用放大器集成放大器组成的三种基本实用放大器1.1.反相比例放大器反相比例放大器反相比例放大反相比例放大272022-11-14 根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：闭环电压放大倍数为：闭环电压放大倍数为：当当 时，时，,即即 ，该电路就成了反相器。，该电路就成了反相器。1FoRRuuAiuf1FRR iuuo1ufA282022-11-142.2.同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路 Rp +uouiRFR1i1if同相比例放大同相比例放大 同反相输入比
17、例运算电路一样根据运放工同反相输入比例运算电路一样根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，闭作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，闭环电压放大倍数为：环电压放大倍数为：1Fo1RRuuAiuf可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于数必定大于或等于1 1。302022-11-14电压跟随器：当电压跟随器：当 或或 时，时，即即:0fR1Riuuo1ufAui +uo电压跟随器电压跟随器312022-11-143.3.R2 +uoRFR1ui1ui2R3差分放大器差分放大器322022-11-14加法运算电路加法运算电路若若 ,则：则：可见输出
18、电压与两个输入电压之间是一种反相输可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法运算关系。入加法运算关系。)(22F11FoiiuRRuRRuF21RRR)(21oiiuuu332022-11-14若：若：（断开），则：（断开），则：若：若：，且且,则：则：若：若：，则：，则：3R21F11Fo1iiuRRuRRu21RR F3RR)(121FoiiuuRRuF321RRRR12oiiuuu由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。实现了减法运算。（2 2）减法运算电路）减法运算电路342022-11-143.3.13.3.1集成
19、放大器在模拟运算中的应用集成放大器在模拟运算中的应用1.1.加法运算电路加法运算电路（1 1）反相输入加法）反相输入加法运算电路运算电路:2211ififouRRuRRu反相加法反相加法352022-11-14（2 2）同相输入加法运算电路）同相输入加法运算电路其中其中 ；21133iifouukRRRu2221RRRk2212RRRk同相加法同相加法362022-11-142.2.减法运算电路减法运算电路第一级为反相放大器，第二级为反相输入加法运算第一级为反相放大器，第二级为反相输入加法运算电路。完成电路。完成ui2ui2与与ui1ui1的相减运算。的相减运算。23112122iffifou
20、RRRRuRRu372022-11-14【】321o82010iiiuuuu382022-11-14解：由题中给出的运算关系可知解：由题中给出的运算关系可知u ui i3 3与与u uo o反反 相，相，而而u ui1i1和和u ui2i2与与u uo o同相，故可用反相加法运算电同相，故可用反相加法运算电路将路将u ui1i1和和u ui2i2相加后，其和再与相加后，其和再与u ui3i3反相相加，反相相加，从而可使从而可使u ui3i3反相一次，而反相一次，而u ui1i1和和u ui2i2反相两次。反相两次。根据以上分析，可画出实现加减运算的电路根据以上分析，可画出实现加减运算的电路图，
21、如下图所示。图，如下图所示。392022-11-14 ui2 R3 +uo1 ui1 Rf1 R1 R2 R6 +uo ui3 Rf2 R4 R5 A1 A2 完成例题函数关系的电路图完成例题函数关系的电路图402022-11-14 22f211f1o1iiuRRuRRu34f222f111f15f2o15f234f2iiiiuRRuRRuRRRRuRRuRR412022-11-14根据题中的运算要求设置各电阻阻值间的比例关系：根据题中的运算要求设置各电阻阻值间的比例关系：，15f2RR101f1RR202f1RR84f2RR422022-11-14各电阻的阻值分别为：各电阻的阻值分别为：k
22、100f2f1RRk 101Rk 52Rk 5.124Rk 1005R432022-11-14平衡电阻平衡电阻R R3 3、R R6 6的值分别为的值分别为：k 5.2100/5/10/f1213RRRRk 10100/100/5.12/f2546RRRR442022-11-143.3.（1 1）积分运算电路）积分运算电路dtuRCui1o输出电压与输入电压对时间的积分成正比。输出电压与输入电压对时间的积分成正比。452022-11-14（2 2）微分运算电路）微分运算电路dtduRCRiRiuiCRoiCuiRP +CRiRuo输出电压与输入电压对时间的微分成正比输出电压与输入电压对时间的微
23、分成正比 。462022-11-14【例例2 2】利用积分电路将方波变成三角波时间常数利用积分电路将方波变成三角波时间常数 t t =R R1 1C Cf=0.1 msf=0.1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt472022-11-14设设 uCuC(0)=0(0)=0tutd51.01o1.00ms1.05d)5(1.01o3.01.0ms3.0tut=5V=-5V482022-11-143.3.23.3.2集成放大器在信号测量中的应用集成放大器在信号测量中的应用 集成运放具有灵敏度、准确度高，集成运放具有灵敏度、准确度高，线性好，输入电阻高等特点被用在各种线性好，输入电阻高等
24、特点被用在各种信号测量电路中，由其在精密微信号测信号测量电路中，由其在精密微信号测量方面有广泛的应用。量方面有广泛的应用。492022-11-141 1直流电压、电流、电阻测量：直流电压直流电压、电流、电阻测量：直流电压 表、电流表、欧姆表表、电流表、欧姆表2.2.测量放大器：对微弱信号进行放大测量放大器：对微弱信号进行放大3.3.光电测量电路：将光电器件转换的电信、光电测量电路：将光电器件转换的电信、号进行放大号进行放大4.4.温度的测量：将温度传感器转换的电信温度的测量：将温度传感器转换的电信 号进行放大号进行放大5.5.精密整流：将较小的整流信号放大。精密整流：将较小的整流信号放大。50
25、2022-11-143.43.4集成放大器应用技术集成放大器应用技术1 1集成放大器的选择集成放大器的选择（1 1）集成放大器的型号及性能参数）集成放大器的型号及性能参数（2 2）负载的性质）负载的性质（3 3）精度要求）精度要求（4 4）环境条件）环境条件512022-11-142 2放大器参数测试放大器参数测试 集成放大器的主要参数，制造厂家在集成放大器的主要参数，制造厂家在器件出厂前都进行过测试，并会给出这方器件出厂前都进行过测试，并会给出这方面的技术资料，各种参数一查便可知道。面的技术资料，各种参数一查便可知道。为了得到准确的参数值可以用电压表、电为了得到准确的参数值可以用电压表、电流
26、表进行简易测试。流表进行简易测试。522022-11-143 3相位补偿相位补偿 集成放大器是一个高增益的多级集成放大器是一个高增益的多级直接藕合放大电路，应用中若引人过直接藕合放大电路，应用中若引人过深的负反馈，往往容易引起自激振荡，深的负反馈，往往容易引起自激振荡，使电路无法正常工作。在应用中需对使电路无法正常工作。在应用中需对电路进行适当的相位补偿，以便消除电路进行适当的相位补偿，以便消除自激，使电路在闭环时能够稳定工作。自激，使电路在闭环时能够稳定工作。532022-11-144 4调零调零 集成放大器由于输入级不可能完全对称，集成放大器由于输入级不可能完全对称，输入信号为零时输出电压不为零。放大器在输入信号为零时输出电压不为零。放大器在使用前应先调零。使用前应先调零。5 5保护措施保护措施 集成放大器输入差模信号电压是有一定集成放大器输入差模信号电压是有一定限制的，超过规定值时，会造成放大器内部限制的，超过规定值时，会造成放大器内部三极管永久性损坏。采取输人保护措施可以三极管永久性损坏。采取输人保护措施可以限制信号幅度。限制信号幅度。542022-11-14作业作业 7 7、8 8、1111、1414、1616、1919、2222
