1、第第17章章集成运算放大器集成运算放大器 17.1 集成运算放大器的简单介绍分立电路：分立电路：集成电路：集成电路：集集 成成 度：度：SSISSI、MSIMSI、LSILSI、VLSI VLSI（ASIASI）导电类型：双极型、单极型导电类型：双极型、单极型 兼容型兼容型 信号类型：数字、模拟、混合信号类型：数字、模拟、混合 优优 点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率 放大器、集成稳压电源、集成数模转 换电路 17.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 1.尽量避免使用电容。尽量避免使用电容。2.输入级采用
2、差动放大电路。输入级采用差动放大电路。3.电阻值大致为电阻值大致为100 30k 30k。4.4.二极管都采用三极管构成。二极管都采用三极管构成。17.1.217.1.2 电路的简单说明电路的简单说明 一、运放构成输入级中间级偏置 电路输出级输入端输出端输 入 级：由差放构成由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。中 间 级：共射放大电路共射放大电路。用于电压放大。输 出 级：互补对称电路互补对称电路。降低输出电阻，提高带载 能力。偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态 工作点。在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻比较容易，而制造晶体管却最
3、容易。运放举例：LM741 LM741 1 2 3 48 7 6 5 7417614325822反相输入端反相输入端 出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。66输出端输出端33同相输入端同相输入端44负负电源端电源端77正正电源端电源端88闲置端闲置端（NC）1 1、55接调零电位器接调零电位器二、运放特点二、运放特点 开环电压放大倍数高(104-107)；输入电阻高（约几百K）；输出电阻低（约几百）；漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低。17.1.317.1.3 主要参数主要参数1 1、最大输出电压最大输出电压U UOPPOPP能使输出电压与输
4、入电压保持不失真关系的最大输出电压。2 2、开环电压放大倍数开环电压放大倍数A Auouo没有外接反馈时所测出的差模电压放大倍数。3 3、输入失调电压输入失调电压U Uioio为使输出等于零而在输入端加的微小补偿电压。（调零工作已由调零电位器来完成，如前所述）4 4、输入失调电流输入失调电流I Ii i当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差。其值愈小愈好。一般在零点零几微安级。5 5、输入偏置电流输入偏置电流I IiBiB当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流的平均值，其值愈小愈好。一般在零点几微安级。6 6、最大共模输入电压最大共模输入电压U UiCMiCM 运放对共模信号具有抑
5、制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备。如超出这个电压，运放的共模抑制能力就大为下降，甚至造成器件损坏。3）开环输出电阻 ro02）差模输入电阻 rid 4）共模抑制比 KCMRR 理想化条件理想化条件：1）开环电压放大倍数 Auo +-u-u+uo理想运放电路模型17.1.4 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 实际运放的参数指标很接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比较接近。o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性理想特性
6、u+-u-运算放大器的传输特性虚地虚地虚断虚断虚短虚短o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区 从运放的输入特性看，可分为线性区和饱和区，运放在不同区工作时的分析方法不同：线性区线性区：u uo o=A=Auouo(u(u+-u-u-)r rid id ，故，故两输入端的输入电流为零。A Auouo ，u uo o为有限值，为有限值，故故 u u+-u-u-=u=uo o/A/Auouo0 0 即即 u u+u u-分析依据分析依据当有信号输入时当有信号输入时，如同相端，如同相端接地，即接地，即u u+=0=0 则则 u u-0 0虚短虚短饱和区：饱和区：u uo
7、 oAAuouo(u(u+-u-u-)当当u u+uu-时时,u,uo o=u uo(sat)o(sat)当当u u+uu-时时,u,uo o=u uo(sat)o(sat)但两输入端的输入电流仍为零。o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区 运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积比例、加减、积分分与微分微分等简单运算，还能完成对数对数与反对数反对数以及乘乘除除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用都适用叠加原理叠加原理。17.217.2 运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用 在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题：在讨论运放的运算功能之前
8、，要弄清几个问题：如何保证运放工作在线性区如何保证运放工作在线性区?我们知道：我们知道：A Auouo，即当输入差模信号极小时，即当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大电路的性能，所以电路的性能，所以解决之道是：解决之道是：在电路中引入深度负反馈在电路中引入深度负反馈。uou-u+-下面的问题是从输出端将反馈引到同相端还是反相端？答案是：答案是：引回到反相
9、端引回到反相端Z17.2.1 17.2.1 比例运算比例运算 1 1、反相输入、反相输入 Rf 反馈电阻；反馈电阻；R2 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压的影静态基极电流对输出电压的影响。响。R2=R1Rf 由KCLKCL、KVLKVL和运放工作在线性区运放工作在线性区的分析依据分析依据：1iif0uu111RuRuuiiiFFfRuRuuiooi1uiuo +-ifR1R2Rf及iFuRRu1o由此得：由此得：1RRuuAFiouf说明：说明：1 1、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相输入的比例运算电路称为输入的比
10、例运算电路称为反相器反相器；2 2、如、如R R1 1和和R RF F的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证了比例运算的精度和稳定性（深度负反馈）。了比例运算的精度和稳定性（深度负反馈）。反馈类型：反馈类型：深度并联电压负反馈并联电压负反馈 电路阻抗特征：电路阻抗特征：输入电阻不高，输出电阻很低。i1uiuo +-ifR1R2Rf2 2、同相输入、同相输入1iifiuuu及111
11、RuRuii有FFfRuuRuuioioiFuRRu)1(1o11RRuuAFiouf反馈类型：反馈类型：深度串联电压负反馈串联电压负反馈 得得17.2.2 17.2.2 加法运算加法运算 i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路 在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路 131211fiiii)(313212111oiFiFiFuRRuRRuRRuFofRui11111Ruii12212Ruii13313Ruii由此得1131211RRRR当当时，时，FRR 1再若再若，则，则)(3211oiiiFuuuRRu)(321oiiiuuuuui1u
12、o +-R3R2RFi1R1减法电路ifui217.2.3 17.2.3 减法运算减法运算 当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，可进行减法运算 1111111-RRRuuuRiuuFoiii1123231o)1(iFiFuRRuRRRRRu3322-RRRuui时且当321RRRRF)(121oiiFuuRRui121uuuRRAioFu则 由于电路存在共模电压，为了保证运算精度，应当选用共模抑制比较高的运算放大器。17.2.4 17.2.4 积分运算积分运算 dtuCRdtiCuuiFfF1co110-uui1uo +-R2CFi1R1积分电路ifuc1if1Ruii当输入信号为阶跃电
13、压时，当输入信号为阶跃电压时，tCRUuFi1ouiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot 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(11odtuCRuRRuiFiFui1uo +-R2CFi1R1PI调节器ifucRF 可视为反相比例运算反相比例运算和积积分运算分运算的叠加。与以前学过的RC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好。这是因为充电电流基本恒定。11fRUiii17.2.5 17.2.5 微分运算微分运算 ui1uo +-R2C1i1微分电路ifucRF微分运算是积分的
14、逆运算，微分运算是积分的逆运算，dtduCdtduCii1c11 当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。微分电路稳定性不高，用得较少。(波形如右图)dtduCRRiRiuiFFF11fouiUuooottui1uo +-R2C1icPD调节器iRRF 右图是在控制系统中使右图是在控制系统中使调节过程加速的比例调节过程加速的比例微分微分调节器（调节器（PDPD调节器）。调节器）。运放除了能完成信号的运算，还能完成信号滤波、采样保持及比较等处理工作。17.317.3 运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面的应用17.3.1 17.3.1 有源滤波器有源滤波器 滤波器是一种选频电路选出有用信
15、号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。uiuo +-RC有源低通滤波器ucRFR11.1.有源低通滤波器有源低通滤波器CjCjRUUUic 11RCjUi 1URRUFo)1(1011/1/11/1 jRRRCjRRUUAFFioufRCfRC 21100或20ufAo0 幅频特性20/111 RRFufA时当0 11RRFufA220
16、11ufFufAARR时当 称为截止频率0 20ufAo0 幅频特性2.有源高通滤波器有源高通滤波器+R1RFRCuiu0)(jT0ufA021ufA00由由RC电路得出：电路得出：RCjUUCjRRUii111URRUF)1(10011011111jRRRCjRRUUFFi故故00010111)()()(jAjRRjUjUjTufFi200)(1)(ufAjT其模为：其模为：0)(arctn幅角为：幅角为：000)(2)(0)(0ufufAjTAjTjT时：时：时：17.3.2 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而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样
17、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、计算机和程序控制等装置中。uiuo +-RC采样保持电路ucR1S控制信号ououi采采样样 保保持持t输入输出波形17.3.3 电压比较器电压比较器uRuo +-R2电压比较器R1ui 运放工作于开环状态，运放工作于开环状态，u uR R是参考电压，当输入与参考电是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，即运放工作于非会达到饱和，即运放工作于非线性线性饱和区。饱和区。参考电压等于零时，称为参考电压等于零时，称为过零比较器过零比较器。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuRUo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sat)o比较器将正弦波变换为矩形脉冲uotuRuo +-R2有限幅电压比较器R1uiDzUzo传输特性uouiuR-Uz 有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路的电平配合，可在比较器的输出端与反相端之间跨接一个双向稳压管Dz，作双向限幅用。
