电工16章 集成运算放大器综述

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1、电子技术基础电子技术基础 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 16.6 使用集成运算放大器应注意的几个问题 电子技术基础电子技术基础 集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。 集成电路的分类： 模拟集成电路、数字集成电路； 小、中、大、超大规模集成电路； 16.1 集成运算放大器的简单介绍 优 点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、 功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合。 集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的 多级放大器。 电子技术基础电子技术基础

2、 16.1.1 集成运算放大器的特点 1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致， 温度均一性好。 2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度 低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。 3.只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采 用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。 5. 二极管一般用三极管的发射结构成。 4.不能制造电感，如需电感，也只能外接。 6.集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小， 在毫瓦以下。 电子技术基础电子技术基础 1. 电路方框图 中间级输入级输出级 偏置电路 尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大 中

3、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 足够的输出电流io ，输出阻抗 ro小。 16.1.2 电路的简单说明 偏置电路是为各级电路提供稳定和合 适的静态工作点，一般由恒流源构成。 电子技术基础电子技术基础 2. 简单集成运放结构原理图 简 单 运 算 放 大 器 的 结 构 原 理 图 3. 集成运放输入与输出的相位关系 电子技术基础电子技术基础 4.F007（5G24）外引线图 反相 输入端 同相 输入端 输出端 顶 视 图 接 线 图 A uo 15 4 3 2 6 7 +15V -15V 电子技术基础电子技术基础 3.输入失调电UIO 16.1.3 主要参数 2.

4、 开环电压放大倍数Auo 无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107 之间。理想运放的Auo为。 1.最大输出电压Uopp 能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大 输出电压，称为运算放大器的最大输出电压。 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到 输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。 电子技术基础电子技术基础 6. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流IIB 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值 ，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差， 用于表征差分级输入电流不对称的程度。 电子技术基础电子技术基础

5、 7. 最大共模输入电压Vicmax 8. 共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范 围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大 器失去共模抑制能力。 电子技术基础电子技术基础 运放的特点 理想运放： rid KCMRR ro 0 Auo 运放符号： u- u+ uo 16.1.4 理想运算放大器及其分析依据 国内符号： 同相输入端 反相输入端 输出端 国际符号： V V V + + _ A u u-_ uo 电子技术基础电子技术基础 运放的电压传输特

6、性： 设：电源电压VCC=10V。 运放的Auo=104 Ui1mV时，运放处于线性区。 0 uo ui +10V -10V +Uom -Uom -1mV+1mV 线性区非线性区非线性区 Auo越大，线性区越小，当Auo 时，线性区0 Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入 之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。 实际特性 +10V -10V +Uom -Uom 0 uo ui 理想特性 电子技术基础电子技术基础 运算放大器线性应用时的分析依据 1. 差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流 可认为是零，即虚断。 2. 开环电压放大倍数 输出电压是一个有 限值， 即虚短。 如果信号

7、从反向端输入，同相端接地 反相端近于“地”电位，即虚地。 电子技术基础电子技术基础 运算放大器在饱和区时的情况 当 时， 当 时， 注意：此时输入端的输入电流也等于零 电子技术基础电子技术基础 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用 虚拟短路 虚拟断路 放大倍数与负载无关， 可以分开分析。 u+uo _ + + u Ii 信号的放大、运算 有源滤波电路 运放线 性应用 电子技术基础电子技术基础 i1= if 虚短 虚断 1、反相输入 16.2.1比例运算 当RF= R1时， 反相器 uo _ + + RF R1 RP ui i1 if 电位为0，虚地 电子技术基础电子技术基础 RP =R1

8、/ RF 平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相 等，保证静态时输入级的对称性。 特点： 共模输入电压=0 （u=u+=0） 缺点： 输入电阻小（ Ri=R1） uo _ + + RF R1 RP ui i1 if 电子技术基础电子技术基础 2、同相输入 u-= u+= ui 虚短 虚断 结构特点：负反馈引到反相输入 端， 信号从同相端输入。 _ + + RF R1 R2 ui uo i1 if 特点： 输入电阻高 缺点： 共模输入电压0 （u=u+=ui） 电子技术基础电子技术基础 此电路的作用与分离元件的射极输出器相同， 但是电压跟随性能好。 3、电压跟随器 结构特点：输出电压全部引 到反相输

9、入端，信号从同相 端输入。电压跟随器是同相 比例运算放大器的特例。 _ + + RF R1 R2 ui uo i1 if _ + + ui uo 当 (开路)或 时, 称为电压跟随器。 电子技术基础电子技术基础 例：图中同相比例运算电路， 求： 需要帮忙吗？ 点击我会有新 发现。 R2 R1 RF + ui - R3 + uo - + + - 电子技术基础电子技术基础 解：此电路为同相比例运算电路， 于是 式 中的是指加在同相 输入端的输入电压 R2 R1 RF + ui - R3 + uo - + + - 电子技术基础电子技术基础 1、反相求和运算 R12 _ + + RF R11 ui2u

10、o RP ui1 16.2.2 加法运算 平衡电阻： 电子技术基础电子技术基础 )( 2 12 F 1 11 F ii o u R R u R R u+-= i12 iF i11 R12 _ + + RF R11 ui2uo RP ui1 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影 响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。 (虚短 ) (虚断 ) 电子技术基础电子技术基础 2、同相求和运算 - R1RF + + ui1 uo R21 R22 ui2 电子技术基础电子技术基础 此电路如果以 u+ 为输入 ，则 输出为： - R1RF + + ui1 uo R21 R22 ui2 u+ 与 u

11、i1 和 ui2 的关系如何？ 注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能 单独调整。 流入运放输入端的电流为0（虚开路） 电子技术基础电子技术基础 _ + + RF R1 R2 ui2 uo R3 ui1 解出： 16.2.3 减法运算 电子技术基础电子技术基础 用叠加原理求解： _ + + RF R1 R2 ui2 uo R3 ui1 ui1单独作用时为反相输入比 例运算电路，其输出电压为： ui2单独作用时为同相输入 比例运算，其输出电压为： ui1和ui2共同作用时，输出电压为： 电子技术基础电子技术基础 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。该电路

12、又称为差动输入运算电路或差动放大电路。 注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选用KCMRR 较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。 则: 则: 电子技术基础电子技术基础 例：例：求图示电路中求图示电路中u u o o 与与u ui1 i1、 、u ui2 i2的关系。 的关系。 解解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。 A2 A1 电子技术基础电子技术基础 例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压uo。 电子技术基础电子技术基础 解： A1是电压跟随器， A2是差动运算电路， 想一想：为什么要加A1？ 电子技术基础电子技术基础 i1 if 16.2.4 积分运算 由于反相

13、输入端虚地， 由图可得： ui - + + R R2 C uo +uc- 电子技术基础电子技术基础 t ui 0 t uo 0 U -Uom TM 积分时限 反相积分器：如果ui=直流电压,输出将反相积分，经 过一定的时间后输出饱和。 设Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1F 求积到饱和值的时间： 电子技术基础电子技术基础 将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例比例- -积分运算电路。积分运算电路。 uo CF ui R2 R1 + + + + RFif i1 电路的输出电压 上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分运算 这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中,

14、 以保 证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调 整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。 电子技术基础电子技术基础 练习: 画出在给定输 入波形作用下积分器 的输出波形。t ui 0 2 12345 t uo 0 -2 -4 -6 i1 if ui - + + R R2 C uo +uc- 其中：R=10K,C=0.1F 电子技术基础电子技术基础 u= u+= 0 若输入： 则： 16.2.5 微分运算 t ui 0 t uo 0 90 ui + + uo R R2 i1 if C 电子技术基础电子技术基础 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用 滤波电路的分类

15、1. 按信号性质分类 3. 按电路功能分类: 低通滤波器（LPF）；高通滤波器（HPF）； 带通滤波器（BPF）；带阻滤波器（BEF）。 2. 按所用元件分类 模拟滤波器和数字滤波器 无源滤波器和有源滤波器 4. 按阶数分类: 一阶，二阶 高阶 滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰 信号，保留下有用信号。 电子技术基础电子技术基础 有源滤波器的优点： 1. 不使用电感元件，体积小重量轻。 2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入 电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好 的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可 构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。 3. 除滤波外，还可放大信号

16、，放大倍数容易调节。 16.3.1有源滤波器 电子技术基础电子技术基础 1、有源低通滤波器 R R1 RF C + - + 传递函数 电子技术基础电子技术基础 幅频特性： 相频特性： 通带增益： 截止频率： 电子技术基础电子技术基础 电路的特点： 2. =o 时， 1. =0 时， 3. 幅频特性 2 1 Au 0 o 电子技术基础电子技术基础 当 0时，| T(j)| 衰减很快 显然，电路能使低于0的 信号顺利通过，衰减很小， 而使高于0的信号不易通过 ，衰减很大，称一 阶有源低 通滤波器。 为了改善滤波效果， 使 0 时信号衰减得 更快些，常将两节RC滤 波环节串接起来，组成 二阶有源低通滤波器。 uo RF C R + + R1 + ui + R C 一阶