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1、第16章 集成运算放大器 主要内容 集成运算放大器的简介 运算放大器在信号运算方面的应用 运算放大器在信号处理方面的应用 运算放大器在波形产生方面的应用 使用运算放大器应注意的几个问题 16.1 集成运算放大器的简单介绍 集成电路： 集 成 度：SSI、MSI、LSI、 VLSI （ASI） 导电类型：双极型、单极型 兼容型 信号类型：数字、模拟、混合 优 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 16.1.1 集成运算放大器的特点 1. 尽量避免使用电容。 2. 输入级采用差动放大电路。 3. 电阻值大致为100
2、30k。 4.二极管都采用三极管构成。 16.1.2 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。可减小零点漂移和抑制干扰。 中 间 级：共射放大电路。用于电压放大。 输 出 级：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，而制造晶体管却最容易。 运放举例：LM741 LM741 1 2 3 4 8 7 6 5 741 7 6 1 43 2 5 8 2反相输入端 出于集成化的原因
3、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。 6输出端 3同相输入端 4负电源端 7正电源端 8闲置端（NC） 1、5接调零电位器 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 。 16.1.3 主要参数 1、最大输出电压UOPP能使输出电压与输入电压保 持不失真关系的最大输出电压。 2、开环电压放大倍数Auo没有外接反馈时所测出 的差模电压放大倍数。 3、输入失调电压Uio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、输
4、入失调电流Ii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、输入偏置电流IiB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、最大共模输入电压UiCM 运放对共模信号具有抑 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 ro0 2）差模输入电阻 rid 4）共模抑制比 KCMRR 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 16.1.4 理想运算放大器及其分析
5、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 u+ - u- 运算放大器的传输特性 虚地 虚断 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： uo=Auo(u+-u-) rid ，故 两输入端的输 入电流为零。 Au
6、o ，uo为有限值， 故 u+-u-=uo/Auo0 即 u+ u- 分析依据 当有信号输入时，如同相端 接地，即u+=0 则 u- 0 虚短 饱和区： uoAuo(u+-u-) 当u+ u- 时,uo=uo(sat) 当u+ R4 P123习题16.2.10 解： 用结点电压法求u+ 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。 16.3 运放在信号处理方面的应用 16.3.1 有源滤波器 滤波器是一种选频电路选出有用信号，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
7、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。 ui uo + + - R C 有源低通滤波器 uc RF R1 1. 有源低通滤波器 o 幅频特性 o 幅频特性 2. 有源高通滤波器 + + R1 RF R C ui u0 0 由RC电路得出： 故 其模为： 幅角为： 16.3.2 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 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
8、。 uiuo + + - R C 采样保持电路 uc R1 S 控制信号 o uoui 采 样 保 持 t 输入输出波形 16.3.3 电压比较器 uR uo + + - R2 电压比较器 R1 ui 运放工作于开环状态，uR 是参考电压，当输入与参考电 压有微小差值时，输出信号便 会达到饱和，即运放工作于非 线性饱和区。 参考电压等于零时，称为 过零比较器。 Uo(sat) -Uo(sat) o 传输特性 uo ui uR 电压传输特性 U Uo o(sat (sat) ) + +U Uo o(sat (sat) ) 运放处于开环状态运放处于开环状态 基本电压比较器基本电压比较器 阈值电压(
9、门限电平)：输出跃变所对应的输入电压 。 ui uo O UR UR uoui R2 + + R1 + + + 当当 u u + + uu 时，时，u u o o = += +U Uo o (sat) (sat) u u+ + U R R 时，时，u u o o = = U Uo o (sat) (sat) 可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。 参考电压 ui t O UR O uo t +Uo (sat) Uo (sat) t1t2 单限电压比较器：单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。 UR uoui R2 + + R1 + + + 电压传输特性 U
10、 U o o(sat(sat) ) + +U Uo o(sat (sat) ) ui uo O UR ui UR，uo=+ Uo (sat) ui U U R R ，u u o o = = U U Z Z UZ UZ uo R DZ UR uo ui R2 + + R1 + + + 电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat) ui uo O UR u u i i U R R 时，时，u u o o = = U Uo o (sat) (sat) 过零电压比较器过零电压比较器 利用电压比较器利用电压比较器 将正弦波变为方波将正弦波变为方波 电压传输特性电压传输特性 U U o o(sat(sa
11、t) ) + +U Uo o(sat (sat) ) u u i i u uo o O O U UR R = 0= 0 t ui O O t uo +Uo(sat) Uo(sat) O O UR uoui R2 + + R1 + + + 滞回比较器 分析： 当输出为+UZ时 称为上限阈值电压； 当输出为-UZ时 称为下限阈值电压 。 窗口比较器 16.416.4 运放在波形产生方面的应用运放在波形产生方面的应用 波形发生器的作用：波形发生器的作用： 产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波 、三角波、锯齿波等）。、三角波、锯齿波等）。 特点：特点：不用外
12、接输入信号，即有输出信号。不用外接输入信号，即有输出信号。 16.4.1 16.4.1 矩形波发生器矩形波发生器 1. 1. 电路结构电路结构 由滞回比较器、由滞回比较器、 RCRC充放电电路组成，充放电电路组成， 电容电压电容电压u u C C 即是比较器即是比较器 的输入电压，的输入电压， 2. 2. 工作原理工作原理 设电源接通时，设电源接通时， u u o o = += +U Uo o(sat (sat) ) ， ，u u C C (0) = 0(0) = 0。 电阻电阻R R 2 2 两端的电压两端的电压U U R R 即是比较器即是比较器 的参考电压。的参考电压。 u uo o 通
13、过通过 R RF F 对电容 对电容C C充电，充电， u u C C 按指数规律增长。按指数规律增长。 R RF F C C u uC C+ + R R1 1 R R2 2 u uo o + + + + + + 充电充电 U UR R + + 当当 u u o o = += +U Uo o(sat (sat) )时， 时，电电 容充电，容充电， u u C C 上升上升， 电容放电，电容放电， u u C C 下降，下降， 当当u u C C = U= U R R 时，时，u u o o 跳变成跳变成 U Uo o(sat (sat) ) 当当 u u C C = U= U R R 时，时，
14、u u o o 跳变成跳变成 + +U Uo o(sat (sat) ) ， ，电容又重新充电。电容又重新充电。 放电放电 2. 2. 工作原理工作原理 R RF F C C u uC C+ + R R1 1 R R2 2 u uo o + + + + + + 充电充电 U UR R + + R RF F C C u uC C+ + R R1 1 R R2 2 u uo o + + + + + + U UR R + + 3. 3. 工作波形工作波形 充电充电 放电放电 u uo o u uC C t t 1 1 t t 3 3 t t 2 2 T T1 1 T T2 2 T T U U o o
15、(sat(sat) ) + + U Uo o(sat (sat) ) A A 1 1 ：滞回比较器滞回比较器 因因 u u = 0 = 0 ， 所以当所以当 u u + + = 0 = 0 时时， A A 1 1 状态改变状态改变 16.4.2 16.4.2 三角波发生器三角波发生器 1. 1. 电路结构电路结构 A A2 2 ：反相积分电路反相积分电路 C C u u o1o1 R R3 3 D DZ Z R R2 2 + + + + R R6 6 u uo o R R5 5 R R4 4 + + + + + + A A2 2 A A1 1 R R1 1 2. 2. 工作原理工作原理 A1：滞回比较器 因 u- = 0 ，所以当 u+ = 0时，A1状态 改变 输出输出 u uo1 o1 改变 改变(+(+U U Z Z 跃变到跃变到 U U Z Z 或或 U U Z Z 跃变到跃变到 + +U U Z Z ) )， 当 同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。
