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1、第一节 集成运放的组成及基本特性第二节 运放的线性应用及理想运放模型第三节 基本运算电路第四节 电压比较器第五节 波形发生器,第八章 集成运放分析与应用,第一节 集成运算放大器的组成及基本特性,模拟集成电路分成通用集成电路：模拟信号处理电路。专用集成电路：1）控制系统专用集成电路（如电机控制电路、可控硅控制电路等）；2）通信系统专用集成电路（如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等）。3）测试系统专用集成电路（ATE电路、信号变换和处理电路等）、仪器专用电路等。,一 概述,二 集成电路的基本结构,1 集成电路的基本结构,2 数字集成电路的基本结构,运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高
2、增益放大器，它的组成框图如图所示。,运放组成及符号,差放输入级,中间放大级,低阻输出级,恒流源偏置,U-,U+,Uo,三、 模拟集成运放的典型电路,1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U表示；另一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U表示。,4.恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,3.低阻输出级：由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和
3、带有源负载的高增益放大器。,集成运放F007的电路原理,2单极型集成运放,第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。,第二级是共源放大电路，以N沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。,1）RP3的作用是克服 交越失真 。RP2的作用是调节 静态工作点 。RP1的作用是调节 静态工作点 。2）输出功率大于等于 14 W。3）C2、C3的作用是 防止高频自激 。4）级间负反馈元件是 R10、R7 。若反馈深度很大, 电压增益等于 R10/R7 。5）电路属于电压/电流、串联/并联、直流/交流、负反馈/正反馈。（请在四个对的地方大对勾。6）此电路共模抑制比是大
4、还是小 大 。7）AB两点间电压是多少 2.8V ? 此功率放大器是甲类还是乙类 甲乙 。8）低频功率放大器的效率能大于60%吗？（ ）,由前面介绍可知：集成运放原理及内部结构，而应用时常采用线性应用：闭环应用，集成运放可用理想模型来代替。非线性应用：开环应用，如：比较器。,第三节 线性应用及理想运放模型,运放模型分类：,1.按精度分类：,理想模型：,非理想模型：,运放宏模型：,2.按功能分类：,直流模型：,交流小信号模型：,大信号模型：,噪声模型：,1、集成运算放大器的转移特性:,输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），所以常将特性理想化,2、运放线性工作的保障:,两输入端的电压必
5、须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。运放应用电路中：负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。,一、集成运算放大器的线性应用,运放的输出幅度有限（比电源低 2V左右）;运放的开环电压增益一般 10000;,二、理想运放模型：,理想运放具有如下性能：,1、开环电压增益AUd ;,2、输入电阻Rid ;,3、输出电阻Ro=0;,4、频带宽度BW ;,5、共模抑制比CMRR ;,6、失调、漂移和内部噪声为零 ;,运放的主要特点,根据以上特点推出理想运放线性应用时的重要特性,三、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征：,1、u+=u-(虚短),2、 i+=i-=0 (虚
6、断),同相和反向输入端电流近似为零；,两输入端电压近似相等；,Ui=U+-U-= Uo / AU 0,Ui= Uo / AU 0 ; Ui= Ii Ri 0 ; Ii 0 ;,理想运放的开环电压增益 ;,1. 同相端与反相端呈开路状态。2.输出回路为一受控电压源AU(U+-U-) ， 由于Ro=0，所以Uo=AU(U+-U-),3、输出端呈电压源特性：,二、理想运放模型：,理想运放具有如下性能：,1、开环电压增益AUd ;,2、输入电阻Rid ;,3、输出电阻Ro=0;,4、频带宽度BW ;,5、共模抑制比CMRR ;,6、失调、漂移和内部噪声为零 ;,运放的主要特点,根据以上特点推出理想运放
7、线性应用时的重要特性,三、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征：,1、u+=u-(虚短),2、 i+=i-=0 (虚断),同相和反向输入端电流近似为零；,两输入端电压近似相等；,Ui=U+-U-= Uo / AU 0,Ui= Uo / AU 0 ; Ui= Ii Ri 0 ; Ii 0 ;,理想运放的开环电压增益 ;,1. 同相端与反相端呈开路状态。2.输出回路为一受控电压源AU(U+-U-) ， 由于Ro=0，所以Uo=AU(U+-U-),3、输出端呈电压源特性：,反相比例运算,同相比例运算,一、比例运算电路,三、积分微分电路,四、对数指数电路,基本反相积分,基本反相微分,对数电路,二、
8、加、减法运算电路,反相加法运算,同相加法运算,减法运算,第四节 基本运算电路,指数电路,1 反相比例运算电路,1） 实际电路分析法:,(1)电压增益由理想运放“虚短”和“虚断”的概念可知UP= UN=0IP= IN=0其中UN被称为“虚地点”。,因此有 If =I1将相应变量代入后得,为了保证集成运放输入的对称性，要求 Rp=R1/Rf。,（2）输入电阻和输出电阻根据输入电阻的定义：,反相比例电路的输出电阻为Ro=Rf /0 0,上述结果表明：虽然理想运放的输入电阻为无穷大，但是反相比例运算电路的输入电阻却不大。为了提高输入电阻，必须适当增大R1。反相比例运算电路的输出电阻近似为0，表明其带负
9、载能力较强。,2）小信号模型分析法可把上述反相比例运算电路改画成小信号模型等效电路：如图6-17所示。由于： U+= U- =0,故有 : If =I1 即：,则电压增益为：,上式表明：采用两种分析方法所得结论一致，但模型分析法分析过程更直观、更简单。在实际应用中，采用那种分析方法读者可自主选择。,2 同相比例运算电路,为了保证集成运放输入的对称性，要求 R2=R1/Rf。,1) 电压增益由理想运放的“虚短”和“虚断”的概念可知，集成运放的净输入信号为零，即UP= UN= Ui则有 If =I1将相应变量代入后得：,2)输入电阻与输出电阻Ri=Ro=Rf /0 0,结论：Auf的大小决定于Rf
10、和R1的比值，Auf为正值，说明输出电压与输入信号电压是同相的。,则电压增益为,在极限情况下:有AUf=1，Ui= Uo；Ri和Ro=0。,称为电压跟随器：作用：阻抗变换。,输出电阻 Ro=Rf /0 0,输入电阻为,电压增益为,输入电阻,电压增益为,输出电阻,Ro=Rf /0 0,Ri=,此处不加电阻是否可以？为什么？,二 加减运算电路,1加法电路（反相）,由于：I1= U1/ R1 I2= U2/ R2 I3= U3/ R3又由“虚断”可得：If= I1+ I2+ I3因而输出电压,同理对于有n个输入端的加法电路有：,结论：(1)反相加法器的输出电压与输入电压之和成正比。 (2)比例系数由
11、各输入电阻比值决定与运放参数无关。 (3)输入电压与输出电压的极性成反比。,Rp=R1/R2/ / Rn / Rf,构成要求,即：（R +=R -）,【例6 1】试用叠加原理，计算图621所示由同相放大器组成的加法电路的输出电压Uo表达式。,解：,而UP可用叠加原理求出。令U2=0，则由U1产生的UP 为,同理，令U1=0，则由U2产生的UP” 为：,与反相加法电路相比较，同相加法电路共模输入较高，且调节不大方便，因此运用较少。,因此,故,2. 有n个输入端的同相加法电路,在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图所示。,同相加法电路,因运放具有虚断的特性；对
12、运放同相输入端的电位可用叠加原理。,求得：,结论：(1).同相加法器的输出电压与输入电压U1 Un之和成正比。 (2).优点：输入阻抗高。,3. 减法电路,减法器为同、反相放大器的组合，利用叠加原理求解：,减法电路,1.只考虑U1作用时：,2.只考虑U2作用时：同相端输入电压为：,3.总输出电压为：,结论：(1)减法器的输出电压与输入电压之差成正比。(2)减法器又称差分放大器 。(3)为减小运放失调误差影响设计时应保持：R1/ Rf = R2/ R3。,实例： 双端输入求和电路,双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图： 其输出电压表达式的推导方法与同相加法电路相似。,双端输入求和运算电
13、路,当Ui1=Ui2 =0时，用叠加原理分别求出:Ui3和Ui4 时作用时的输出电压Uop。当Ui3 = Ui4 =0时，分别求出:Ui1和Ui2作用时的Uon。,先求,式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf,再求,于是,行为特性分析,放大型组态,行为特性分析,振荡组态,【例62】图623所示电路是一个具有高输入阻抗、低输出阻抗的测量放大器，其增益可通过改变R4值进行调节。假设运放是理想的，试证明：,解：直接应用虚短和虚断的概念求解。由虚短的概念可知：U2= UN2、U1= UN1，所以有,又由虚短的概念可知： I1= I4= I2由此可导出,对于A3与R1、R1 构成差动式减法
14、电路,因此有,三、 积分电路,积分运算电路的分析方法与反相比例电路类似，反相积分运算电路如图所示：,i1(t)= if (t),i1(t)= ui (t)/R,1.利用虚地的概念：,3.电容两端的电压：,Rf可抑制直流漂移限制低频增益,2.利用虚断的概念：,当输入信号是阶跃直流电压E时:,图 07.05 积分运算放大电路（动画12-1）,3.输出电压电压：,反映了输入输出的积分关系。,若输入信号电压是直流电压E：则输出电压uo(t)随时间t按负斜率下降，如图所示。,积分器除了进行数学运算外，在电子技术中常用作波形变换。若输入信号是一方波电压信号，其幅值为5V，频率为1kHz，电路元件R=10k
15、，C=0.1F，输出信号变成三角波，如图6-25（b）所示，三角波的幅值为,由于Uim=5V，T=1/1 kHz=10-3s，可求得：,结论:1.现精确积分的关键是确保运放反相端为“虚地”。（这样能保证C的充电电流正比于输入电压。）2.若反馈回路接入大阻值电阻Rf可抑制直流漂移、直流增益。3.设计时应满足：,输出电压,输出电流,负载电流,且输出电压的幅值要小于等于Uom，由此可知，输出电压可表示为 Uo= ( Ui/RC)TUom,【例6-2】如图6-24所示积分器，已知输入矩形波电压幅值U1=1V，T=10ms，见图6-25（b），运放最大输出电压Uom=10 V，求电路元件R和C的值。,【解】由于：,即：UiT Uom RC由上式可求出RC乘积为RC UiT / Uom =110lo-3/10=1ms可取电阻：R10k；电容：C0.1F,
