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1、第2章 集成运放及其基本应用,2.1 放大的概念和放大电路的性能指标,2.2 集成运算放大电路,2.3 理想运放组成的基本运算电路,2.4 理想运放组成的电压比较器,2.1 放大的概念和放大电路的性能指标,2.1.1 放大的概念,电信号,u,放大电路（扩音机）,较大声音,直流电源,任何放大电路都需要直流电源供电。,放大电路放大的本质是能量的控制和转换。,在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的交流能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。,能量转换器，将直流电能转换成交流电能,电子电路放大的基本特征是功率放大。,放大的对象是变化量。,对放大电路的基本要求是不失
2、真。,能够控制能量的元件称为有源元件。,2.1.2 放大电路的方框图及其性能指标,1. 放大电路的方框图,放大电路,输入端,输出端,+,RS,-,RL,+,-,Ri,+,Ro,-,2. 放大电路的性能指标,（1）放大倍数A,输出量与输入量之比就定义为放大倍数。,电压放大倍数：输出电压相量与输入电压相量之比，即,输出量,输入量,（2）输入电阻Ri和输出电阻Ro,输入电阻Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻，定义为输入电压的有效值Ui和输入电流有效值Ii之比，即,Ri=Ui/Ii,在信号源确定的情况下，Ri越大，从信号源索取的电流越小，信号源内阻的压降越小，放大电路的输入电压将越大。,若要从信号
3、源获得更大的输入电压，则放大电路的输入电阻Ri应增大；,若要从信号源获得更大的输入电流，则放大电路的Ri应减小。,放大电路,+,RS,-,RL,+,-,Ri,+,Ro,-,输出电阻Ro是从放大电路输出端往放大电路方向看进去的等效电阻。,放大电路,+,RS,-,RL,+,-,Ri,+,Ro,-,Ro越小，RL变化时，Uo的变化越小，称为放大电路的带负载能力越强。,若Ro趋于0，则其输出近似为恒压源；,若Ro趋于无穷大，则其输出近似为恒流源。,放大电路,Ri1,+,Ro1,-,放大电路,RL,+,-,Ri2,+,Ro2,-,后级放大电路的输入电阻是前级放大电路的负载电阻；,前级放大电路的输出是后级
4、放大电路的信号源，信号源的内阻是前级放大电路的输出电阻。,（3）通频带,放大电路的放大倍数与信号频率的关系曲线称为幅频特性。,作为放大电路性能指标的放大倍数是指中频放大倍数Am。,通频带：,fBW=fHfL,（4）最大不失真输出电压,最大不失真输出电压是在不失真的前提下能够输出的最大电压，一般用Uom表示。,（5）最大输出功率和效率,在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率Pom。,此时，输出电压达到最大不失真输出电压。,放大电路中供电的直流电源能量的利用率称为效率，则放大电路的最大输出功率Pom与直流电源提供的功率Pv之比，即,2.2 集成运算放大电路,集成电路:,
5、将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,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；, ,集成电路内部结构的特点：,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. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4. 二极管一般用三极管的发射结构成。,2.2.2 集成运放的符号及其电压传输特性,+VCC,-VCC,+,-,VCC为直流工作电源,输出端u
6、o,反相输入端uN,同相输入端uP,Aod,“+”、“-”号表示两种不同性质输入端的标志。,信号从uP端输入时，输出信号与输入信号同相；,信号从uN端输入时，输出信号与输入信号反相。,差模开环放大倍数,集成运放的输出电压与输入电压（即反相输入端与同相输入端之间的差值电压）之间的关系曲线称为电压传输特性，即,uo=f(uN-uP),线性区,饱和区,当集成运放工作在线性区时，,uo=Aod(uN-uP),通常Aod非常高，可达几十万倍，因此集成运放电压传输特性中的线性区非常之窄。,2.2.3 理想集成运放,+,-,+-,u+,u-,rid,ro,uo,=Aod(u+-u-)=Aodud,输入电阻,
7、输出电阻,ud=u+-u-，称为差分输入电压。,若rid=、ro=0、Aod=，则称为理想运放。,2.2.4 理想运放两个工作区域的特点,1. 工作在线性区（引入负反馈时，运放的输出端与反相输入端间接有无源网络）的特点,理想运放的条件,u+=u-，uP=uN，称为虚短路。,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,即iP= iN=0。,2. 工作在非线性区（开环或引入正反馈时，输出端与同相输入端间接有无源网络）的特点,（1）当uPuN时，uo=UOM；当uPuN时，uo=-UOM。接近供电电源的电压VCC。,（2）iP= iN=0。,分析运放组成的线性电路的
8、出发点：,虚短路 虚开路,2.3 理想运放组成的基本运算电路,2.3.1 比例运算电路,1. 反相比例运算电路,i1= i2,虚短路,虚开路,虚开路,uN=0,UAB=UA-UB,=ui/R1,=-uo/R2,KCL：i=0,RP =R1 / R2,ri=ui/i1=R1,为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,共模电压：,uN=0,求：Au =?,虚短路,虚开路,+,-,G11U1+G12U2+G13U3=Is11,i1= i2,虚开路,该放大电路在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。,2.
9、同相比例运算电路,u-= u+= ui,虚短路,虚开路,虚开路,ri=ui/iP=,=ui/R1,= (uo- ui)/R2,3. 电压跟随器,=,虚短路,2.3.2 加减运算电路,1. 反相求和运算,若R11=R12=R2，则,uo=-(ui1+ui2),=ui1/R11,=ui2/R12,=-uo/R2,2. 同相求和运算,此电路如果以u+ 为输入 ，则输出为：,叠加原理：,如何求同相输入端的电位？,输出电压与输入电压的关系如何？,3. 加减运算电路,节点电压法：,R1/R2/R5=R3/R4/R6,解出：,例：设计一个加减运算电路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 -
10、20ui3,解:,(1) 画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,(2) 求各电阻值。,uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,2.3.3 积分运算电路和微分运算电路,1. 积分运算电路,u= u+= 0,应用举例1：,如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,应用举例2：,输入方波，输出是三角波。,思考：如果输入正弦波，输出波形怎样，请大家计算。,积分电路的主要用途：,（1）在电子开关中用于延迟。,（2）波形变换。,（3）A/D转换中，将电压量变为时间量。,（4）移相。,2. 微分运算电路,u= u+= 0
11、,2.4 理想运放组成的电压比较器,电压比较器输入的是模拟信号，输出只有两种可能状态：高电平UOH或低电平UOL。,电压比较器中集成运放工作在非线性区。,2.4.1 电压比较器概述,1. 电压比较器的用途,首先应用于各种报警电路。,此时输入的模拟电压可能是温度、压力、流量、液面等通过传感器采集的信号。,其次，应用于自动控制、电子测量、鉴幅、模数转换、各种非正弦波形的产生和变换电路中。,2. 电压比较器电路的特点,（1）iP=iN=0。,（2）(uP-uN)的大小取决于整个电路的输入电压。,（3）uPuN时，uo=UOH；uPuN时，uo=UOL。,（4）当输入电压ui经过某一设定值UT时，输出
12、将从一个电平跃变到另一个电平。,3. 电压比较器的电压传输特性,输出电压uo与输入电压ui之间的函数关系曲线称为电压传输特性。,电压传输特性有三个要素：,（1）输出电压高电平UOH和低电平UOL的数值。,（2）阈值电压UT的大小，也称为转折电压、门槛电平、门限电平等。,UT是使输出电压从UOL跃变为UOH，或从UOH跃变为UOL的输入电压ui，也就是使集成运放两个输入端电压相等（uP=uN）时的输入电压。,（3）输入电压ui过UT时输出电压uo的跃变方向。,即ui过UT时，输出电压uo是从UOL跃变为UOH，还是从UOH跃变为UOL。,4. 电压比较器的种类,（1）单限比较器。,电路只有一个U
13、T，在ui增大或减小的过程中只要经过UT，uo就产生跃变。,ui,uo,UOH,UOL,O,（2）滞回比较器,电路有两个阈值电压UT1和UT2。,若UT1UT2，则输入电压ui在增加过程中，只有经过UT2时，输出电压uo才产生跃变；,ui,uo,UOH,UOL,O,UT2,UT1,输入电压ui在减小过程中，只有经过UT1时，输出电压uo才产生跃变；,UT,（3）窗口比较器,电路有两个阈值电压UT1和UT2。,ui,uo,O,UT2,UT1,若UT1UT2，则输入电压ui从小变大的过程中，经过UT1时输出电压uo产生一次跃变，继续增大经过UT2时， uo发生相反方向的跃变；,输入电压ui从大变小
14、的过程中，经过UT2时uo产生一个跃变，继续减小经过UT1时uo产生相反方向的跃变。,2.4.2 单限比较器,1. 过零比较器,ui,uo,-,+,ui,uo,UOH,UOL,O,ui,uo,-,+,ui,uo,UOH,UOL,O,2. 一般单限比较器,ui,uo,-,+,R1,R2,UREF,当uiUT时，uo=UOL；当uiUT时，uo=UOH。,ui,uo,UOH,UOL,O,UT,参考电压,改变UREF的大小和极性，就可以改变UT的大小和极性；,或者改变R1和R2的比值，也可以改变UT的大小。,若要改变uo的跃变方向，应将反相输入端接地。,电压比较器电压传输特性三要素的求解方法：,（1
15、）由集成运放最大输出电压决定输出高UOH和低电平UOL。,（2）写出集成运放两输入端电位uP和uN的表达式，uP=uN时的输入电压ui即为阀值电压UT。,（3）若输入电压从反相输入端（或通过电阻）输入，则当uiUT时，uo=UOL；当uiUT时，uo=UOH。,例2.4.1 电路如图所示。,ui,uo,-,+,R1,R2,+2V,集成运放的最大输出电压UOM=12V，R1=R2。试求解：,（1）电位器调到最大值时电路的电压传输特性。,（2）电位器调到最小值时的阀值电压UT。,解：由图可看出UREF=2V，uP=uN时的ui即为UT。,（1）R2最大时，即R1=R2，,输入电压从同相输入端输入，则当ui4V时，即uPuN , uo=+12V；当ui4V时，uo=-12V。,（2）当电位器最小时，即R2=0，则ui直接作用于同相输入端，所以UT=2V。,2.4.3 滞回比较器,1. 滞回比较器的工作原理,ui,uo,-,+,R1,R2,当ui-UT，即uNuP时
