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1、第14章 集成运算放大器及应用,佳木斯大学 电工教研室制,第14章 集成运算放大器及应用,14.1 集成运算放大器概述 14.1.1集成运算放大器的结构特点 14.1.2 理想运算放大器 14.2 集成运算放大器的应用 14.2.1信号运算电路 14.2.2信号处理电路 14.3 集成运算放大器的选择和使用 14.3.1集成运放的选择 14.3.2消除自激振荡振 14.3.3调零电路调试 14.3.4运算放大器的保护,第14章 集成运算放大器及应用 14.1 集成运算放大器及概述,佳木斯大学 电工教研室制,14.1 集成运算放大器概述,集成电路是采用特殊制造工艺，在半导体基片上将晶体管、场效应
2、晶体管、二极管、电阻、电容等微型化，制成具有一定功能的电路，并封装引出管脚的一类集成电子器件，它具有体积小、功能强、功耗低、可靠性高、外部连线及焊点少等优点。按集成度分集成电路可分为小规模（SSI）、中规模(MSI)、大规模(LSI)和超大规模(VLSI)4种；按内部元件构成分集成电路可分为双极型和单极型两种；按集成电路功能可分为模拟和数字两种。集成运算放大器属于一类小规模集成电路，用于模拟信号的运算放大等方面，简称集成运放。,第14章 集成运算放大器及应用 14.1 集成运算放大器及概述,佳木斯大学 电工教研室制,14.1.1集成运算放大器的结构特点,1. 集成运放的特点 （1）芯片内部多级
3、放大采用直接耦合方式。 （2）采用差分放大电路作输入级，电路具备良好的抑制零点漂移性能。 （3）电阻采用恒流源电路代替，直流高值电阻、电容和电感，采用外接方式。 （4）晶体管的电极适当组配，作为二极管使用。,2. 集成运放的组成与说明,以F007集成运算放大器为例，其电路可划为输入级、中间级、输出级和偏置电路4个组成部分，其电路组成原理图如图所示，各部分简要说明如下：,第14章 集成运算放大器及应用 14.1 集成运算放大器及概述,佳木斯大学 电工教研室制,第14章 集成运算放大器及应用 14.1 集成运算放大器及概述,佳木斯大学 电工教研室制,（1）输入级又称前置级，由双端输入的高性能差分放
4、大电路构成，特点是输入电阻高，差模放大倍数高，共模抑制比大，静态电流小。 （2）中间级是多级直接耦合放大电路，其作用是使集成运放具有很高的电压放大倍数，多采用共发射极（或共源极）放大电路。 （3）集成运放的输出级采用互补对称功率放大电路或射极输出器。 （4）偏置电路用于设置集成运放的各级放大电路静态工作点，一般由各种恒流源电路组成。,集成运放电路的一般组成框图如图所示，输入级有两个差分电压输入端；输出级有一个电压输出端，框图只体现输入级、中间级、偏置电路、输出级的关系，图中标出的 、 、 均是与“地”为公共端的电压。,第14章 集成运算放大器及应用 14.1 集成运算放大器及概述,佳木斯大学
5、电工教研室制,3. 集成运放的主要参数,（1）输入特性参数,输入失调电压 ：当集成运放输入为零、输出不为零时，输出端输出的电压，通常将其折算到电路的输入端，这个补偿电压就称为输入失调电压。,输入偏置电流 ：输出电压为零时，差分放大电路两个输入端偏置电流的平均值。,最大共模输入电压 ：保证运算放大器对共模信号具有抑制作用的最大共模输入电压。,（2）增益特性参数,开环差模电压增益 ：指集成运放无外加反馈情况下的差模电压放大倍数 。,第14章 集成运算放大器及应用 14.1 集成运算放大器及概述,佳木斯大学 电工教研室制,共模抑制比 ：它为开环差模电压增益 和开环共模电压增益 之比。,共模抑制比主要
6、用于衡量集成运放抑制共模信号的能力。共模抑制比愈大，表明抑制温漂的能力愈强。,（3）输出特性参数,输出电阻 ：指集成运放输出端对地的动态电阻。它是反映集成运放带负载能力的重要指标。 愈小，表明集成运放带负载能力愈强。,最大输出电压 ：指在一定负载条件下，集成运放的最大输出电压，其值与电源电压值有关。,第14章 集成运算放大器及应用 14.1 集成运算放大器及概述,佳木斯大学 电工教研室制,14.1.2 理想运算放大器,分析电路可以将集成运放的性能指标理想化，称为理想运放。,1. 理想运放的性能指标,开环差模增益（放大倍数）,差模输入电阻,输出电阻,共模抑制比,2. 理想运放符号及分析依据,（1
7、）集成运放符号,如图所示，图形符号只画两个差分输入和一个输出端， 表示理想化。,第14章 集成运算放大器及应用 14.1 集成运算放大器及概述,佳木斯大学 电工教研室制,（2）集成运放及分析依据,集成运放是高开环放大倍数的多级放大电路，当集成运放工作在线性区时，输出电压应与输入差模电压成线性关系。,由于 为有限值，对于理想运放，因此 ，即 ，称输入端为“虚短路”。又因为理想运放 ，所以输入端的输入电流为零，即 ，称输入端为“虚断路”。 “虚短路”和“虚断路”是集成运放工作在线性区的重要依据分析。,3. 理想运放在非线性工作区,当,时，,（饱和输出电压）,时，,当,由于理想运放 ，故净输入电流为
8、零。,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,14.2 集成运算放大器的应用,14.2.1信号运算电路,1. 比例运算电路,（1）反相比例运算电路,根据“虚断路”，即,根据“虚短路”，即,闭环电压放大倍数为：,与 成比例关系，负号表示 与 反相。此电路称为反相比例运算放大器。 当 时， ，电路称为反相器。,称为平衡电阻,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,（2）同相比例运算电路,根据“虚短路”有 ，由“虚断路”得 ，即,整理得到,表明 与 同相且 大于 ，此电路称为同相比例运算放大器。当 （断开）或 时， ，电路称为
9、电压跟随器，如图所示。,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,例14-1 电路如图所示，已知 ，其余参数如图中所示，试求出 的值。,解 构成同相比例运算电路， 构成反相比例运算电路， 因此,得出,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,2. 加减运算电路,（1）加法电路,输出与输入关系推导如下：,。,整理得,当,平衡电阻,。,当,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,（2）减法电路,输出与输入关系推导如下：,，,，,所以有,整理得,由“虚短”
10、的概念可知,整理得,当,则得,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,3. 积分微分运算电路,（1）积分运算电路,与反相比例运算电路比较，用电容 代替 作为反馈元件，可以构成积分运算电路，如图所示。,输出输入关系推导如下：,因为,所以,得,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,（2）微分运算电路,若将积分电路中电阻和电容的位置互换，可以得到基本微分运算电路，如图所示。,输出输入关系推导如下：,因为,所以,得,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,4. 对数指数运算电路
11、,（1）对数电路,对数电路如图所示，利用二极管的输入电流与输入电压存在指数函数，即,可得到输出与输入关系式如下：,（2）指数运算电路,指数运算是对数运算的逆运算。因此将对数运算电路中的电阻和二极管互换，便可得到指数运算电路，如图所示。由电路可推导出其输出与输入关系式为,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,14.2.2信号处理电路,1. 有源滤波器,由无源元件组成的滤波器，称为无源滤波器。在无源滤波器后加运放或者晶体管放大电路，称为有源滤波器。与无源滤波器比较，有源滤波器具有体积小、效率高、频率特性好等优点，因而得到广泛应用。,（1）一阶低通
12、有源滤波器,一阶低通有源滤波器电路如图所示，根据电路先推导其传递函数，再讨论其频率特性。,设输入电压为某一频率的正弦波电压，用相量式推导如下：,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,由电路得,即,称为截止角频率,电路的传递函数为,幅频特性表达式,从幅频特性可以看出：信号频率较低时，输出与输入的幅值比可以大于1，信号频率大于截止频率时，幅值比衰减快，因此，该电路具有较好的低通选择性。,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,（2）一阶高通有源滤波器,如果将一阶低通有源滤波器中 电路的 R和C对调
13、，即为一阶高通有源滤波器，其电路及幅频特性如图所示。,从幅频特性可以看出：信号频率较高时，输出与输入的幅值比可以大于1，信号频率小于截止频率时，幅值比衰减快，因此，该电路具有较好的高通选择性。,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,2. 电压比较器,电压比较器是对输入电压信号进行判断比较的电路，用运放组成的电压比较器具有高效、简单、使用方便等优点，在信号处理方面应用广泛。,（1）过零电压比较器,当参考电压为零的电压比较器，称为过零电压比较器，同相输入过零比较器电路及电压传输特性如图所示。由于电路在开环状态（无反馈），即理想集成运放工作在非线性
14、区，因此,当输入电压,当输入电压,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,（2）单限电压比较器,单限电压比较器电路及电压传输特性如图所示。,根据叠加原理，集成运放反相输入端的电压,令,则求出阈值电压,当,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,（3）滞回电压比较器,在单限比较器中，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变。虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。滞回电压比较器具有一定的抗干扰能力，反相输入的滞回电压比较器电路及电压传输特性如图所示。,第14章 集成运算放大器及应用 14.2 集成运算放
15、大器的应用,佳木斯大学 电工教研室制,3 采样保持电路,采样保持电路能够将某一时刻的输入信号采样保持一定时间，到输出完成信号处理后，重新采样保持。它是计算机控制等电路模拟量转换数字量的重要环节。基本采样保持电路如图所示。,工作原理：S是以模拟开关，一般由场效应晶体管控制电路构成。当开关闭合时，为采样阶段开始， 对存储电容C充电， 当开关断开时，保持此刻输入信号给输出，保持阶段开始，当保持周期结束，开关闭合，以后不断重复采样保持过程，完成信号转换。电路特点：理想运放输入电阻无穷大，保持阶段电容无放电回路，电路跟随性好。,第14章 集成运算放大器及应用 14.3 集成运算放大器的选择和使用,佳木斯大学 电工教研室制,14.3 集成运算放大器的选择和使用,14
