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1、第十章第十章 集成运算放大器集成运算放大器第十章第十章 集成运算放大器集成运算放大器第一节第一节第一节第一节 集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述第二节第二节第二节第二节 集成运算放大器的输入方式集成运算放大器的输入方式集成运算放大器的输入方式集成运算放大器的输入方式第三节第三节第三节第三节 集成运放在信号运算方面的应用集成运放在信号运算方面的应用集成运放在信号运算方面的应用集成运放在信号运算方面的应用第四节第四节第四节第四节 集成运放在信号测量方面的应用集成运放在信号测量方面的应用集成运放在信号测量方面的应用集成运放在信号测量方面的应用第五节第五节
2、第五节第五节 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用第六节第六节第六节第六节 集成运放在信号产生方面的应用集成运放在信号产生方面的应用集成运放在信号产生方面的应用集成运放在信号产生方面的应用第一节第一节第一节第一节 集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述一、集成电路的特点一、集成电路的特点1）元器件参数的一致性和对称性好元器件参数的一致性和对称性好。2）二极管多用三极管的发射结代替二极管多用三极管的发射结代替。3）电阻的阻值受到限制电阻的阻值受到限制。大电阻常用三极管恒流源代替，。大电阻常用三极管恒流源代替，
3、电位器需外接；电位器需外接；4）电容的容量受到限制电容的容量受到限制。电感不能集成，故大电容、电感电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。和变压器均需外接。运算放大器是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。运算放大器是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。集成运放是集成运放是将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。二、二、 集成运放的组成集成运放的组成 1. 1.集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图输入级输入级输出级输出级中间级中间级输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器
4、或互补对称功率放大器中间级中间级 电压放大器电压放大器 2. 2.集成运放的基本结构集成运放的基本结构输入级输入级中间级中间级 输出级输出级-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端V3V4V1V2基本原基本原理框图理框图V5-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端V3V4V5V1V2要求：要求：输入级输入级尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大。尽可能大。-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端V3V4V5V1V2输入级输入级中间级中间级足够大的电压放大倍数足够大的电压放大倍数-UEE+UCC uuo
5、 u反相端反相端同相端同相端V3V4V5V1V2输入级输入级中间级中间级 输出级输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。V3V4V1V2 u u反相端反相端同相端同相端uo与与uo反相反相与与uo同相同相V5uou+u 3. 3.集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号输出端输出端反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端Au0信号传信号传输方向输方向实际实际运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数理想理想运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数 ri 高高:几十几十k 几百几百k 实际运放：实际运放：KCMRR很
6、大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A u0 很大很大:104以上以上 107理想运放：理想运放： ri KCMRR ro 0Au0 运放符号：运放符号： u u+ uo Au0_+ + u+u-u01.1.集成运放的参数集成运放的参数2.2.电压传输特性电压传输特性Ao越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区加负反馈才能使其工作于线性区。实际运放实际运放uo_+ +Au0uiUO（sat）UO（sat）UimUimuiuO0ui=u+-u- 理想运放的电压传输特性理想运放的电压传输特性UO（sat）UO（sat）理想运放理想运放 uo=
7、f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uOui0uiuo+iiui对于理想运放对于理想运放rid相当于两输入端之间相当于两输入端之间短路短路uiiirid=对于理想运放对于理想运放 u u+相当于两输入端之间相当于两输入端之间断路断路uOii 0Auoui 0,rid,2 2）“ “虚短路虚短路虚短路虚短路” ”原则原则原则原则“ “虚断路虚断路虚断路虚断路” ”原则原则原则原则1）3.3.理想运放工作在线性区的分析依据理想运放工作在线性区的分析依据+uo=uiu=uAuo+uiuO+*：由于运放的开环放大倍数很大，输由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常
8、将其入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想化，称其所谓的理想运放理想运放。理想运放的条件：理想运放的条件：放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关，可以分开分析。可以分开分析。虚短路虚短路虚断路虚断路第二节第二节 集成运算放大器的输入方式集成运算放大器的输入方式一、一、 反相输入反相输入_+ + RFR1RPuiuoi1iFi1=iF_+ + RFR1RPuiuo电路的输入电阻：电路的输入电阻：Ri=R1反馈方式：反馈方式：电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻很小！输出电阻很小！平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。的静态电阻相等。RP=R1/RF电位为
9、电位为0，虚地。，虚地。输入电阻小、输入电阻小、共模电压为共模电压为0，以及以及“虚地虚地”是反相输入的特点是反相输入的特点二、同相输入二、同相输入_+ + RFR1RPuiuou-= u+= ui电压串联负反馈电压串联负反馈输入电阻高。输入电阻高。共模电压：共模电压：ui没有虚地概念。没有虚地概念。ifi1当当RF=0，R1= 时，电路为时，电路为电压跟随电压跟随器器_+ + RFuiuo此电路是电压此电路是电压串联负反馈，输串联负反馈，输入电阻大，输出入电阻大，输出电阻小，在电路电阻小，在电路中作用与分离元中作用与分离元件的射极输出器件的射极输出器相同，但是电压相同，但是电压跟随性能好。跟
10、随性能好。三、三、 差动输入差动输入_+ + RFR1R2ui2uoR3ui1解出：解出： 差动运算电路差动运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析ui1i2uuo=uo+uo= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3_+ + RFR1R1ui2uoRFui1差动信号放大差动信号放大了两个信号的了两个信号的差，但是它的差，但是它的输入电阻不高输入电阻不高（2R1）。）。若取若取R2=R1，R3=RF则则：以上电路的比较归纳：以上电路的比较归纳：
11、1）它们都引入电压负反馈，因此输出电它们都引入电压负反馈，因此输出电压稳定，输出电阻都比较小压稳定，输出电阻都比较小 。2）关于输入电阻：）关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高，差动输入电阻亦小。入电阻高，差动输入电阻亦小。3） 同相输入的共模电压高，反相输入的同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。共模电压小。第三节第三节第三节第三节 集成运放在信号运算方面的应用集成运放在信号运算方面的应用集成运放在信号运算方面的应用集成运放在信号运算方面的应用uiuoi1iFRFR1R2uo = ui RF R1有：有：1.1.反相比例运算电路反相
12、比例运算电路一、比例运算一、比例运算RFRR1 12uiuo uo = 1+ u+RFR1 1 = 1+ ui RF R1 12.2.同相比例运算电路同相比例运算电路有：有：uiuo3.3.同相跟随器同相跟随器uo = uiRFR若不接入电阻若不接入电阻R、RF，运算关系不变，运算关系不变二、加法运算二、加法运算_+ + RFR11R12ui2uoRPui1i11i12iF1.1.差动比例运算电路差动比例运算电路uoRFR1R1RF三、减法运算电路三、减法运算电路ui1ui2差动比例运算差动比例运算是减法运算电是减法运算电路的一种形式路的一种形式 （ui2 uO=RFR1- - ui1） 1
13、11ui121 2. 2.两级反相输入减法运算电路两级反相输入减法运算电路132212A2A1uo11uRRRRRRRi2F2= uoui1 ui2RRRR 13 12F2F2应用举例：应用举例：tui0四、积分运算四、积分运算tuo01）输入方波，输出）输入方波，输出是三角波。是三角波。i1iFu i-+RR2Cuo2）如果积分器从某一时刻输入一直流电）如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。后输出饱和。tui0tuo0U-Uo（sat）TM积分时限积分时限五、微分运算五、微分运算u-= u+= 0u i+uoRR2i1
14、iFC1）若输入：）若输入：则：则：tui0tuo0微分应用举例微分应用举例uuOiC duidtuo= RC uoui输出与输入输出与输入的关系式为的关系式为2）若输入为方波）若输入为方波则输出波形为则输出波形为uiuoi1ifRFR1R2虚地：虚地：ui1 = iR1 反相比例运算电路反相比例运算电路R3R4设设: RFR4 , 求求Auf解：解：解：解：R4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uououo=R4R3R4+uo得得 uoif = RF例例1 1求解微分方程求解微分方程dtduo5uo =
15、 10ui根据电路参数，所要根据电路参数，所要求解的微分方程为：求解的微分方程为：uouiA1A3A210k 100k 100k 150k 50k 50k 0.1 F例例2 2uouiA1A3A210k 100k 100k 150k 50k 50k 0.1 Fuo1dtduo5uo = 10uiT型电阻网络电路型电阻网络电路I=I1-I2=（1+RF1RF2）U1R1RF2I1I1I2IRF1RF3R1U1UO例例3 3第四节第四节 集成运放在测量方面的应用集成运放在测量方面的应用指针式电表的缺点：指针式电表的缺点：（1）不能测量微小电压；）不能测量微小电压；（2）Rg不是不是0或或 ，因此引
16、起误差，因此引起误差；（3）作交流测量时，表盘刻度是非线性的，）作交流测量时，表盘刻度是非线性的，影响精度。影响精度。一、电压和电流转换一、电压和电流转换可以作为电压表测量小电压可以作为电压表测量小电压_+ + RFRGUxFIG输入电阻大，相输入电阻大，相当于电压表的内当于电压表的内阻是无穷。阻是无穷。IG正比于正比于UX与与RG无关无关_+ + RFRGUxFIG若：若：IG=100 A，RF=10 ，则：，则：UX=IGRG=1mV此电路的优点此电路的优点1）能测量较小的电压；能测量较小的电压；2）输入电阻高，对被测电路影响小输入电阻高，对被测电路影响小；3）与与RG无关，表头的互换性好
17、无关，表头的互换性好；4）RF小，可以做得较精密。小，可以做得较精密。电压表扩大量程电压表扩大量程_+ + RFRGFIG1mV表头表头R1R2R31mV10mV100mV分压电阻的计算分压电阻的计算取取R1=100k解出：解出：R2=900k,R3=1M 二、微电流的测量二、微电流的测量UO+12V3DG12CRRF测量测量3DG12C的的ICEO ， ICEO= UO R F该电路采用并联电压负反馈，输入电阻小，测量精度高该电路采用并联电压负反馈，输入电阻小，测量精度高该电路采用电压负反馈该电路采用电压负反馈 ，输出电压稳定，输出电压稳定 三、测量放大电路三、测量放大电路+A-+ARRRW
18、ui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+AR2R2uo+A_+ARRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1+AR2R2uouo1uo2该电路采用差动电路的结构，放大倍该电路采用差动电路的结构，放大倍数可调数可调。由于输入均在同相端，此电路的输入由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高电阻高。第五节、集成运放的非线性应用第五节、集成运放的非线性应用所谓非线性应用是指，由运放组成的所谓非线性应用是指，由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关电路处于非线性状态，输出与输入的关系系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。非线性电路有以下三
19、种情况。1）电路中的运放处于非线性状态。）电路中的运放处于非线性状态。+Auoui比如：运放开环应用比如：运放开环应用uoui运放处于非线性状态。运放处于非线性状态。2）电路中的运放处于线性状态，但外围电）电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管）。路有非线性元件（二极管、三极管）。ui0时：时：uiu- uo=+UO(sat) u+0UZ总结总结1）电路简单。）电路简单。2） 容易引入干扰。容易引入干扰。tuituo过零附近仍过零附近仍处于放大区处于放大区3）当）当Ao不够大时，输出边沿不陡。不够大时，输出边沿不陡。三、迟滞电压比较器三、迟滞电压比较器1.1.下行的迟
20、滞比较器下行的迟滞比较器分析：分析：（1）因为有正反馈，所以）因为有正反馈，所以能加速输出端的翻转能加速输出端的翻转（2）当）当uo正饱和时：正饱和时：（3）当）当uo负饱和时：负饱和时：比较电压由原比较电压由原来的输出决定来的输出决定+uoR1RfR2uiU+传输特性传输特性U+HU+L翻转后增大了翻转后增大了U+-U- ，进一步加速翻转，进一步加速翻转URH -URL称为称为回差回差小于回差的干扰不会引起跳转小于回差的干扰不会引起跳转下限下限上限上限uoui0Uo（sat）-Uo（sat）uRHuRLtuiURHURLtuoUo（sat）-Uo（sat）输入正弦波的情况输入正弦波的情况加上
21、参考电压后的上下限加上参考电压后的上下限+uoR1RfR2uiUR加上参考电压后的传输曲线加上参考电压后的传输曲线uoui0U+HU+LuRHuRL2.2.上行的迟滞比较器上行的迟滞比较器从从u+=0 时翻转，时翻转，可以求出上下可以求出上下限。限。+uoR1RfR2uiuoU+HU+Lui0Uo（sat）-Uo（sat）传输特性曲线传输特性曲线uRHuRL为了稳定输出电压，可以为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管在输出端加上双向稳压管如何计算上下限？如何计算上下限？不变！不变！+R1RfR2uiuo UZ另一种电路形式另一种电路形式如何计算上下限？如何计算上下限？用用UZ代替代替Uo
22、（sat）+R1RfR2uiuo UZ另一种电路形式另一种电路形式如何计算上下限？如何计算上下限？上下限不同！上下限不同！+R1RfR2uiuoUZ电压比较器的分析方法电压比较器的分析方法1）输出电压跃变的条件输出电压跃变的条件uu =+由此可求出电压比较器的门限电压由此可求出电压比较器的门限电压2）电压传输特性电压传输特性uu +uo0 0；时，时，uu +uo1 也就是说每次也就是说每次Xf大于前一时刻的大于前一时刻的Xf。振荡的振荡的建立过程也就是建立过程也就是|A 0F|从大于从大于1到等于到等于1的过的过程。程。放大环节放大环节选频网络选频网络正反馈环节正反馈环节稳幅环节稳幅环节2.
23、2.振荡器的组成振荡器的组成3.RC3.RC振荡电路振荡电路用用RC电路构成选频网络的振荡电路即电路构成选频网络的振荡电路即所谓的所谓的RC振荡电路，可选用的振荡电路，可选用的RC选频网络选频网络有多种，这里只介绍有多种，这里只介绍文氏桥选频电路文氏桥选频电路。R1C1R2C2R1C1R2C2时相移为时相移为0。如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：，则：频率特性：频率特性：+90 90 fff0_+ + R2uoR1用运放组成的用运放组成的RC振荡器：振荡器：所以只有在所以只有在f0 处处才满足相位条件：才满足相位条件：因为：因为：A 0F=1ufRCRC_+ + RTuoRCRC
24、R1t 能自行启动的电路（能自行启动的电路（1）uotRtAu半导体热敏电阻半导体热敏电阻起振时起振时RT2R1, uo越大则越大则RT越小。越小。能自行启动的电路（能自行启动的电路（2）uo_+ + R21RCRCR1D1D1R22R21+R22略大略大于于2R1,随着随着uo的增加，R22逐渐被短接，Au自动下降。R1R2uOui R3R1UZRFDZ迟滞电压比较器迟滞电压比较器二、二、 方波发生器方波发生器1.1.电路的组成电路的组成 方波发生器方波发生器 CRFuOR2uoUZR3UZ R1Dz zCuCFUZ-UZ-FUZt2.2.方波发生器的工作原理方波发生器的工作原理ucuo=
25、UZu+= FUZ设设uo=UZu+= FUZ，C充电；充电；，C放电；放电；当当 uC = FUZ0T1T2RFuOR2uOUZR30UZR1DZCuCFUZ-UZ-FUZtuC3.3.方波发生器的主要参数方波发生器的主要参数2R2周期周期 T=2RFCln(1+R1)幅度幅度 Uom=UZ TR4R2 R3R1UZDZ三、三角波发生器三、三角波发生器1.1.三角波发生器的组成三角波发生器的组成A1 uiuO1CuOR5A2R三角波发生器三角波发生器由由组成组成A1 滞后电压比较器滞后电压比较器A2 反相积分电路反相积分电路2.2.三角波发生器的工作原理三角波发生器的工作原理R4R2uO R
26、3R1UZDZR5RCA1A2uO1tt0UZ-UZuO1uOTTT4T23.3.三角波发生器的主要参数三角波发生器的主要参数三角波幅值三角波幅值 Uom= UZ R2 R1R2 R1UZ三角波周期三角波周期 T = 4RCR2 R10R2 R1UZ-R4R2uO R3R1UZDZ四、锯齿波发生器四、锯齿波发生器R5CA1A2RD1RD2uO1RD2RD2 RD1 RD1充电充电放电放电当积分电容的充电和当积分电容的充电和放电放电时间常数不同时，时间常数不同时，三角波发生器就变为锯齿波发生器。三角波发生器就变为锯齿波发生器。1.电路的组成和工作原理电路的组成和工作原理R4R2uO R3R1UZ
27、DZR5CA1A2RD1RD2uO1 充电充电放电放电2.2.锯齿波发生器的工作原理锯齿波发生器的工作原理3. 锯齿波发生器的主要参数锯齿波发生器的主要参数锯齿锯齿波幅值波幅值 Uom = UZR2 R1uO10UZ-UZtuO0tTTT2T1R2 R1UZR2 R1UZ-锯齿锯齿波周期波周期 T = (R+R )C2R2 R1锯齿锯齿波占空比波占空比 D =R+RRT1 T=14 13 12 11 10 9 81 2 3 4 5 6 7NCNCINFMTHDADJ 2THDADJ1OUT(S)OUT(T)OUT(Q)RARBVCCVEE /GNDRFMCT函数发生器的功能：函数发生器的功能：
28、集成电路，如正弦波、集成电路，如正弦波、方波、三角波、矩形方波、三角波、矩形波和锯齿波，而且占波和锯齿波，而且占空比可调。可将其归空比可调。可将其归属于压控振荡器集成属于压控振荡器集成电路系列。电路系列。 5G8038是函数发是函数发生器的典型产品。生器的典型产品。五、函数发生器五、函数发生器五、函数发生器五、函数发生器函数发生器是一种能产生多种信号波形的专用函数发生器是一种能产生多种信号波形的专用5G803823965478101112+VCC方波方波5G8038VEE/GNDR2CR1RLRP1RP2电路可同时产生正弦波、方波和三角波，若调电路可同时产生正弦波、方波和三角波，若调电路可同时产生正弦波、方波和三角波，若调电路可同时产生正弦波、方波和三角波，若调整整整整R RP1，可得到不同占空比的，可得到不同占空比的，可得到不同占空比的，可得到不同占空比的矩形波矩形波矩形波矩形波和和和和锯齿波锯齿波锯齿波锯齿波。三角波三角波正弦波正弦波函数发生器函数发生器5G8038的典型应用电路的典型应用电路第十章结束第十章结束
