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1、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术第第16章章 集成运算放大器集成运算放大器16.116.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍16.216.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用16.416.4 运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用16.516.5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题
2、使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题16.316.3 运算放大器在信号处理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信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术1. 1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2. 2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理解运算放大器的电压传输特性，理解理解运算放大器的电压传输特性，理解理解运算放大器的电压传输特
3、性，理解理想理想理想理想 运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器并掌握其并掌握其并掌握其并掌握其基本分析方法基本分析方法基本分析方法基本分析方法。3. 3. 理解用集成运放组成的理解用集成运放组成的理解用集成运放组成的理解用集成运放组成的比例、加减、微分和比例、加减、微分和比例、加减、微分和比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理积分运算电路的工作原理积分运算电路的工作原理积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器，了解有源滤波器，了解有源滤波器，了解有源滤波器 的工作原理。的工作原理。的工作原理。的工作原理。4. 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压
4、比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求本章要求第第16章章 集成运算放大器集成运算放大器下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。一种模拟集成电路。 集成电路集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上间的联接同时制
5、造在一块半导体芯片上, 组成一个不组成一个不可分的整体。可分的整体。 集成电路特点集成电路特点集成电路特点集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。靠性高、价格低。集成电路分类集成电路分类集成电路分类集成电路分类按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术各类型号集成芯片各类型号集成芯片下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子
6、技术电子技术16.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dB 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. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感容、电感 和变压器均需外接；和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。二极管多用三极管的
7、发射结代替。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术+UCCUEEu uo ouu+16.1.2 电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级中间级中间级输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端 输入级：输入级：采用带恒流源的采用带恒流源的差分放大差分放大电路，输入电阻高，能减电路，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。小零点漂移和抑制干扰信号。 中间级：中间级：常用带恒流源的常用带恒流源的共发射极放大共发射极放大电路构成，电压放大电路构成，电压放大倍数高。倍数高。 输出级：输出级：一般由一般由互补对称电路互补对称电路或
8、或射极输出器射极输出器构成，输出电阻构成，输出电阻低，带负载能力强。低，带负载能力强。 偏置电路偏置电路：恒流源电路构成，提供合适的偏流，决定各级：恒流源电路构成，提供合适的偏流，决定各级Q Q。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术集成集成集成集成运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数8 7 6 5 F0071 2 3 4 u-u+-UCC+UCC输出输出 F0078172345
9、6下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术16.1.3 主要参数主要参数1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压
10、最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好愈小愈好愈小愈好3. 输入失调电压输入失调电压 UIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术16.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据1. 理想运算放大器的条件理想运算放大器的条件Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui)线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线
11、性区（饱和区）：非线性区（饱和区）：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通
12、滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性 0| Auf0 | T(j ) | O下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术2. 2. 有源高通滤波器有源高通滤波器有源高通滤波器有源高通滤波器uiuoRFCR+ R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有故：故：下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器
13、。 若频率若频率若频率若频率 为变量，则为变量，则为变量，则为变量，则电路的传递函数电路的传递函数电路的传递函数电路的传递函数其模为其模为 幅频特性幅频特性 0| Auf0 | T(j ) | O下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号1. 1. 电路电路16.3.2 采样保持电路采样保持电路 SuC+ui+uo+ 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模 - 数转换电路（数转换电路（A/D）之之前前。由于。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模
14、拟量进行瞬间采样，并把采样值保转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。 用于数字电路、用于数字电路、用于数字电路、用于数字电路、计算机控制及程序计算机控制及程序计算机控制及程序计算机控制及程序控制等装置中。控制等装置中。控制等装置中。控制等装置中。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理17.3.2 采样保持电路采样保持电路1. 1. 电路电路电路电路采样阶段采样
15、阶段采样阶段采样阶段： uG为高电平，为高电平， S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)， ui对存储电容对存储电容C充电，充电， uo= uC = ui 。保持阶段保持阶段保持阶段保持阶段： uG为为 0， S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲采样脉冲采样脉冲采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术16.3.3 电压比较器电压比较器电
16、压比较器的功能：电压比较器的功能：电压比较器的功能：电压比较器的功能： 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。用途：用途：用途：用途： 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合术领域，以及波形产生及变换等场合 。 运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工
17、作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点： 1. 1. 输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能 + +U Uo o (sat)(sat) 或或或或 U Uo o (sat)(sat) 当当当当 u u+ + u u 时，时，时，时， u uo o = += +U Uo o (sat)(sat) u u+ + uuu 时，时
18、，时，时，u uo o= += +U Uo o (sat)(sat) u u+ +uu 时，时，时，时，u uo o= = U Uo o (sat)(sat) 即即即即 u ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o = = U Uo o (sat)(sat)可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2单限电压比较器：单限电压比较器：单限电压比较器：单限电压比较器： 当当 ui 单
19、方向变化时，单方向变化时， uo 只变化一次。只变化一次。URuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat) + +U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ U Uo o(sat)(sat) + +U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接
20、在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat) + +U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一
21、页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则则则 u ui i U UR R，u uo o = = U UZ ZUZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURu ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o = = U Uo o (sat)(s
22、at) 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术过零电压比较器过零电压比较器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将正弦波变为方波将正弦波变为方波uouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat) + +U Uo o(sat)(sat)u ui iu uo oO OU UR R= 0= 0tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O O下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术
23、电子技术电子技术16.4 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：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、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）。三角波、锯齿波等）。三角波、锯齿波等）。特点：特点：特点：特点：不用外接输入信号，即有输出信号。不用外接输入信号，即有输出信号。不用外接输入信号，即有输出信号。不用外接输入信号，即有输出信号。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页
24、上一页电子技术电子技术电子技术电子技术16.4.1 矩形波发生器矩形波发生器1. 1. 电路结构电路结构电路结构电路结构 由滞回比较器、由滞回比较器、由滞回比较器、由滞回比较器、 RC RC充放电电路组成，充放电电路组成，充放电电路组成，充放电电路组成， 电容电压电容电压电容电压电容电压u uC C 即是比较器即是比较器即是比较器即是比较器的输入电压，的输入电压，的输入电压，的输入电压，2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理设电源接通时，设电源接通时，设电源接通时，设电源接通时， u uo o = += +U Uo o(sat)(sat) ，u uC C(0) = 0(0) = 0。 电
25、阻电阻电阻电阻R R2 2两端的电压两端的电压两端的电压两端的电压U UR R即是比较器即是比较器即是比较器即是比较器的参考电压。的参考电压。的参考电压。的参考电压。 u uo o 通过通过通过通过 R RF F 对电容对电容对电容对电容C C充电，充电，充电，充电， u uC C 按指数规律增长。按指数规律增长。按指数规律增长。按指数规律增长。 R RF FC Cu uC C+ + R R1 1R R2 2u uo o+ + + + + 充电充电充电充电U UR R+ + 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术当当当当 u uo o = +
26、= +U Uo o(sat)(sat)时，时，时，时，电容电容电容电容充电，充电，充电，充电， u uC C上升，上升，上升，上升，电容放电，电容放电，电容放电，电容放电， u uC C下降，下降，下降，下降，当当当当u uC C= U= UR R 时，时，时，时，u uo o 跳变成跳变成跳变成跳变成 U Uo o(sat)(sat)当当当当 u uC C= U= UR R 时，时，时，时，u uo o 跳变成跳变成跳变成跳变成 + +U Uo o(sat)(sat) ，电容又重新充电。，电容又重新充电。，电容又重新充电。，电容又重新充电。放电放电放电放电2. 2. 工作原理工作原理工作原理
27、工作原理R RF FC Cu uC C+ + R R1 1R R2 2u uo o+ + + + + 充电充电充电充电U UR R+ + R RF FC Cu uC C+ + R R1 1R R2 2u uo o+ + + + + U UR R+ + 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术3. 3. 工作波形工作波形工作波形工作波形充电充电充电充电放电放电放电放电uouCt t1 1t t3 3t t2 2T = TT = T1 1+T+T2 2电容充放电过程，电容充放电过程，电容充放电过程，电容充放电过程，u uC C 的响应规律为的响应规
28、律为的响应规律为的响应规律为4. 4. 周期与频率周期与频率周期与频率周期与频率T T1 1T T2 2T T U Uo o(sat)(sat)+ + U Uo o(sat)(sat)下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术在充电过程中在充电过程中在充电过程中在充电过程中在放电过程中在放电过程中在放电过程中在放电过程中矩形波的周期矩形波的周期矩形波的周期矩形波的周期矩形波的频率矩形波的频率矩形波的频率矩形波的频率充放电时间常数相同：充放电时间常数相同：充放电时间常数相同：充放电时间常数相同： = RC 矩形波常用于数字电路中作为信号源矩形波常用
29、于数字电路中作为信号源矩形波常用于数字电路中作为信号源矩形波常用于数字电路中作为信号源下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术 A A1 1：滞回比较器：滞回比较器：滞回比较器：滞回比较器 因因因因 u u = 0 = 0 ， 所以当所以当所以当所以当 u u+ + = 0 = 0 时时时时， A A1 1状态改变状态改变状态改变状态改变16.4.2 三角波发生器三角波发生器1. 1. 电路结构电路结构电路结构电路结构A A2 2：反相积分电路：反相积分电路：反相积分电路：反相积分电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+
30、+ + R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+ + + + + A A2 2A A1 1R R1 1下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理A1：滞回比较器：滞回比较器 因因 u- = 0 ，所以当，所以当 u+ = 0时时，A1状态状态改变改变输出输出输出输出 u uo1o1 改变改变改变改变(+(+(+(+U UZ Z 跃变到跃变到跃变到跃变到 U UZ Z 或或或或 U UZ Z 跃变到跃变到跃变到跃变到 + +U UZ Z) ) ) )，当当同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。
31、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。同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术TT1T23. 3. 工作波形工作波形工作波形工作波形4. 4. 周期与频率周期与频率周期与频率周期与频率T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2uo1 UZ UZtOuo (1) 改变比较器的输出改变比较器的输出 uo1、电阻、电阻R1 、R2 即可改即可改变三角波的幅值。变三角波的幅值。 (2) 改变积分常数改变积分常数RC
32、 即可改变三角波的频率。即可改变三角波的频率。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术16.4.3 锯齿波发生器锯齿波发生器1. 1. 电路电路电路电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+ + + R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+ + + + + A A2 2A A1 1R R1 1三角波发生器三角波发生器三角波发生器三角波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+ + + R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+ + + + + A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R
33、 4 4D D在三角波在三角波在三角波在三角波发生器的发生器的发生器的发生器的电路中，电路中，电路中，电路中，使积分电使积分电使积分电使积分电路的正、路的正、路的正、路的正、反向积分反向积分反向积分反向积分的时间常的时间常的时间常的时间常数不同，数不同，数不同，数不同，即可使其即可使其即可使其即可使其 输出锯齿输出锯齿输出锯齿输出锯齿波。波。波。波。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电子技术电子技术电子技术电子技术2. 2. 波形波形波形波形16.4.3 锯齿波发生器锯齿波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+ + + R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+ + + + + A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R4 4 D D1. 1. 电路电路电路电路t tU UZ ZUUZ Zu uo ou uo1o1Ou uo o
