集成运算放大电路及其应用

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1、第七章第七章 集成运算放大电路及其应用集成运算放大电路及其应用1 第一节第一节 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 一、集成运算放大电路：一、集成运算放大电路： 多用于各种模拟信号的运算。多用于各种模拟信号的运算。 1 1、集成运算放大电路的结构特点、集成运算放大电路的结构特点 2 2、集成运放电路的组成及其各部分的作用、集成运放电路的组成及其各部分的作用 23集成运放的主要性能指标1.1.差模开环放大倍数：差模开环放大倍数：A AOdOd2.2.共模抑制比：共模抑制比：K KCMRCMR3.3.差模输入电阻：差模输入电阻：R RIdId4.4.输入偏置电流：输入偏置电流：I IIBIB

2、5.5.3dB3dB带宽带宽: : f fH H6.6.输入失调电压及其温漂：输入失调电压及其温漂：U UIOIO, , dUdUIOIO/dT/dT7.7.输入失调电压及其温漂：输入失调电压及其温漂：I IIOIO , , dIdIIOIO/dT/dT4理想运放的主要性能指标1.1.开环差模放大倍数：开环差模放大倍数：A AOdOd 2.2.差模输入电阻：差模输入电阻：R Rid id 3.3.输出电阻：输出电阻：R R0 0 0 04.4.共模抑制比：共模抑制比：K KCMR CMR 5.5.3dB3dB带宽带宽: : f fBWBWf fH H 4.4.输入偏置电流：输入偏置电流：I I

3、IB IB 0 06.6.输入失调电压及其温漂：输入失调电压及其温漂：U UIOIO, , dUdUIOIO/dT/dT 0 07.7.输入失调电压及其温漂：输入失调电压及其温漂：I IIOIO, , dIdIIOIO/dT/dT 0 05集成运算放大电路的电压传输特性集成运算放大电路的电压传输特性U U0 0 = = f(Uf(UP P-U-UN N) )6第三节 集成运放的两个工作区线性放大区：线性放大区： 曲线的斜率为电压放大倍数曲线的斜率为电压放大倍数非线性放大区：非线性放大区： 输出电压只有两种可能，输出电压只有两种可能，U UOMOM和和- -U UOMOM7运放工作在线性放大区的

4、特点运放工作在线性放大区的特点1.1.当运放工作在线性放大区时：当运放工作在线性放大区时：引入（深度）负反馈引入（深度）负反馈集成运放的差模开环放大倍数集成运放的差模开环放大倍数A AOdOd有：有： 其中其中A AOdOd非常高非常高 140140dB dB 因而有：因而有：U UP P-U-UN N0 0 或或 U UP PU UN N “虚短虚短”又因为：又因为：则：则： “ “虚断虚断” ” U U0 0 = = A AOdOd(U(UP P-U-UN N) )8运放工作在非线性放大区的特点运放工作在非线性放大区的特点1.1.当运放工作在非线性放大区时：当运放工作在非线性放大区时： 开

5、环或者引入正反馈开环或者引入正反馈集成运放的差模开环放大倍数集成运放的差模开环放大倍数A AOdOd 则两个输入端只要有则两个输入端只要有无穷小的输入差值电压，输出电压就可以达到最大值或最小无穷小的输入差值电压，输出电压就可以达到最大值或最小值，即输出电压与输入电压不再是线性关系，此时的电压传值，即输出电压与输入电压不再是线性关系，此时的电压传输关系为：输关系为：由此时的电压传输关系可以看出由此时的电压传输关系可以看出 (1)(1)当：当：U UP PU UN N时，时， UO = +UUO = +UOMOM 当：当：U UP PU UN N时时, , UO = -UUO = -UOMOM (

6、2)(2)又由于又由于 则：则： “ “虚断虚断”9第四节第四节 基本运算电路的原理基本运算电路的原理图图5-1 反相比例运算电路反相比例运算电路1.1.反相比例运算：反相比例运算： 由于：由于：U+ = U- I+ = I- = 0 所以反相输入端所以反相输入端U-为为“虚虚地地”点，且输入电流点，且输入电流I- = 0，故故: : I Ii i = I = If f 10基本运算原理电路图基本运算原理电路图2.2.同相比例运算：同相比例运算： 由于：由于：U+ = U-U+ = U- I+ = I- = 0 I+ = I- = 0由于反相输入端不再为由于反相输入端不再为“虚地虚地”点，且输

7、入电流点，且输入电流Ii=0Ii=0，故故: : I IR R = I = If f 即：即： 又称为：电压跟随器！又称为：电压跟随器！113.3.反相加法运算电路：反相加法运算电路： 如图如图5-25-2所示。所示。由于：由于：U+ = U-U+ = U- I+ = I- = 0 I+ = I- = 0所以反相输入端所以反相输入端U-U-为为“虚地虚地”点，点，且输入电流且输入电流I- = 0I- = 0，反相加法运算反相加法运算电路的函数关系式为：电路的函数关系式为： 若取若取R1=R2=RR1=R2=R，则有则有: : 图图5-2 反相加法运算原理图反相加法运算原理图 运算中，调节某一路

8、信号的输入电阻运算中，调节某一路信号的输入电阻时，不会影响其他输入电压与输出电时，不会影响其他输入电压与输出电压的比例关系，因而调节方便。压的比例关系，因而调节方便。124.4.减法运算电路：减法运算电路：如图如图6-36-3所示：所示：实际应用中，要求实际应用中，要求R1=R2,R3=R1=R2,R3=R Rf f，且须严格且须严格配对，这有利于提高放配对，这有利于提高放大器的共模抑制比及减大器的共模抑制比及减小失调。小失调。 运算关系为：运算关系为：100K 图图5-3 5-3 减法运算原理图减法运算原理图135.5.积分运算电路积分运算电路如图如图6-46-4所示：所示：由于：由于：U+

9、 = U-U+ = U- I+ = I- = 0 I+ = I- = 0所以反相输入端所以反相输入端U-U-为为“虚地虚地”点，且输入电流点，且输入电流I-= 0I-= 0，积分运算电路的运算关系式积分运算电路的运算关系式为：为： 积分运算电路积分运算电路14设设 UC(0) = UC(0) = O O则则156.6.微分运算电路微分运算电路：微分运算电路微分运算电路：16由于：由于：U+ = U-U+ = U- I+ = I- = 0 I+ = I- = 0所以反相输入端所以反相输入端U-U-为为“虚地虚地”点，且输入电流点，且输入电流I- = 0I- = 0，积分运算电路的运算关系式为：积

10、分运算电路的运算关系式为：17第五节第五节 有源滤波电路有源滤波电路 在一些实际的电子系统中，它的输入信号在一些实际的电子系统中，它的输入信号往入因受干扰等原因而含有一些不必要的成往入因受干扰等原因而含有一些不必要的成分，我们就应当设法将它衰减到足够小的程分，我们就应当设法将它衰减到足够小的程度；而在另一些场合，有用信号将与别的信度；而在另一些场合，有用信号将与别的信号混在一起，我们就应设法把有用信号选择号混在一起，我们就应设法把有用信号选择出来。而解决这些问题的有效措施就是采用出来。而解决这些问题的有效措施就是采用有源滤波电路。有源滤波电路。18一、基本概念一、基本概念（1 1）滤波电路：即

11、对工作信号的频率具有选择性的滤波电路：即对工作信号的频率具有选择性的电路。电路。其基本功能是：让特定频率范围内的信号其基本功能是：让特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其它频率信号通过。也就是对顺利通过，而阻止其它频率信号通过。也就是对其它频度信号要起衰减作用。其它频度信号要起衰减作用。 比如：我们前面讲到的低通电路，高通电路等。比如：我们前面讲到的低通电路，高通电路等。（2 2）滤波器分类）滤波器分类 a. a. 按信号类型分：模拟滤波器和数字滤波器。按信号类型分：模拟滤波器和数字滤波器。 b. b. 按照滤波器电路的工作频带来分：按照滤波器电路的工作频带来分：19低通滤波器（低通滤波器（L

12、PFLPF） ：频率低于截止频率频率低于截止频率fpfp的信号的信号通过，高于通过，高于fpfp的则被衰减；的则被衰减；高通滤波器（高通滤波器（HPFHPF） ：频率高于截止频率频率高于截止频率fpfp的信号的信号通过，低于通过，低于fpfp的则被衰减；的则被衰减；带通滤波器（带通滤波器（BPFBPF） ：频带范围在频带范围在fp1fp1和和fp2fp2之间的之间的信号通过，其余被衰减；信号通过，其余被衰减；带阻滤波器（带阻滤波器（BEFBEF）：）：频带范围在频带范围在fp1fp1和和fp2fp2之间的信之间的信号被衰减，其余可以通过。号被衰减，其余可以通过。 （带通滤波器常用于载波通信或弱

13、信号提取等场（带通滤波器常用于载波通信或弱信号提取等场合，以提高信噪比，带阻滤波器则用于已知干扰合，以提高信噪比，带阻滤波器则用于已知干扰或噪声频率的情况下，阻止其通过）。或噪声频率的情况下，阻止其通过）。全通滤波器（全通滤波器（APFAPF）：）：对于频率从对于频率从0 0到到的信号具有的信号具有同样的放大倍数数，但对不同频率的信号将产生同样的放大倍数数，但对不同频率的信号将产生不同的相移。不同的相移。20c. c. 按电路构成中是否有按电路构成中是否有有源器件有源器件来分：来分： 无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器d. d. 按工作信号来分：按工作信号来分： 模拟滤波器和数字滤波

14、器模拟滤波器和数字滤波器e. e. 按截止频率按截止频率fpfp附近的幅度特性和相频特性附近的幅度特性和相频特性的不同，滤波电路又分为的不同，滤波电路又分为: : 巴特沃斯（巴特沃斯（ButterworthButterworth）滤波器滤波器 切比雪夫（切比雪夫（chebyshevchebyshev）滤波器滤波器 贝贝 塞塞 尔（尔（BesselBessel）滤波器等。滤波器等。21（3 3）滤波器的幅频特性：）滤波器的幅频特性： 通带：通带：允许通过的频段称为允许通过的频段称为通带通带， 阻带：阻带：将信号衰减到零的频段为将信号衰减到零的频段为阻带阻带， 过渡带：过渡带：AvpAvp在通带和

15、阻带之间存在在通带和阻带之间存在过渡带过渡带。 AvpAvp：通带放大倍数，等于通带内输出电压与输入电通带放大倍数，等于通带内输出电压与输入电压之比；压之比； fpfp： 通带截止频率：使通带截止频率：使 的频率；的频率； 显然，过渡带越窄，电路的选择性越好，滤波特性显然，过渡带越窄，电路的选择性越好，滤波特性越理想。越理想。222324（4 4）分析方法：）分析方法： 分析滤波电路，就是求解出电路频率特分析滤波电路，就是求解出电路频率特性，这意味要解出性，这意味要解出AvpAvp、fpfp和过渡带的斜率。和过渡带的斜率。25二、有源滤波电路的引入二、有源滤波电路的引入 无源滤波电路：仅由无源

16、元件（电阻、电容、电感）组成，无源滤波电路：仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波器。则称为无源滤波器。 有源滤波电路：电路中不仅由无源元件，还有有源元件有源滤波电路：电路中不仅由无源元件，还有有源元件（晶体管、场效应管、集成运放）组成，称为有源滤波器。（晶体管、场效应管、集成运放）组成，称为有源滤波器。从无源低通滤波器看：从无源低通滤波器看： 在频率响应分析中，我们已推出无源低通滤波器的一些指在频率响应分析中，我们已推出无源低通滤波器的一些指标，如：通带放大倍数标，如：通带放大倍数AvpAvp（对低通，指对低通，指f=0f=0时的电压放大倍时的电压放大倍数）数）2627无负载时

17、：无负载时：有负载时：有负载时：28结论结论 加上负载后，通带放大倍数加上负载后，通带放大倍数| |AvpAvp|，通通带截止频率带截止频率fpfp，也就是说，无源滤波电路也就是说，无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这是不符我们处理信号要求的。化，这是不符我们处理信号要求的。 为改善无源滤波电路的这一缺陷，我们引为改善无源滤波电路的这一缺陷，我们引入有源滤波器。入有源滤波器。292 2、有源滤波电路、有源滤波电路 为改善无源滤波器的负载对滤波特性的影为改善无源滤波器的负载对滤波特性的影响，采取的措施是：响，采取的措施是： 在无源滤波电路

18、和负载之间加一个高输入在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻，低输出电阻的隔离电路，最简单的方电阻，低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个法是加一个电压跟随器电压跟随器，这样即构成有源滤，这样即构成有源滤波电路，如图：波电路，如图：30表明：在集成运放表明：在集成运放功耗允许的情况下，功耗允许的情况下，负载发生变化时，负载发生变化时，UoUo总是随差总是随差U UP P变，变，放大倍数的表达式放大倍数的表达式不变，频率特性也不变，频率特性也不变。即不变。即负载不影负载不影响滤波特性。响滤波特性。31有源滤波电路特点：有源滤波电路特点：E 有源滤波电路一般由有源滤波电路一般由RCRC网络和

19、集成运放组成，因而网络和集成运放组成，因而必须在适合直流电源作用下才能正常工作；必须在适合直流电源作用下才能正常工作；E 不用电感，故体积小，重量轻，不需加磁屏蔽；不用电感，故体积小，重量轻，不需加磁屏蔽；E 可加电压串联负反馈，使可加电压串联负反馈，使RiRi高、高、RoRo低，在输入与输低，在输入与输出之间有良好的隔离性。出之间有良好的隔离性。E 除能滤波外，还能将信号放大，而且除能滤波外，还能将信号放大，而且A AU U易调节。易调节。E 不适宜高电压大电流的负载，只适用于信号处理。不适宜高电压大电流的负载，只适用于信号处理。E 不适宜高频范围，一般使用频率在几十不适宜高频范围，一般使用

20、频率在几十KHzKHz以下。以下。32三、有源低通滤波器三、有源低通滤波器1 1、一阶低通：、一阶低通： 对低通，对低通，AvpAvp指指f = 0f = 0时的电压放大倍数。时的电压放大倍数。 电路构成：电路构成：2 2、二阶低通滤波器：、二阶低通滤波器： 由于一阶电路的过渡带宽，幅频特性最大衰减率由于一阶电路的过渡带宽，幅频特性最大衰减率仅为仅为-20-20dB/dB/十倍频。故可在一阶电路基础上增加十倍频。故可在一阶电路基础上增加RCRC环节，来增大衰减斜率。如图：环节，来增大衰减斜率。如图：333435辐频特性：辐频特性：辐频特性：辐频特性： 不理想：不理想：不理想：不理想：f f f

21、 fo o o o附近，衰减率不够高附近，衰减率不够高附近，衰减率不够高附近，衰减率不够高 虽然二阶虽然二阶虽然二阶虽然二阶LPFLPFLPFLPF比一阶的幅频特性衰减率陡直得多，比一阶的幅频特性衰减率陡直得多，比一阶的幅频特性衰减率陡直得多，比一阶的幅频特性衰减率陡直得多，但还不算理想，如果要改善电路趋于理想，可设计但还不算理想，如果要改善电路趋于理想，可设计但还不算理想，如果要改善电路趋于理想，可设计但还不算理想，如果要改善电路趋于理想，可设计二阶压控电压源二阶压控电压源二阶压控电压源二阶压控电压源LPFLPFLPFLPF。压控电压源滤波电路：压控电压源滤波电路： 因为该电路中同相输入电位

22、控制由集成运放和因为该电路中同相输入电位控制由集成运放和R R1 1、R R2 2组成组成的电压源，故称之为压控电压源滤波电路。的电压源，故称之为压控电压源滤波电路。3 3、反相输入低通滤波器、反相输入低通滤波器4 4、高阶低通：由多个低通滤波器串联起来，可得高阶低通、高阶低通：由多个低通滤波器串联起来，可得高阶低通滤波器。滤波器。3637四、高通滤波器（四、高通滤波器（HPFHPF） 高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性，将高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性，将LPFLPF中滤中滤波环节的电容、电阻对换就可得各种高通滤波器。波环节的电容、电阻对换就可得各种高通滤波器。1 1、AvpAvp：

23、对对HPFHPF，当当f f足够高时，足够高时，C1C1、C2C2视为短路，则，对视为短路，则，对高通：高通：AvpAvp指指f f足够高时的电压放大倍数。足够高时的电压放大倍数。2 2：R R引入反馈，当参数合适时为正反馈，在引入反馈，当参数合适时为正反馈，在fofo附近可增大附近可增大放大倍数。放大倍数。3 3：高阶：高阶HPFHPF可以由几个低阶可以由几个低阶HPFHPF串联而成。串联而成。3839五、带通滤波器五、带通滤波器 将将LPFLPF和和HPFHPF相串联可相串联可以构成带通滤波器以构成带通滤波器（BPFBPF），）， 40典型电路：典型电路：41六、带阻滤波器六、带阻滤波器BEFBEF 常用两个常用两个RCRC网络（一个网络（一个LPFLPF和一个和一个HPFHPF）相相并联构成无源并联构成无源BEFBEF，再与集成运放级联或有源再与集成运放级联或有源BEFBEF。 典型电路：典型电路：4243