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1、第第17章章 集成运算放大器集成运算放大器返回返回16.1 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的简单介绍集成运算放大器的简单介绍16.2 16.2 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16.3 16.3 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16.4 16.4 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集成电路集成电
2、路: :它是用一定的生产工艺把它是用一定的生产工艺把晶体管、场晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容效应管、二极管、电阻、电容、以及以及它们之间的连线所组成的整个电路它们之间的连线所组成的整个电路集集成成在一块半导体基片上，封装在一个在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为功能的器件，也称为固体器件固体器件优优 点：点：工作稳定、使用方便、体积小、重量工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了轻、功耗小，实现了元件、电路和系元件、电路和系统统的三结合的三结合16.1.1 集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的特点
3、1. 单个的精度不是很高单个的精度不是很高, ,但由于是在同一硅片但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致性能比较一致2.2.元器件相互离得很近元器件相互离得很近, ,温度特性较一致温度特性较一致3.3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造都不易制造 4.4.电感难于制造电感难于制造, ,电容一般不超过电容一般不超过200pF,200pF,大电容大电容不易制造不易制造1 16 6.1 .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电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏
4、置电路16.1.2 电路的简单说明电路的简单说明集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直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、应用最广泛的一种接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。模拟集成电路。+UCCUEEu uo ouu+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：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的要求电压放大倍数高。常采用
5、带恒流源的共发射极放大电路构成。共发射极放大电路构成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。集成电路的封装集成电路的封装双列直插式塑料封装双列直插式塑料封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212、1414、1616等种类等种类金属壳封装金属壳封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212等种类等种类F007F007（5G245G24）外引线图外引线图 反相反相输入端输入端 同相同相输入端输入端输出端输出端接接 线线 图图顶顶 视视 图图特点：高可靠性、低成
6、本、小尺寸特点：高可靠性、低成本、小尺寸特点：高可靠性、低成本、小尺寸特点：高可靠性、低成本、小尺寸Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dB运放符号：运放符号： u u+ uo A0 u u+ uo A0uu+ uo国际符号国际符号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
7、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，运运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。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 IIB16.1.4 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. 理想运算放大器理想运算放大器Auo ， rid
8、 ，ro 0 ， KCMR uo+ u+u 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)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ u u 时，时，时，时， u uo o = += +U Uo o (sat)(sat) u u+ + u u 时，时，时，时， u uo o = = U Uo o (sat)(sat) 不存在不存在不存在不存在 “ “虚短虚短虚短虚短” ”现象现象现象现象 2. 2. i i+ += i= i 0 0 仍存在仍存在仍存在仍存在“
9、“虚断虚断虚断虚断” ”现象现象现象现象电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)饱和区饱和区O电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat(sat) ) + +U Uo o(sat(sat) )运放处于开环状态运放处于开环状态运放处于开环状态运放处于开环状态基本电压比较器基本电压比较器基本电压比较器基本电压比较器阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 uiuoOURURuouiR2+ R1+即即即即 u ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o = = U Uo o (sat
10、)(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uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2例例例例: :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uiuoURR2+ R1+ U Uo o(sat(sat) ) + +U Uo o(sat(sat) )uiuoOUR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uitO
11、URt1t2Ot +Uo(sat) Uo(sat)uo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URuouiR2+ 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
12、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)(sat) 电路如图所示，输入电压电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，是一正弦电压，试分析并画出输出电压试分析并画出输出电压uo”, uo, uo的波
13、形。的波形。 例例例例: :uouo”uo+R1R2uiRCRLDtuiT/2Tttttuiuo”uouoT/2T+R1R2uiuo”uouoRCRLDt=0 Tp+ -Et Tpt微分电路微分电路CR+ -E2. 2. 滞回比较器滞回比较器滞回比较器滞回比较器 电路中引入正反馈电路中引入正反馈电路中引入正反馈电路中引入正反馈(1) (1) 提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；(2) (2) 输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。输出电压的跃变不是发生在
14、同一门限电压上。RFR2uoui+ R1+上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压当当 uo = + Uo(sat)， 则则 当当 uo = Uo(sat)， 则则)(o(sat)F 2 2URRRUu+ + += = = =+ + +)(o(sat)F 2 2 URRRUu- -+ += = = =+ + +oF 2 2uRRRu+ += =+ +RFR2uoui+ R1+uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性电压传输特性RFR2uoui+ R1+设某一瞬时设某一瞬时设某一瞬时设某一瞬时若输入电压增大到若输入电压增大到若输入电压增大到若
15、输入电压增大到若输入电压减小到若输入电压减小到若输入电压减小到若输入电压减小到oF 2 2uRRRu+ += =+ +RFR2uoui+ R1+上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压 UU+ + ：u ui i 逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压UU+ +：u ui i 逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压回差电压回差电压回差电压回差电压 UUU - - = =+ + +RFR2uoui+ R1+uitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat)ui电压传输特性电压传
16、输特性uoO Uo(sat)+Uo(sat)定义：定义：定义：定义：回差电压回差电压回差电压回差电压 与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：1. 1. 改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。2. 2. 回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力， U U越大，抗干扰越大，抗干扰越大，抗干扰越大，抗干扰 能力越强。能力越强。能力越强。能力越强。结论：结论：结论：结论：
17、1. 1. 调节调节调节调节R RF F 或或或或R R2 2 可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。2. 2. 改变改变改变改变U UR R可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压， 但不影回差但不影回差但不影回差但不影回差 电压电压电压电压 U U。 电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应
18、用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。解解解解: : 上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压例：例：例：例：电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示， U Uo o(sat(sat) ) =6V=6V，U UR R = 5V, = 5V, R RF F = 20k= 20k ，R R2 2 =1 =10k0k ，求上、下门限电求上、下门限电求上、下门限电求上、下门限电压。压。压。压。R RF FR R2 2u uo ou ui i+ + + R R1 1+ + + + R RF FR R2 2u uo
19、ou ui i+ + + R R1 1+ + + + u ui iu uo oO O- -6 6-2-22 26 6电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性16.5 16.5 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1. 1. 选用元件选用元件 根据实际要求来选用运算放大器根据实际要求来选用运算放大器, ,主要是根据主要是根据使用条件及运放的参数进行选择使用条件及运放的参数进行选择。2. 2. 消振消振 这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响和其他寄生参数的影响, ,使电路产生自激振荡，即外使电路产生自激
20、振荡，即外加消振的方法。加消振的方法。3. 3. 调零调零 由于运放内部参数不可能完全对称由于运放内部参数不可能完全对称, ,输入信号输入信号为零为零, ,输出可能不为零输出可能不为零, ,为此为此, ,在使用时必须调零。在使用时必须调零。4. 保护(1) (1) 输入保护输入保护输入电压将限制在二极管的正向压降以下（2 2） 输出端保护输出端保护将两个稳压管反向串联,将输出电压限制在一定的范围内用二个二极管来保护,以护止正、负电源接反.（3 3） 电源保护电源保护（5 5） 扩大输出电流扩大输出电流互补对称电路例：例：例：例：例：例：例：例：17.2.5 17.2.9 17.2.10 17.2.13第第 17 章章 作业与思考题作业与思考题
