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1、 采用专门的制造工艺，将元、采用专门的制造工艺，将元、 器件及连线组成的完整电路制作在一块基片上，并器件及连线组成的完整电路制作在一块基片上，并完成特定的功能。完成特定的功能。2.2.集成运算放大器的电路符号集成运算放大器的电路符号3.3.集成运放的种类集成运放的种类（1）通用型通用型。性能指标适合一般性使用，其特点是电源电压适应范围广，允许有较大的输入电压等，如CF741等。（2）低功耗型低功耗型。静态功耗2mW，如XF253等。（3）高精度型高精度型。失调电压温度系数在1V左右，能保证组成的电路对微弱信号检测的准确性，如CF75、CF7650等。（4）高阻型高阻型。输入电阻可达1012，如
2、F55系列等。还有宽带型、高压型宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。(1)(1)开环差模电压增益：开环差模电压增益：idododUUA(2)(2)最大差模输入电压：最大差模输入电压：idmU(3)(3)最大输出电压：最大输出电压：popU(4)(4)差模输入电阻：差模输入电阻：idr(5)(5)输出电阻：输出电阻：or(6)(6)最大输出电流：最大输出电流：omI(7)(7)输出失调电压：输出失调电压：OSU(8)(8)共模抑制比：共模抑制比：ocodCMRRAAK开环开环：运算放大器外：运算放大器外部，两个输入和输部，两个输入和输出之间
3、没有任何连出之间没有任何连接。接。 将集成运算放大器的一些参数近似理想化，得到将集成运算放大器的一些参数近似理想化，得到理想运算放大器的模型，有理想运算放大器的模型，有(1)(1)开环差模电压增益：开环差模电压增益：odA(3)(3)差模输入电阻：差模输入电阻：idr(4)(4)输出电阻：输出电阻：0or(2)(2)共模抑制比：共模抑制比：CMRRK(5)(5)输出失调电压：输出失调电压：0OSU注意注意：无特殊说明，：无特殊说明，今后我们分析的集今后我们分析的集成运算放大器均为成运算放大器均为理想运算放大器理想运算放大器！开环状态下开环状态下uuuid由于由于 为无穷大，因此仅当为无穷大，因
4、此仅当odAidu很小时下式才成立很小时下式才成立odidodoAuAuuu)(所以特性曲线中的所以特性曲线中的线性区线性区很窄很窄其他部分称为饱和区其他部分称为饱和区( (非线性区非线性区) )ooU，uuu时ooU，uuu时(1)(1)两个输入端之间电压近似为零两个输入端之间电压近似为零在线性区在线性区odoAuuu)(由于由于 为有限值，而为有限值，而 为无穷大，因此为无穷大，因此ouodA0uu uu故故相当于两个输入端短路相当于两个输入端短路（“虚短虚短”）（“虚断虚断”）由于由于 为无穷大，为无穷大，idr0ii故故相当于两个输入端之间开路相当于两个输入端之间开路(2)(2)两个输
5、入端电流近似为零两个输入端电流近似为零 (1)(1)反相比例运算反相比例运算电路特点电路特点：运算放大器工作在闭环状态，即在运放：运算放大器工作在闭环状态，即在运放外部，输出端与一个反相输入端有物理连接。外部，输出端与一个反相输入端有物理连接。特点特点： 输入信号接反相输入端；输入信号接反相输入端； 反馈电阻接于输出与反相输反馈电阻接于输出与反相输入端之间；入端之间； 输出电压与输入电压反相。输出电压与输入电压反相。分析方法分析方法： (1)(1)由由“虚断虚断”的概念得的概念得到到 A A、0u0iiB B、(2)(2)由由“虚短虚短”的概念有的概念有 0uu（“虚地虚地”）由由 可知可知0
6、iifii 1111RuRuuiiifofofRuRuuiifouRRu1所以所以图中图中 称为平衡电阻有称为平衡电阻有 2RfRRR/12ifouRRu1由式由式 可知，在输入一定的前提下，改变可知，在输入一定的前提下，改变的比例关系，可以得到所需的输出。的比例关系，可以得到所需的输出。特殊情况下特殊情况下 当当 时，有时，有 ，此时我们称该电路为，此时我们称该电路为 反相器反相器或或反号器反号器。fRR 1iouu求电压增益值求电压增益值 ioufuuA例例1 1电路为反相输入工作方式，且运放的反相输入端为电路为反相输入工作方式，且运放的反相输入端为“虚地虚地”，又由，又由“虚断虚断”有有
7、112RuiiiaiauRRu1221RuRuaiiauRRRRui41244331233RuuRRRRuuioioa在在 由由KCLKCLa 33124121RuuRRRuRRRRuoiii)(41321312RRRRRRRRuuAiouf342iii(2)(2)同相比例运算同相比例运算uRRufo)1 (1特点特点：输入信号接同相输入端；输入信号接同相输入端；反馈电阻接于输出与反相输反馈电阻接于输出与反相输入端之间；入端之间；输出电压与输入电压同相。输出电压与输入电压同相。iuuu由由“虚断虚断”及及”虚短虚短”foRuuRu1ifouRRu)1 (1由平衡电阻的概念有由平衡电阻的概念有
8、21/RRRfiuRRRuu323由由“虚断虚断”及及”虚短虚短”foRuuRu1ifouRRRRRu3231)1 (由平衡电阻的概念有由平衡电阻的概念有 321/RRRRfuRRufo)1 (1讨论讨论ifouRRRRRRu11323(1) (1) 输出电压与输入电压同相输出电压与输入电压同相; ;由上式可知由上式可知(2) (2) 当当 时，有时，有3RifouRRu)1 (1输出输出 输入输入iouu (3) (3) 当当 或或 有有1R0fR对应电路如下对应电路如下分析输出电压与输入电压的关系分析输出电压与输入电压的关系例例2 2分析输出电压与输入电压的关系分析输出电压与输入电压的关系
9、例例3 3(3)(3)反相加法运算反相加法运算由图可知反相输入端由图可知反相输入端虚虚地地111Ruii222RuiifofRui由由KCLKCL有有fiii21)(2111ififouRRuRRu由平衡电阻的概念有由平衡电阻的概念有 fRRRR/21当当 有有 fRRR21)(21iiouuu 该结论可推广为多该结论可推广为多 个输入信号个输入信号 电路如图，已知电路如图，已知 KR601KR302KR203KRf200Vui2 . 01Vui8 . 02Vui2 . 03求：输出电压求：输出电压 的大小。的大小。 ou解：解：该电路实现了三个输入信号的该电路实现了三个输入信号的反相加法运算
10、，所以反相加法运算，所以 )(332211ifififouRRuRRuRRuV67. 22 . 020200)8 . 0(302002 . 060200(例例4 4(4)(4)减法运算减法运算 输入信号由两个输入端分输入信号由两个输入端分别输入，称为差动输入。别输入，称为差动输入。 由虚短得到由虚短得到2323iuRRRufoiRuuRuu11foifRRuRuRu111 由虚断得到由虚断得到uu11232311ififouRRuRRRRRRu 当当 时时fRRRR32112iiouuu利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析uo=uo+uo= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1
11、RFR1uO = - - ui1RFR1 1uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3分析输出电压与输入电压的关系分析输出电压与输入电压的关系例例6 6(5)(5)积分运算积分运算电路为反相输入方式，反馈元件为电容。电路为反相输入方式，反馈元件为电容。运放的反相输入端处于虚地状态。运放的反相输入端处于虚地状态。dtudCdtduCRuoci)(tiOtiodtuRCUdtuRCu01)0(1输出与输入对时间的积分成正比。输出与输入对时间的积分成正比。当当 时时0)0(oU(6)(6)微分运算微分运算dtduCdtduCiiCCRuiof0由由“虚断虚断”有有fCii
12、 RudtduCi0dtduRCuio 电路如图，试求表达式电路如图，试求表达式 )(ioufu 解：解：由图中各量的参考方向有由图中各量的参考方向有1RuiiRdtduCiiC1fofRui由由CRfiiidtduCRuRuiifo11dtduCRuRRuififo11输出电压是输入电压的比例运算和微分运算的组合，输出电压是输入电压的比例运算和微分运算的组合，我们称之为比例微分调节器，简称我们称之为比例微分调节器，简称PDPD调节器。调节器。类似的还有类似的还有PIPI调节器和调节器和PIDPID调节器。调节器。例例7 7KRR2075 电路如图，已知电路如图，已知 KRRR10421KR1
13、06 KR53Vuuii221FC100求求（1 1）写出）写出 的表达式的表达式),(21iiouufu （2 2）设）设 ，求，求 达到达到 所需的时间。所需的时间。0)0(CUouV9例例8 8解：解：（1 1）由第一级可以求出由第一级可以求出111RuiidtRuRuCRRURRuRRRRuRRRRuRRuitiCiioo)()0(2201157572245711457157222Ruii)1(41dtiCiRutffo)(1)0(022112241141dtRuRuCUuRRuRRutiiCiio由第二级可以求出由第二级可以求出dtRuRuCRRURRuRRRRuRRRRuRRuit
14、iCiioo)()0(2201157572245711457157（2 2）由已知由已知 则带入数据有则带入数据有0)0(CUtRCuuuiio22sRCuuutiio25. 122 如果在多个不同频率的输入信号中选取或除去如果在多个不同频率的输入信号中选取或除去某些频率的信号，完成该功能的电路称为某些频率的信号，完成该功能的电路称为滤波器滤波器。滤波器：滤波器：按信号性质按信号性质: 模拟滤波器模拟滤波器和数字滤波器和数字滤波器按电路功能按电路功能: 低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器按所用元件按所用元件: 无源滤波器和无源滤波器和有源滤波器有源
15、滤波器按阶数按阶数: 一阶一阶,二阶二阶 高阶高阶 种类种类: :)j (Ui )j (Uo 传递函数：传递函数：ioioioUU)j (U)j (U)j (T ioUU)j (T 幅频特性幅频特性io)( 相频特性相频特性filter传递函数、幅频特性传递函数、幅频特性 ioUU ioUU ioUU ioUU低通低通高通高通带通带通带阻带阻RCR一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器( (无源无源) )iU oU RC10 j1Rj1UUioRCj11 0j11 CC0j11)j (T 传递函数传递函数20)(11)j (T 幅频特性幅频特性20)(11)j (T ioUU0 10.707 0
16、截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差。、带负载能力差。2、无放大作用。、无放大作用。3、特性不理想，边沿、特性不理想，边沿不陡。不陡。幅频特性、幅频特性曲线幅频特性、幅频特性曲线iU oU RCR通频带宽度通频带宽度( (带宽带宽) )ioUU0 10.707 0截止频率截止频率带宽带宽:0 - 0 设设R=10k ,C为下列各值时的为下列各值时的带宽带宽:C fo1 F 16Hz0.047 F 340Hz0.01 F 1600HzRC10 反馈回路的等效阻抗为反馈回路的等效阻抗为FFFFFFFFFfCRjRCjRCjRCRZ111/iFFFiFoUCRjRRURZU1
17、1FFFiofUCRjRRUUA11一、有源滤波器一、有源滤波器1.1.一阶有源一阶有源低通低通滤波器滤波器传递函数传递函数传递函数中出现传递函数中出现 的一次项的一次项,故称为故称为一阶滤波器一阶滤波器定义截止频率为定义截止频率为 , ,FFCR10RRAFufo011jAUUAufoiofUFFFiofUCRjRRUUA11幅频特性幅频特性20)(11ufoiofUAUUA传递函数传递函数1、0 时：时：1RRUUFio有放大作用有放大作用3、运放输出，带负载能力强。运放输出，带负载能力强。2、0 时：时：)211RRUUFio幅频特性与一阶无幅频特性与一阶无源低通滤波器类似源低通滤波器类
18、似电路特点电路特点: :oF11URRRU UUiUCj1RCj1U iUCj11R1 RCRR1RFC+-+iU oU Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数1 RC2.2.一阶有源一阶有源高通高通滤波器滤波器幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数1 RC幅幅频频特特性性201Fio)(11)RR1(UU ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0RR1RFC+-+iU oU CR10一阶低通和二阶低通一阶低通和二阶低通幅频特性曲线幅频特性曲线的区别的区别二阶低通二阶低通o ioUU 0-3dbAF理想低通理想低
19、通一阶低通一阶低通阶数越高，幅频特性曲线越接近阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器理想滤波器oF11URRRU UURR1RFC+-+iU oU iUCj1RCj1U iUCj11 RCCj11)RR1(UU1Fio 201Fio)(11)RR1(UU ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0例例9 9 电压比较器是运放在开环状态下的应用，即运放工电压比较器是运放在开环状态下的应用，即运放工作在作在非线性区非线性区。其功能是比较两个输入信号的大小，其结果用输出端其功能是比较两个输入信号的大小，其结果用输出端的高低电平来表示。的高低电平来表示。常用于模拟和数字信号的转换、对信
20、号的控制及测量。常用于模拟和数字信号的转换、对信号的控制及测量。+uouiURuoui0URUR为参考电压为参考电压当当ui UR时时 , uo = U+o当当ui UR时时 , uo = U-o 特点特点:运放处于运放处于 开环状态开环状态(1)(1)单限电压比较器单限电压比较器oUoU+uouiURuoui0UR当当ui UR时时 , uo = U-o ui从反相端输入从反相端输入oUoUuoui0+uoui过零比较器过零比较器: 当当UR =0时时+uouiuoui0oUoUoUoU+uouituituo利用电压比较器将利用电压比较器将正弦波变为方波。正弦波变为方波。例例9 9oUoU0
21、0iiZZouuUUu输出限幅电路输出限幅电路00iiDDouuUUuuoui0+UZ-UZ+uiuo UZuoui0+UZ-UZ忽略了忽略了UD输入信号和参考电压均接在反相端输入信号和参考电压均接在反相端反相输入端反相输入端虚地虚地因此当因此当 时时, ,012RURuRiif 向右，与参考方向相同向右，与参考方向相同ZDZoUUUu)(同理当同理当 时时, ,012RURuRiZoUuRURR12该电路的门限电压为该电路的门限电压为总结总结1.电路简单。电路简单。2. 容易引入干扰。容易引入干扰。(2)(2)迟滞型电压比较器迟滞型电压比较器oFRFFFoRRRRuRRRURRRRRRuUU
22、UUU222222当当 时时, ,ooUuHoFRFFUURRRURRRU222当当 时时, ,ooUuLoFRFFUURRRURRRU222令令0LHUU 由由0 0+iu得到上图得到上图b中中A到到D段段当当 由由+ 0时时iu得到上图得到上图b中中D到到F段段可见输出电压在两个不同的门限电压上下跳变可见输出电压在两个不同的门限电压上下跳变该曲线相似于电工技术中介绍的磁滞回线，因此把该曲线相似于电工技术中介绍的磁滞回线，因此把这种电压比较器称为迟滞型电压比较器。这种电压比较器称为迟滞型电压比较器。UUU回差电压回差电压tuiUHULtuoU+oU-o输入正弦波的情况输入正弦波的情况UR =
23、0采样采样：把连续变化的模拟信号转变为离散的信号；：把连续变化的模拟信号转变为离散的信号；保持保持：在两次采样的时间间隔内，将前一次采样结：在两次采样的时间间隔内，将前一次采样结束的信息保持下来。束的信息保持下来。原理电路如图原理电路如图场效应管场效应管T作为模拟开关作为模拟开关电容电容C作为保持元件作为保持元件集成运放接成跟随器，起阻抗变换和隔离作用集成运放接成跟随器，起阻抗变换和隔离作用u作为采样控制信作为采样控制信号号ui是待采样信号是待采样信号uo为采为采保后的离散信号保后的离散信号集成运放处于比较器状态；集成运放处于比较器状态；输出电压为矩形波输出电压为矩形波;电容电压为近似的三角波
24、。电容电压为近似的三角波。二、测量放大器二、测量放大器在非电量测量系统中，常用各种传感器把非电量转在非电量测量系统中，常用各种传感器把非电量转变为电压、电流信号，放大后给检测系统，原理电变为电压、电流信号，放大后给检测系统，原理电路如下图。路如下图。第一级放大电路由第一级放大电路由A1、A2组成，均采样同相输入，组成，均采样同相输入，输入电阻高，电路结构对称，可抑制零漂。输入电阻高，电路结构对称，可抑制零漂。由电路结构可知，两个运放的输入信号极性相反，由电路结构可知，两个运放的输入信号极性相反，当当R2=R3时，时，R1的中点相当于地，则的中点相当于地，则1121121)21 ()21 (ii
25、ouRRuRRu2122)21 (iouRRu)(21 (211221iioouuRRuu)21 (122121211RRuuuuuuuAiooiioou第二级为差动放大电路，输出电压为第二级为差动放大电路，输出电压为1462464757)(ooouRRuRRRRRRu)()(21461246146246ooooooouuRRuuRRuRRuRRu)21 (124621RRRRAAuuAuuiou当当R4=R5， R6=R7时，时，则总的电压放大倍数为则总的电压放大倍数为运放在输入端不加信号的情况下，输出端也可能运放在输入端不加信号的情况下，输出端也可能有交流电压输出，表明运放产生了自激振荡，
26、使有交流电压输出，表明运放产生了自激振荡，使运放不能正常工作。运放不能正常工作。消除自激振荡的方法是在补偿端接入适当的电容消除自激振荡的方法是在补偿端接入适当的电容或或RC电路，来破坏自激振荡的条件。电路，来破坏自激振荡的条件。实际的运放在零输入时，输出不为零，在输出端实际的运放在零输入时，输出不为零，在输出端反映输入有信号，这样将给其线性应用带来一定反映输入有信号，这样将给其线性应用带来一定的误差，因此需要调零，即零输入的误差，因此需要调零，即零输入零输出。零输出。调零的前提调零的前提：静态调零静态调零：动态调零动态调零：运放不存在自激或已消振。运放不存在自激或已消振。将两个输入端接地，调节
27、外接的调零将两个输入端接地，调节外接的调零电位器使输出电压为零。电位器使输出电压为零。在有信号输入时，计算出输出电压的在有信号输入时，计算出输出电压的理论值，然后将实际的输出电压调节理论值，然后将实际的输出电压调节到理论电压值。到理论电压值。影响调零的因素影响调零的因素：正负电源的对称性正负电源的对称性环境温度环境温度电源电压值是否满足运放要求电源电压值是否满足运放要求1.1.电源保护电源保护作用作用： a、防止电源极性接反，如图、防止电源极性接反，如图ab、防止电源电压跳变，如图、防止电源电压跳变，如图b2.2.输入保护输入保护由于运放对差模和共模电压输入信号都有一定的由于运放对差模和共模电
28、压输入信号都有一定的限制，因此在某些工作状态下，对可能的过电压限制，因此在某些工作状态下，对可能的过电压输入须保证运放不被损坏，原理电路如下图。输入须保证运放不被损坏，原理电路如下图。3.3.输出保护输出保护运放内部都有保护电路以防输出端过载或短路，运放内部都有保护电路以防输出端过载或短路，而对于输出端可能遇到高电压的情况，可用下面而对于输出端可能遇到高电压的情况，可用下面的原理电路加以保护。的原理电路加以保护。由于集成运算放大由于集成运算放大器的输出电流不大器的输出电流不大（为（为mA级），因级），因此当需要运放输出此当需要运放输出较大电流时，可外较大电流时，可外接互补对称电路提接互补对称电路提高运放的输出电流，高运放的输出电流，如右图。如右图。