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1、第第1616章章 集成运算放大器集成运算放大器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16.4 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集成电路集成电路: :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、场效晶体管、二极管、电阻、电容效晶体管、二极管、电阻、电容、以以及它们之间的连线所组成的整个电路及它们之间的连线所组成的整个电路集成
2、集成在一块半导体基片上，封装在一在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为定功能的器件，也称为优优 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返回目录返回目录集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的特点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
3、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200200pF,pF,大电容大电容不易制造不易制造返回目录返回目录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：集成运算放大器：是一种是一种高放大倍数、高输入高放大倍数、高输入 电阻、低输出电阻电阻、低输出电阻的直接耦的直接耦合放大电路合放大电路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置电路 尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高
4、尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗输出阻抗 ro小。小。内部内部电路电路返回目录返回目录集成运放的基本结构集成运放的基本结构-UEE+UCCuo u u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级输出级输出级中间级中间级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 A
5、uo 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愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。愈高，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。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
6、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等种类等种类返回目录返回目录213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)每两个每两个运放共运放共用一个用一个偏置偏置电阻电阻四个四个运放运放共用共用V VDDDD、V VSSSS端端C14578C14578外引线排列图外引线排列图213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)返回目录返回目录F007F007（5G245G24）外引线图外引线图接接 线线 图图顶顶 视视 图图
7、CCVEEVOUTININ返回目录返回目录 ri 高高:几十几十k 几百几百k 集成运放特点：集成运放特点：理想运放：理想运放：ri KCMRR很大很大KCMMRR ro 小：几十小：几十 几百几百 ro 0 A o 很很大大:104以上以上 107Ao 集成运算放大器及其分析依据集成运算放大器及其分析依据uo+Auou+u。 。+UCCUEE u u+ uo 理想运放的符号：理想运放的符号：集成运放的传输特性集成运放的传输特性)(ioufu+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区uuou)(uuAuuoo线性区很线性区很窄窄, ,所以所以运放在线运放在线性区工作性
8、区工作, ,通常引入通常引入深度电压深度电压负反馈负反馈返回目录返回目录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 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
9、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。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O2 2. .有源高通滤波器有源高通滤波器R RR R1 1R RF Fu uo ou ui iC CRCUUCRRUj11j1iiURRUo1F101F1Fij11j111RRRCRRUUoRC10为截止频率为截止频率 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的
10、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。 ,0时时当当 ,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O思考题：如何组成带通滤波器？如何组成带通滤波器？返回目录返回目录BPFBPF的一般构成方法的一般构成方法R R2 2R R1 1R RF1F1u ui iC Cu uc cR R4 4R R3 3R RF2F2u uo o将将
11、HPFHPF及及LPFLPF相串联，其条件为相串联，其条件为LPFLPF的通的通带截止频率高于带截止频率高于HPFHPF的通带截止频率。的通带截止频率。返回目录返回目录模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 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。采样存储采样存储电
12、容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器 uG为高电平，为高电平， S 闭合闭合(场效晶体管导通场效晶体管导通)， ui对存储电容对存储电容C充电，充电， uo= uC = ui 。 uG为为 0， S 断开断开(场效晶体管截止场效晶体管截止)，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。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+ 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
13、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。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、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技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 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+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。
14、参考电压参考电压uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 当当 ui 单方向变化时，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uiuoOURui UR，uo=+ Uo (sat)ui 00时时：iFouRRu11u ui i00时时：iFFouRRRu121/o(sat)F22URRRUu时时当输出电压当输出电压o(sat)Uuo当输出电压当输出电压时时o(sat)F22URRRUuo(sat)Uuoo(sat)Uuo当当iUu时，时，当当iUu时，时，o(sat)Uuo信号加到反相信号加到反相输入端输入端引回正反
15、馈引回正反馈R R2 2R R1 1u uo ou ui iR RF F返回目录返回目录uiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U电压传输特性电压传输特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U两次跳变之间具有迟两次跳变之间具有迟滞特性滞特性滞回比较器滞回比较器RFR2uoui+ R1+UU称为回差称为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)(o(sat)F 2 2RF 2FURRRURRRu可见：可见：传输特性不再对称于纵轴，传输特性不再对称于纵轴， UU +URRFR2uoui+ R1+ U Uo(sat)Uo(sat)UUUuoui0om思考题：思
16、考题：设滞回比较器的传输特性和输入电压波设滞回比较器的传输特性和输入电压波 形已给出，形已给出， 试画出它的输出电压波形。试画出它的输出电压波形。tiutou16.4 16.4 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1.1. 矩形波发生电路矩形波发生电路Z122RURRRU双向稳压管,起输出限幅作用R R1 1和和R R2 2构成正反馈电路构成正反馈电路 起限流的作用起限流的作用反相输入端的电压反相输入端的电压cuu 电容两端电压的变化是电容电容两端电压的变化是电容通过电阻通过电阻R RF F的充放电实现的的充放电实现的R RF F和和C C构成负反馈电路构成负反馈电路通
17、过比较通过比较uu ,的大小可的大小可得出输出电压得出输出电压U UR RR R2 2R RF Fu uo ou uC CR R1 1R R3 3D DZ Z返回目录返回目录U UR RR R2 2R RF Fu uo ou uC CR R1 1R R3 3D DZ Z2TtcutouZUZU思考题：如何改变矩形波的周期思考题：如何改变矩形波的周期T T？矩形波发生器的波形矩形波发生器的波形RURU返回目录返回目录2. 2. 三角波发生器三角波发生器组成积分电路组成比较器返回目录返回目录ZURRu12o当当011uu电路工作稳定后电路工作稳定后, ,当当Z1Uuoo121Z1221)(uRRR
18、URRRuo1uZUZU从从返回目录返回目录ZURRu12o当当011uu电路工作稳定后电路工作稳定后, ,当当Z1Uuoo121Z1221uRRRURRRuo1uZUZU从从返回目录返回目录ZUZUZURR12ZURR121F424TRCRR如何计算周期如何计算周期? ?2TZ122T0ZF42d1URRtUCRtto1uou三角波发生器的波形三角波发生器的波形返回目录返回目录16.16.5 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
19、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。返回目录返回目录4.4.保护保护(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R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o返回目录返回目录（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R R2 2R R1 1u uo ou ui iD DZ ZR RF F返回目录返回目录用两个二极管来保护,以防止正、负电源接反.- -E ER R2 2R R1 1u uo ou ui i+ +E E（3 3） 电源保护电源保护返回目录返回目录5 5. .扩大输出电流扩大输出电流互补对称电路R R2 2R RB BR RF Fu ui iu uo o-E-EC CR R1 1R RB B+E+EC CT2T2T1T1D1D1D2D2返回目录返回目录