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1、(4-1) 第四章第四章 集成运算放大器集成运算放大器4.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介4.2 集成运放的基本结构集成运放的基本结构4.3 信号的运算电路信号的运算电路4.4 有源滤波电路有源滤波电路4.5 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用4.6 集成运放其它应用集成运放其它应用*(4-2)4.1集成运算放大器简介集成运算放大器简介将整个电路的各个元件做在一将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。个半导体基片上。集成电路集成电路:优点优点:工作稳定、使用方便、体积小、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。重量轻、功耗小。分类分类:模拟集成电路、数字集成电路模拟集成电路
2、、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路小、中、大、超大规模集成电路 (4-3)集成电路内部结构的特点集成电路内部结构的特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。方向一致，温度均一性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。件代替或外接。3、几十、几十PF以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。、二极管一般
3、用三极管的发射结构成。(4-4) 4.2 集成运放的基本结构集成运放的基本结构输入级输入级中间级中间级 输出级输出级-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原基本原理框图理框图(4-5)T3T4T5T1T2IS u u反相端反相端同相端同相端uo与与uo反相反相与与uo同相同相(4-6)-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：要求：输入级输入级尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大。尽可能大。(4-7)-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T
4、3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级足够大的电压放大倍数足够大的电压放大倍数(4-8)-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级 输出级输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。(4-9) ri 高高:几十几十k 几百几百k 运放的特点：运放的特点：KCMRR很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很很大大:104以上以上 107理想运放：理想运放： ri KCMMRR ro 0Ao 运放符号：运放符号：uu+ uo运放的特点和符号运放
5、的特点和符号 u u+ uo A0(4-10) 4.3 信号的运算电路信号的运算电路uiuouiuo+UOM-UOM Ao越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。加负反馈才能使其工作于线性区。_+ +A04.3.1 概述概述(4-11)运放线运放线性运用性运用信号的放大、运算信号的放大、运算恒压源、恒流源电路恒压源、恒流源电路有源滤波电路有源滤波电路在运放的线性应用中，运放的输出与在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加了负反馈，运放工作于线性状输入之间加了负反馈，运放工作于线性状态。态。(4-12)由于运放的开环放大倍数很大，输入电由于运放
6、的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的化，称其所谓的理想运放理想运放。理想运放的条件：理想运放的条件： 0A ir0ro )uu(Au0o uu0Ii 放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关，可以分开分析。可以分开分析。虚短路虚短路虚开路虚开路(4-13)理想运放的符号理想运放的符号_+ + u+u-u0(4-14)4.3.2 信号的运算电路信号的运算电路(1) 反相比例运算放大器反相比例运算放大器_+ + R2R1RPuiuo0uu i1i2i1=i22o1iRuRu 1210uRRuuA (4-15)_+ + R2R
7、1RPuiuo电路的输入电阻：电路的输入电阻：Ri=R1反馈方式：反馈方式：电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻很小！输出电阻很小！平衡电阻，使输入端平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。对地的静态电阻相等。RP=R1/R2(4-16)_+ + R2R1RPuiuo共模电压：共模电压：02uu 电位为电位为0，虚地。，虚地。输入电阻小、共模电输入电阻小、共模电压为压为0以及以及“虚地虚地”是是反相输入的特点。反相输入的特点。(4-17)(2) 同相比例运算放大器同相比例运算放大器_+ + R2R1RPuiuou-= u+= ui1i2ioRuRuu i12ou)RR1(u 电压并联负反馈电压并
8、联负反馈输入电阻高。输入电阻高。共模电压：共模电压：ui没有虚地概念。没有虚地概念。(4-18)(3) 差动放大器差动放大器_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1 uu11i2oRuuRuu 212iRuRuu )uu(RRu1i2i12o 解出：解出：(4-19)(4) 电压跟随器电压跟随器_+ + R2uiuoiouuuu 此电路是电压此电路是电压并联负反馈，输并联负反馈，输入电阻大，输出入电阻大，输出电阻小，在电路电阻小，在电路中作用与分离元中作用与分离元件的射极输出器件的射极输出器相同，但是电压相同，但是电压跟随性能好。跟随性能好。(4-20)_+ + R2R1R1ui2uoR2u
9、i1差动信号放大差动信号放大了两个信号的了两个信号的差，但是它的差，但是它的输入电阻不高输入电阻不高（2R1）, 这是这是由于反相输入由于反相输入造成的。造成的。(4-21)以上电路的比较归纳：以上电路的比较归纳：1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小都比较小 。2.关于输入电阻：关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。输入电阻高。3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。模电压小。(4-22)(5) 反相求和运算：反相求和运算：_+ + R2R11R12ui2
10、uoRPui1i11i12iF0uu F1211iii )uRRuRR(u2i1221i1120 (4-23)(6) 同相求和运算：同相求和运算：此电路如果以此电路如果以u+为为输入输入 ，则输出为：，则输出为： u)RR1(u1F0u+ ui1 、ui2？2i2221211i222122uRRRuRRRu R1RF+u i1+_uoR21R22ui2-(4-24)所以：所以：)uRRRuRRR)(RR1(u2i1211111i1211121F 请特别注意，同相求和电路的两请特别注意，同相求和电路的两个输入信号的放大倍数互相影响，个输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。不能单独调整。(4-
11、25)(7) 微分运算：微分运算：u-= u+= 0RuioF dtduCii1 F1ii dtduRCuio u i+uoRR2i1iFC(4-26)tsinui 若输入：若输入：则：则：)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0(4-27)应用举例：应用举例：tui0(8) 积分运算：积分运算：Ruii1 dtduCioF dtuRC1uiotuo01、输入方波，输出、输入方波，输出是三角波。是三角波。i1iFu i-+RR2Cuo(4-28)2、如果积分器从某一时刻输入一直流、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时电压，输出将反向积分，经过一定的时
12、间后输出饱和。间后输出饱和。tui0tuo0 t0oUdtRC1uU-UomMomUTRC1U URCUTomM TM积分时限积分时限(4-29)如果输入是正弦波，输出波如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。中请自己验证。(4-30)（9）三运放电路）三运放电路+A-+ARRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+AR2R2uo+(4-31)1iauu 2ibuu WbaW2o1oRuuRR2uu W2i1iRuu 1o2ouu)uu(RRR21i2iWW +A_+ARRRWui1ui2uo1uo2ab+(4-32)uu(RRu1o
13、2o12o R1R1+AR2R2uouo1uo2(4-33) 1o2ouu)uu(RRR2RR1i2iWW12 三运放电路是差动放大器，放大倍数三运放电路是差动放大器，放大倍数可调。可调。由于输入均在同相端，此电路的输入由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。电阻高。(4-34) 4.4 有源滤波器有源滤波器滤波电路的种类滤波电路的种类:按信号性质按信号性质: 模拟滤波器和数字滤波器模拟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滤波器(4-35)j (U
14、i )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(4-36)按频率特性进行分类：按频率特性进行分类： ioUU ioUU ioUU ioUU低通低通高通高通带通带通带阻带阻(4-37)RCR一阶低通滤波器一阶低通滤波器iU oU j1Rj1UUioRCj11 0j11 RC10 (4-38)0j11)j (T 20)(11)j (T ioUU0 10.707 0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，
15、边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。截止频率处：截止频率处：21UUi0 (4-39)将两级一阶低通滤波器串接将两级一阶低通滤波器串接)j (T)j (T)j (T21 ？RCRRCR)j (T)j (T)j (T21 各级互相影响！各级互相影响！(4-40)4.4.1 一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器oF11URRRU iUCj1RCj1U iUCj11 Cj11)RR1(UU1Fio UURR1RFC+-+iU oU (4-41)Cj11)RR1(UU1Fio 幅频特性：幅频特性：201Fio)(11)RR1(UU )RC1(0 相频特性：相频特性：0arg 1、0 时：时：)RR1(U
16、U1Fio 有放大作用有放大作用2、0 时：时：21)RR1(UU1Fio 3、 运放输出，带负载能力强。运放输出，带负载能力强。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似(4-42)4.4.2 二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器 UAUFoCj1UURUURUUoPPPi PPURCj11UCj1RCj1U RC1)A3(21oF o2oFio2j)(1AUU RR1RFC+-+iU oU CRP(4-43) ioUU 021 21 o 3dBP 21 2oP21 (4-44)R1= 时：时：AF=1o2oFio2j)(1AUU 2oio)(11UU o 时：时：21
17、UUio RC+-+iU oU CR(4-45)如何组成高通滤波器？如何组成高通滤波器？RC对调对调RR1RFC+-+iU oU (4-46)4.5 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用所谓非线性应用是指，由运放组成的所谓非线性应用是指，由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关电路处于非线性状态，输出与输入的关系系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。非线性电路有以下三种情况。(4-47)1、电路中的运放处于非线性状态。、电路中的运放处于非线性状态。+Auo 比如：运放开环应用比如：运放开环应用uo 加有正反馈的运放电路，运放处
18、于加有正反馈的运放电路，运放处于非线性状态。非线性状态。(4-48)2、电路中的运放处于线性状态，但外围电、电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管）。路有非线性元件（二极管、三极管）。ui0时：时：i11FouRRu ui U+H , 就有就有 u- u+ uo 立即由立即由Uom 变成变成Uom ! U+Huc0t0tuoUom-Uom在在 uc U+H 时，时，u- 0 时时,uo1 0 , D2 导通导通,D1 截止截止,uo = 0 ; ui 0,D2 截止截止,D1 导通，此时导通，此时:tuooi1FouRRu +uiuoR1RFR2D1D2Auo1(4-
19、104)显然，只要运放的输显然，只要运放的输出电压大于二极管的出电压大于二极管的正向电压，正向电压，D1 和和 D2 中中总有一个导通，另一总有一个导通，另一个截止，这个电路就个截止，这个电路就能正常整流。能正常整流。 这个电路所要求的最小输入电压峰值为：这个电路所要求的最小输入电压峰值为：UD/Au UD 为二极管的正向电压为二极管的正向电压Au=RF/R1+uiuoR1RFR2D1D2Auo1(4-105)思考题：思考题：如果我们希望获得正半波如果我们希望获得正半波性的输入信号，怎么办？性的输入信号，怎么办？二极管反向二极管反向+uiuoR1RFR2D1D2(4-106)(2).全波整流电
20、路全波整流电路在半波整流电路的基础上，加一级加法运算放在半波整流电路的基础上，加一级加法运算放大器，就组成了简单的绝对值电路：大器，就组成了简单的绝对值电路：+uiuoR1RF1R21D1D2+R11RF2R22R12A1A2u1(4-107)左图中左图中A1 构成半波整流构成半波整流电路，在电路，在 R1 RF1 的条的条件下，有：件下，有：0( 当当 ui 0 )- uiu1=tui0tu1o+uiuoR1RF1R21D1D2+R11RF2R22R12A1A2u1(4-108)tuootuiotu1o+uiuoR1RF1R21D1D2+R11RF2R22R12A1A2u1(4-109) 还要满足的一定的条件还要满足的一定的条件（R1= RF1）从要求知：从要求知：R12 =RF2R11 = 0.5 RF2 +uiuoR1RF1R21D1D2+R11RF2R22R12A1A2u1