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1、本章教学基本要求 了解集成运算放大器的基本组成。 理解运算放大器的电压传输特性，了解其主要参数的意义。 掌握理想运算放大器的表示符号和基本分析方法。 理解用运放组成的比例、加减、微分、积分运算电路的工作原理。了解有源滤波电路的工作原理。 理解电压比较器的工作原理及应用。 本章讲授学时本章讲授学时: 4: 4学时学时 自学学时自学学时: 20: 20学时学时第1页/共69页主要内容 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 理想集成运算放大器理想集成运算放大器 集成运放的应用集成运放的应用 本章小结本章小结第2页/共69页集成运算放大器简介 概述概述 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 集成运
2、算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器的主要参集成运算放大器的主要参数数第3页/共69页概述 集成运放实质上是一种双端输入、单端输出的具有高电压放大倍数，高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合放大器。 1. . 集成电路的外形：集成电路的外形： 国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。第4页/共69页概述CF741接线如图所示，双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。2. 集成运放的管脚顺序及功能集成运放的管脚顺序及功能CF741外接线图接正电源( (+9+18)V 接负电源（-9-18）V为同相输入端（输出信号与输入信号同相位）为反相输
3、入端（输出信号与输入信号反相位）为空脚为输出端脚1、4、5外接调零电位器第5页/共69页2 2反相输入端6 6输出端3 3同相输入端7 7正电源端4 4负电源端8 8闲置端（NC）1 1、5 5接调零电位器第6页/共69页概述 集成电路构成: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。 集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗 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，元件参数偏差方向一致，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。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
4、几十到20千欧，精千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。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、大电容结的结电容构成、大电容要外接。要外接。4. 二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。第7页/共69页集成运算放大器的组成对输入级的要求：尽量减小零点漂移, ,尽量提高KCMRR, 输入阻抗 ri 尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。输入级中间级偏置 电路输出级输入端输出端第8页/共69页采用
5、直接耦合的方式：集成化，放大缓变信号和直流信号输入级：由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。中间级：共射放大电路。用于电压放大。输出级：互补对称电路。降低输出电阻，提高带载能力偏置电路：恒流源电路构成。确定运放各级静态工作点集成运算放大器的组成第9页/共69页集成运算放大器的组成UEE u+uo u反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级与uo反相与uo同相第10页/共69页集成运算放大器的组成- -内部结构-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4 4级：互补对称射极跟随器差动放大器第2级第1级：差动放
6、大器第3级：单管放大器+极性判断第11页/共69页集成运算放大器的特点 为满足运算精度的要求，理想集成运算放大器的开环电压放大倍数的数值很大。零点漂移小。 差模输入电阻很高，一般在10105 510101111范围，如果用MOSMOS集成电路，输入级的输入电阻高达10101111以上。 输出电阻很低，一般输出级都采用互补对称电路作为输出级，所以，输出电阻一般在几十欧到几百欧第12页/共69页集成运算放大器的特点 ri 大: 几十k 几百 k KCMRR 很大 ro 小：几十 几百 A o 很大: 104 107理想运放： ri KCMMRR ro 0 0Ao 运放符号：uu+ uo u u+
7、uo国际符号国内符号第13页/共69页集成运算放大器的特点运算放大器的传输特性o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性理想特性u+ - u-uo第14页/共69页集成运算放大器的主要参数1. 开环差模电压放大倍数Auo希望Auo越大越好。dBUUAiouolg20 2. 2. 最大输出电压UoPP 在一定电源电压下，集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的输出电压的峰值称为最大输出电压。其值比电源电压小。如电源电压为15V15V，该值为10V10V左右。3. 3. 最大差模输入电压Uidmax Uidmax是指集成运放的反向输入端和同向输入端之间所能承受的最大电压。第15页/共69页集成运
8、算放大器的主要参数4. 最大共模输入电压Uicmax Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，超过这个值，集成运放的共模抑制比将明显下降，甚至造成器件损坏。5. 5. 差模输入电阻rid rid是指集成运放两个输入端之间的电阻值。r ridid越大越好，它标志集成运放输入端向差模信号源索取信号电流的能力大小。6. 6. 输出电阻ro ro是指集成运放输出级的输出电阻。它反应了运放的带负载能力。7. 7. 共模抑制比KCMRR KCMRR是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数与共模输入电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称程度。 KCMMR越大，运放的共模抑制能力越强。第16
9、页/共69页理想集成运算放大器 理想集成运放的电路模型uuou（1）开环电压放大倍数 uoA（2）差模输入电阻idr（3）开环输出电阻0or（4）共模抑制比CMRRK 理想集成运放的传输特性实际特性理想特性0 uuouo(sat)Uo(sat)U第17页/共69页理想集成运算放大器 传输特性的特点分为线性区和非线性区，其分析方法不一样。0 uuouo(sat)Uo(sat)U线性区非线性区非线性区 工作在线性区时 uu1.理想运放的两个输入端的电位相等虚短000uouAuuuA2.理想运放的两个输入端的输入电流为零。0ii虚断idr第18页/共69页理想集成运算放大器线性区： uo=Auo(u
10、+ - u-)虚地虚地虚断虚断虚短虚短rid ，故故两输入端的输两输入端的输入电流为零入电流为零。 Auo ，uo为有限值为有限值故故 u+-u-=uo/Auo0 即即 u+ u-分析依据分析依据当有信号输入时当有信号输入时，如同相端接地，如同相端接地，即即u u+ +=0 =0 则则u u- - 0 0第19页/共69页理想集成运算放大器 工作在非线性区时：1.理想运放的两个输入端的输入电流为零。0ii虚断2.输出电压有两种取值可能uuou)(satooUuuu)(satooUuuu uu只是两种状态的转换点+Uo（sat）为正饱和值-Uo（sat）为负饱和值；0 uuouo(sat)Uo(
11、sat)U第20页/共69页集成运放的应用 概述概述 运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用 运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面的应用 运放应用中的反馈运放应用中的反馈 集成运放的使用集成运放的使用第21页/共69页概述 运算：比例、加减、积分与微分等。是线性范围内的运算，都适用叠加原理。问题1. 1. 如何保证运放工作在线性区 ? ? 因为:A:Auouo，即当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。解决办法是：解决办法是：在电路中引入深度负反馈在电路中引入深度负反馈。第22页/共69页概述问题2: 2: 将反馈引到同相端还是反相端 引回到反相端引回到反
12、相端 答案是： uuouRf第23页/共69页运放在信号运算方面的应用比例运算比例运算加法运算加法运算减法运算减法运算积分运算积分运算微分运算微分运算综合举例综合举例第24页/共69页比例运算反向比例运算ouiufu2R1RfR1ifi1.1. 反相端输入；2. 2. Rf 引到反相输入端；3. 3. R2 平衡电阻，R2=R1Rf uuii010fiiuufofofiiRuRuuiRuRuui 111ifouRRu1 1RRuuAfiouf1RRf iouu 第25页/共69页比例运算ouiufu2R1RfR1ifi uuii0反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！输入电阻 ri=R1 为保证
13、一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R R2 2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。共模电压为零02 uu第26页/共69页比例运算同向比例运算 uuii0ouiufu2R1RfR1ifi1fiifoifofiRuuRuuiRui 111(1)foiRuuR1(1)foufiRuAuR输入信号从同向输入端输入iiuuuuu第27页/共69页比例运算 电压跟随器 uuii0ouiufu2R1RfR1ifi)1 (1RRuuAfiouf ouiufu2R1R1ifiouiufu2RfRfi1)1 ( fioufRuuA1)01 (1 RuuAiouf第28页/共69页
14、加法运算反向加法i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路131211fiiii 123111213()FFFoiiiRRRuuuuRRR FofRui 11111Ruii 12212Ruii 13313Ruii uuii0第29页/共69页加法运算反向加法i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路)(313212111oiFiFiFuRRuRRuRRu uuii01131211:RRRRif FRRif 1:)(3211oiiiFuuuRRu )(321oiiiuuuu 第30页/共69页加法运算同向加法 u
15、uii022211R/RR/Rf -R1Rf+ui1uoR21R22ui2此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：)(1 (212111111211121iiFouRRRuRRRRRu 流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）22221211222122iiuRRRuRRRu uRRufo)1 (1第31页/共69页加法运算 uuii022211R/RR/Rf -R1Rf+ui1uoR21R22ui2)(1 (212111111211121iiFouRRRuRRRRRu i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路同相求和电路的各输入信号
16、的放大倍数互相影响，同相求和电路的各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。第32页/共69页加法运算 uuii022211R/RR/Rf -R1Rf+ui1uoR21R22ui2i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。)(313212111oiFiFiFuRRuRRuRRu 第33页/共69页减法运算差动输入2323iuRRRu 11111RuuRuuiii fo
17、fofRuuRuui uRRuRRufifo)1 (1112323111)(1 (ififouRRRRRuRRu uuii0ou2iufu2R1RfR1ifi1iu3R第34页/共69页2323111)(1 (ififouRRRRRuRRu uuii0ou2iufu2R1RfR1ifi1iu3RfRRRR321)(121iifouuRRu 12iiouuu fRRRR 321差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高, , 这是由于反相输入造成的。减法运算第35页/共69页单运放的加减运算电路R2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521R/R/RR/R/R12
18、512512123451234111() ()iioiiiiuuuRuRRRRRuuuuRRRRR)(4433643RuRuR/R/Ruii52211RuuRuuRuuoii uuii0第36页/共69页比例运算电路与加减运算电路小结1.1.都引入电压负反馈，因此输出电压稳定、输出电阻都比较小 2.2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.3.同相输入的共模电压高，要求运放的CMRRCMRR大，反相输入的共模电压小。第37页/共69页积分运算ouiufu2R1RfC1ificu uuii00 uu11Ruiiif dtuCRdtiCuuifffco111iu0iUt0o
19、ut)sat(U0 负号表示输出与输入反向当ui为阶跃信号时tCRufo11 最后达到负的饱和值第38页/共69页积分运算运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好，这是因为充电电流基本恒定。 uuii0控制和测量系统中常用的比例- -积分调节器（PIPI调节器）：)1(11odtuCRuRRuiFiFui1uo +-R2CFi1R1PI调节器调节器ifucRF可视为反相比例运算和积分运算的叠加。11RUiiif 第39页/共69页积分运算积分电路的主要用途 uuii01. 1. 在电子开关中用于延迟。在电子开关中用于延迟。2. 2. 波形变换。例：将方波变为三角波。波形变换。例：将方波变
20、为三角波。3. A/D3. A/D转换中，将电压量变为时间量。转换中，将电压量变为时间量。4. 4. 移相。移相。第40页/共69页微分运算1Couiufu2RfR1ifi uuii00 uudtduCiiif11 dtduCRiRuiffo11 当ui为阶跃信号时，uo为尖脉冲电压输出电压与输入电压的一次微分成正比。iu0iUt0out第41页/共69页微分运算1Couiufu2RfR1ifi uuii0tuisin若输入：则：)90sin(costRCtRCuouit0t0uo第42页/共69页微分运算 在控制系统中使调节过程加速的比例微分调节器（PD调节器） uuii0iu0iUt0ou
21、tuiuo+- -R2C1iciRRFifR1iFiFFRFuRRdtduCRR)ii (Riu11cfo 第43页/共69页综合举例例1：已知:RF=240k , R1=24k ， R2=30k , R3=12k ，R4=80k ，求输出电压与输入电压的关系。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui321381020iiiouuuu 21810111214212211iiiiuuRRRRuRuu u1333RRuRRuFiFo第44页/共69页例2：求输出电压与输入电压的关系。-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6)(221111RuRuRuiiFo 5
22、3221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo25461213FFR/R/RR,R/R/RR 第45页/共69页例3：如图所示，求输出电压的大小。_+ + 10k 20k +5V5k ui20k uo1uo_+ + 20k 20k 10k ) 5( 5 . 0) 5(20101iiouuu) 5( 5 . 020201ioouuu第46页/共69页例4：如图所示，求输出电压与输入电压的关系。uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+第47页/共69页解：先求解前面运放。uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+1 iauu
23、2ibuu WbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRR虚短路：虚开路：第48页/共69页解：再求解后面运放。)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1+AR2R2uo+)(21212iiWWuuRRRRR 三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。 由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。第49页/共69页小结 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。 会用 “虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u) ”分析给定
24、运算电路的 放大倍数。第50页/共69页运放在信号处理方面的应用 电压比较器电压比较器 有源滤波器有源滤波器 采样保持电路采样保持电路第51页/共69页电压比较器ouiuRU)()(0satoosatooUuuuUuuuii 0RUouiu)(satoU)(satoU电路特点 （1 1）UR为参考电压，加在同相输入端。输入电压ui加在反向输入端。（3 3）其电压传输特性如图所示: :（2 2）当uiUR时, ,输出电压uo=-U(sat）.第52页/共69页电压比较器)()(0satoosatooUuuuUuuuii RU0iutou)(satoU)(satoU0touiuRU0RUouiu)
25、(satoU)(satoU 调节UR的大小, ,可以改变输出波形正负半周的宽度. .如果UR=0, ,则构成过零比较器. .第53页/共69页电压比较器)()(0satoosatooUuuuUuuuii 0ouiu)(satoU)(satoU传输特性ouiu电路0iutou)(satoU)(satoU0t如果想限制输出电压的大小, ,可以在输出端接双向稳压管. .0ouiuzUzUZD第54页/共69页电压比较器)()(0satoosatooUuuuUuuuii 传输特性电路的结构ouiufR1R2R3RfuuZD0ouiuzUzUthLuthHu （1 1）输出端至反向输入端之间没有反馈通路
26、，所以属于开环应用，输出电压必为高低两种电平。 （2 2）R2和Rf组成正反馈电路，只是为了加快电压比较器状态的翻转过程，使电压传输特性变的更陡。第55页/共69页电压比较器ouiufR1R2R3RfuuZD0iu如果：ZoUuZfthHiiURRRUuu 22ZoUu0:iu如果ZoUuZoZfthLiiUuURRRUuu 022 输出电压的变化总是滞后于输入电压的变化，所以叫过零滞回比较器。0iutZfURRR 22ZfURRR 22ZUouZU0t第56页/共69页有源滤波器滤波电路的分类1. 按信号性质分类模拟滤波器和数字滤波器2. 按所用元件分类无源滤波器和有源滤波器3. 按电路功能
27、分类低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器4. 按阶数分类一阶，二阶 高阶无源滤波器的缺点1. 带负载能力差。2. 无放大作用。3. 特性不理想，边沿不陡。4.两级一阶低通滤波器串接时，各级互相影响第57页/共69页有源滤波器四种典型的频率特性ioUU低通高通带通带阻ioUUioUUioUU第58页/共69页有源滤波器有源滤波器的优点1. 不使用电感元件，体积小重量轻。2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。 3. 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。有源滤波
28、器的缺点1. 不宜用于高频。2. 不宜在高电压、大电流情况下使用。3. 可靠性较差。4. 使用时需外接直流电源。第59页/共69页有源低通滤波器画出其幅频特性为ouiufR1RCRCu| )j(T| |A|uf 0|A|uf 02100200)(1| )(|)( ufAjTA0arctan)( 1010RR|A| )j(T| ,fuf |A| )j(T| ,uf 00021 0 | )j(T| ,有放大作用幅频特性与一阶无源低通滤波器类似运放输出，带负载能力强。第60页/共69页有源高通滤波器工作原理ouiufR1RCRRCjUUCjRRUUiiC111 URRUfo)1 (101111111
29、jRRRCjRRUUffio RC10称为截止角频率 0011111jARCjRR)j(U)j(U)j(Tuffio称为电路的频率特性第61页/共69页有源高通滤波器工作原理ouiufR1RCR200)(1| )(|)( ufAjTA0arctan)( 00 | )j(T| ,|A| )j(T| ,uf 00021 |A| )j(T| ,uf 0 | )(|jT|0ufA|210ufA00第62页/共69页采样保持电路 当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。u
30、iuo +-RC采样保持电路采样保持电路ucS控制信号ououi采采样样 保保持持t输入输出波形输入输出波形第63页/共69页运放应用中的反馈 在集成运放的线性应用中，必须加入深度负反馈才能使电路稳定运行。而且，输入与输出间的关系与运放电路本身的参数无关。所以，各种反馈都有。电压并联负反馈ouiufu2R1RfR1ifi电压串联负反馈ouiufu2R1RfR1ifi第64页/共69页运放应用中的反馈电流并联负反馈电流串联负反馈ouiufuRLR2R0ifiduiu2R1RfR1ifiouRuRLR0idi00iiRfRuiuuiif0ffRfiiRu,iRui 11ifRuRRu1fRoiii
31、ifiRuRRRRuRu)1(111 输出电流与输出电压和负载电阻无关，所以是电流反馈。第65页/共69页运放应用中的反馈 结论结论1.1.反馈电路直接从输出端引出，是电压反馈；从负载电阻靠近地端引出的，是电流反馈（R RL L经电阻R R接地）。2.2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同向和反向），是串联反馈；加在同一个输入端（同向或反向）上的，是并联反馈。3.3.反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。第66页/共69页集成运放的使用1.选用元件2.消振3.调零4.保护5.扩大输出电流ouiufR1R2R1D2D输入保护ouiufR1R2R3RZD输出保护ou1D2D电源保护CECE第67页/共69页本章小结集成运算放大器集成运放的组成与特点集成运放的主要参数集成运放的理想化模型集成运放的应用组成输入级、中间级、输出级特点输入电阻高、输出电阻低、KCMRR高、Auo高Auo 、输入电阻、输出电阻、KCMRR、最大输出电压UoPP最大差模输入电压Uidmax 、最大共模输入电压Uicmax 输入电阻高ri 、输出电阻低ro 0、KCMRR、Auo信号运算信号运算比例、加法、减法、微分、积分比例、加法、减法、微分、积分信号处理信号处理比较、滤波、采样保持比较、滤波、采样保持运放中的负反馈运放中的负反馈第68页/共69页感谢您的观看！第69页/共69页