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1、电工学讲义-集成运算放大器本讲稿第一页，共六十八页基基 本本 要要 求求1.了解差动放大电路的基本工作原理和对零点漂移了解差动放大电路的基本工作原理和对零点漂移了解差动放大电路的基本工作原理和对零点漂移了解差动放大电路的基本工作原理和对零点漂移的抑制作用。的抑制作用。的抑制作用。的抑制作用。2.2.掌握集成运放的理想化条件和掌握集成运放的理想化条件和掌握集成运放的理想化条件和掌握集成运放的理想化条件和重点重点掌握理想集成掌握理想集成掌握理想集成掌握理想集成运放的两大特征。运放的两大特征。运放的两大特征。运放的两大特征。3 3.重点重点掌握集成运放的三种输入方式及运放的应用。掌握集成运放的三种输
2、入方式及运放的应用。本讲稿第二页，共六十八页由晶体管、电阻、电容等单个元件组成的电路由晶体管、电阻、电容等单个元件组成的电路由晶体管、电阻、电容等单个元件组成的电路由晶体管、电阻、电容等单个元件组成的电路把分立元件集成在一片硅片上组成不可分割整体把分立元件集成在一片硅片上组成不可分割整体把分立元件集成在一片硅片上组成不可分割整体把分立元件集成在一片硅片上组成不可分割整体分立元件电路分立元件电路分立元件电路分立元件电路集成电路集成电路集成电路集成电路集成运放属于小规模模拟集成电路集成运放属于小规模模拟集成电路集成运放属于小规模模拟集成电路集成运放属于小规模模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路数字
3、集成电路数字集成电路小规模：小规模：SSI中规模：中规模：MSI大规模：大规模：LSI超大规模：超大规模：VLSI概概 述述本讲稿第三页，共六十八页集成运放的输入级通常由集成运放的输入级通常由集成运放的输入级通常由集成运放的输入级通常由差动放大电路差动放大电路差动放大电路差动放大电路组成组成组成组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级输出端输出端输入端输入端集成运放的组成如下：集成运放的组成如下：？本讲稿第四页，共六十八页零零 点点 漂漂 移移零点漂移：零点漂移：当输入信号为当输入信号为0 0时，放大电路的静态值发生变时，放大电路的静态值发生变化。化。零点：零点：零点：零点：放大电路的直流电压
4、源放大电路的直流电压源U UCCCC保持不变，环境温度保持不变保持不变，环境温度保持不变保持不变，环境温度保持不变保持不变，环境温度保持不变（2020CC），输入信号），输入信号），输入信号），输入信号ui i=0=0时放大电路的静态值。时放大电路的静态值。引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。1.当放大电路输入信号后，这种漂移伴随信号共存于放当放大电路输入信号后，这种漂移伴随信号共存于放大电路，这两者都缓慢变化，一真一假，互相纠缠，难大电路，这两者都缓慢变化，一真一假，互相纠缠，
5、难以分辨。以分辨。2 在多级放大电路中，当采用直接耦合时，第一级漂移在多级放大电路中，当采用直接耦合时，第一级漂移被逐级放大，影响整个电路工作。被逐级放大，影响整个电路工作。本讲稿第五页，共六十八页零点漂移的抑制零点漂移的抑制抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的手段是在抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的手段是在抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的手段是在抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的手段是在输入级采用差动放大电路。输入级采用差动放大电路。输入级采用差动放大电路。输入级采用差动放大电路。由于电容和变压器不能集成，所以集成运算放大器中的由于电容和变压器不能集
6、成，所以集成运算放大器中的由于电容和变压器不能集成，所以集成运算放大器中的由于电容和变压器不能集成，所以集成运算放大器中的多级放大电路采用直接耦合方式，无法通过耦合方式抑多级放大电路采用直接耦合方式，无法通过耦合方式抑多级放大电路采用直接耦合方式，无法通过耦合方式抑多级放大电路采用直接耦合方式，无法通过耦合方式抑制制零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移。本讲稿第六页，共六十八页1.电路结构电路结构1 电路结构对称（在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元电路结构对称（在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。）件的参数值都相等。）2 电路具有两个输入、两个输出端。电路具有两个输入、两个
7、输出端。典型差动放大电路典型差动放大电路典型差动放大电路典型差动放大电路+UCCuoui1RC1RB4T1RB2RC2ui2RB3RB1+T2差动放大电路差动放大电路特特特特 征：征：征：征：本讲稿第七页，共六十八页1.零点漂移的抑制零点漂移的抑制零点漂移的抑制零点漂移的抑制（静态分析）（静态分析）（静态分析）（静态分析）uo=VC1 VC2 =0uo=(VC1+VC1 )(VC2+VC2)=0静态时，静态时，ui1=ui2 =0当温度升高时当温度升高时:ICVC 差动放大电路对两管所产生的零点漂移都有抑制作用差动放大电路对两管所产生的零点漂移都有抑制作用+UCCuoui1RCRB4T1RB2
8、RCui2RB3RB1+T22.工作原理工作原理 uo?（VC1=VC2）本讲稿第八页，共六十八页2.2.有信号输入时的工作情况有信号输入时的工作情况有信号输入时的工作情况有信号输入时的工作情况(动态分析动态分析动态分析动态分析)两管集电极电位呈等量同向变化两管集电极电位呈等量同向变化两管集电极电位呈等量同向变化两管集电极电位呈等量同向变化(1)(1)共模信号共模信号共模信号共模信号 u ui1 i1=ui2i2大小相等、极性相同大小相等、极性相同大小相等、极性相同大小相等、极性相同+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2共模信号 需要抑制u uo o=(=(u u
9、C1C1+uC1C1 )(u uC2 C2+u uC )=0)=0 A Ac c=0=0电路共电路共模信号没有放大能力模信号没有放大能力模信号没有放大能力模信号没有放大能力本讲稿第九页，共六十八页+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T22.2.有信号输入时的工作情况有信号输入时的工作情况有信号输入时的工作情况有信号输入时的工作情况两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化(2)(2)差模信号差模信号差模信号差模信号 u ui1 i1=u ui2大小相等、极性相
10、反大小相等、极性相反u uo o=(uC1C1 u uC1 )(u uC2 C2+u uC C)=2 2 u uC1 C1 对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力+差模信号 是有用信号（A Ad d=2 2 u uC1C1/2 2 u ui i=Au）本讲稿第十页，共六十八页(3)(3)任意输入任意输入任意输入任意输入 ui1 i1、u ui2 i2 大小和极性是任意的。一般可将其分解为差模分大小和极性是任意的。一般可将其分解为差模分大小和极性是任意的。一般可将其分解为差模分大小和极性是任意的。一般可将其分解为差模分量和共模分量：量和共模分量：量和共模
11、分量：量和共模分量：例例:ui1=10 mV,ui2=6 mV ui2=8 mV 2 mV 可分解成可分解成:ui1=8 mV +2 mV共模信号共模信号共模信号共模信号差模信号差模信号差模信号差模信号 放大器只放大器只 放大两个放大两个 输入信号输入信号 的差值信的差值信 号号,抑制共抑制共模信号。模信号。这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。是常见的。共模分量：等于两个输入分量的平均值共模分量：等于两个输入分量的平均值共模分量：等于两个输入分量的平均值共模分量：等于两个输入分量的平均值差模分量：等于两个输入分量差值的一半差模分
12、量：等于两个输入分量差值的一半差模分量：等于两个输入分量差值的一半差模分量：等于两个输入分量差值的一半本讲稿第十一页，共六十八页（Common Mode Rejection Ratio)差模放大倍数差模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数 K KCMRCMR越大，说明分辨差模越大，说明分辨差模信号的能力越强，而抑制共信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。模信号的能力越强。3.共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比一般情况下，电路往往难以完全对称，对共模信号仍有一定放一般情况下，电路往往难以完全对称，对共模信号仍有一定放一般情况下，电路往往难以完全对称，对共模信号仍有一定放
13、一般情况下，电路往往难以完全对称，对共模信号仍有一定放大作用。我们希望差动放大电路有较大差模放大倍大作用。我们希望差动放大电路有较大差模放大倍大作用。我们希望差动放大电路有较大差模放大倍大作用。我们希望差动放大电路有较大差模放大倍Ad d,较小共较小共较小共较小共模放大倍数模放大倍数模放大倍数模放大倍数A Ac，将两者的比值定义为，将两者的比值定义为，将两者的比值定义为，将两者的比值定义为共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比，全面衡量差动，全面衡量差动，全面衡量差动，全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。放大电路放大差模信号和抑制共
14、模信号的能力。放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。本讲稿第十二页，共六十八页R RP：调零电阻。由于制造工艺上的问题，调零电阻。由于制造工艺上的问题，调零电阻。由于制造工艺上的问题，调零电阻。由于制造工艺上的问题，T T1、T T2 2不能完全不能完全不能完全不能完全 对称，调节对称，调节对称，调节对称，调节RP P使放大电路在输入为使放大电路在输入为使放大电路在输入为使放大电路在输入为0 0时，输出为时，输出为时，输出为时，输出为0 0。典型差动放大电路典型差动放大电路 R RE E：稳定静态工作点。：稳定静态工作点。：稳定静态工作点。：稳定静态工作点。U UEE ：补偿补偿补偿补偿R
15、E E上的上的上的上的 电压降，扩大电压降，扩大电压降，扩大电压降，扩大 放大器动态工作范围。放大器动态工作范围。放大器动态工作范围。放大器动态工作范围。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-本讲稿第十三页，共六十八页差动放大电路输入输出方式差动放大电路输入输出方式双输入双输入双输出方式双输出方式ui1ui2uo1uo2单输入单输入双输出方式双输出方式ui1uo1uo2ui1单输入单输入单输出方式单输出方式uo1双输入双输入单输出方式单输出方式ui1ui2uo1本讲稿第十四页，共六十八页集成运算放大器概述集成运算放大器概述输入级输入级中间级中间级输出级输出
16、级输出端输出端输出端输出端输入端输入端输入端输入端集成运放有两个输入端和一个输出端。集成运放有两个输入端和一个输出端。集成运放有两个输入端和一个输出端。集成运放有两个输入端和一个输出端。组组 成成本讲稿第十五页，共六十八页+UCCUEEuouu+电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级中间级中间级输出级输出级同相输入端输出端反相输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，采用带恒流源的差放采用带恒流源的差放。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。构成。输出级：输出
17、级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由射极输出器构成。一般由射极输出器构成。本讲稿第十六页，共六十八页运算放大器的符号表示运算放大器的符号表示反向输入端同相输入端运运放放输出端(电源可不必画，电源可不必画，电源可不必画，电源可不必画，A AOO指开环电压放大倍数指开环电压放大倍数指开环电压放大倍数指开环电压放大倍数)A0u-u+uo反相输入端ui同相输入端uiuouo本讲稿第十七页，共六十八页集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的主要技术指标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
18、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模电压放大倍数。Auo愈高，愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。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 I
19、IB本讲稿第十八页，共六十八页理想运算放大器理想运算放大器理想化条件理想化条件理想化条件理想化条件:开环电压放大倍数开环电压放大倍数开环电压放大倍数开环电压放大倍数A Auouo 输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻 ri i 输出电阻输出电阻 ro 0 共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比 K KCMR=u-u+uo理想运放图形符号理想运放图形符号本讲稿第十九页，共六十八页理想运放的两大特征理想运放的两大特征理想运放的两大特征理想运放的两大特征根据根据Auo=uo/(u+u),所以所以(u+u)0，两个输入端之间近似无电位差，即两个输入端之间近似无电位差，即 u+=u理想运放输入电阻无穷大，
20、所以输入端的电流为理想运放输入电阻无穷大，所以输入端的电流为0,即：即：i+=i-=0特征特征特征特征1 1：两个输入端之间的电压近似等于：两个输入端之间的电压近似等于：两个输入端之间的电压近似等于：两个输入端之间的电压近似等于0 0特征特征特征特征2 2：两个输入端的电流近似等于：两个输入端的电流近似等于0 0u-u+uoi-i+虚短虚短虚短虚短虚断虚断虚断虚断本讲稿第二十页，共六十八页运算放大器的输入方式及电路分析运算放大器的输入方式及电路分析反相输入反相输入反相输入反相输入同相输入同相输入差动输入差动输入差动输入差动输入输入信号从反相端接入电路输入信号从反相端接入电路输入信号从同相端接入
21、电路输入信号从同相端接入电路输入信号从同相端接入电路输入信号从同相端接入电路同相端和反相端均有输入信号接入同相端和反相端均有输入信号接入u-u+uoi-i+本讲稿第二十一页，共六十八页1.1.反相输入方式反相输入方式反相输入方式反相输入方式输入电压从反相端引入输入电压从反相端引入输入电压从反相端引入输入电压从反相端引入,同相端经过同相端经过同相端经过同相端经过R R2接地接地接地接地R Rf：集成运放的开环放大倍数：集成运放的开环放大倍数：集成运放的开环放大倍数：集成运放的开环放大倍数很高很高很高很高,微弱的输入信号也会使放微弱的输入信号也会使放大器进入饱和。在输入与输出大器进入饱和。在输入与
22、输出之间接入之间接入负反馈电阻负反馈电阻负反馈电阻负反馈电阻R Rf作闭环作闭环应用。应用。R R2 2：由于输入级采用差动放大：由于输入级采用差动放大电路，为使静态时电路，为使静态时,ui i=0,=0,u uo o=0,=0,反向输入端和同相输入端对接反向输入端和同相输入端对接地端应有相同的电阻，在同相地端应有相同的电阻，在同相输入端接入输入端接入平衡电阻平衡电阻平衡电阻平衡电阻R R2 2R R2 2=R R1 1/R Rf fuouiR1Rfu+u-i-ifi1i+-R2本讲稿第二十二页，共六十八页1.闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数反向端虽未接地，但电
23、位接近反向端虽未接地，但电位接近反向端虽未接地，但电位接近反向端虽未接地，但电位接近0 0 0 0，称反向输入端为称反向输入端为称反向输入端为称反向输入端为 “虚地虚地”负号表明输入输出电压反向负号表明输入输出电压反向电路分析电路分析uiR1R2Rfu+u-i-ifi1i+-uou=u+=0 (特征特征2)，i+=i=0 (特征特征1)，所以所以 i1 if 本讲稿第二十三页，共六十八页只要满足理想运放的条件，运放的电压放大倍数只与外接只要满足理想运放的条件，运放的电压放大倍数只与外接只要满足理想运放的条件，运放的电压放大倍数只与外接只要满足理想运放的条件，运放的电压放大倍数只与外接电阻电阻电
24、阻电阻 R Rf f 和和和和 R1 有关，而与放大器本身参数无关。有关，而与放大器本身参数无关。有关，而与放大器本身参数无关。有关，而与放大器本身参数无关。运放具有运放具有运放具有运放具有很高的很高的很高的很高的 精度和稳定性。精度和稳定性。精度和稳定性。精度和稳定性。这种运放电路称为反相比例这种运放电路称为反相比例这种运放电路称为反相比例这种运放电路称为反相比例运算电路。当运算电路。当运算电路。当运算电路。当R Rf f=R=R1 1时时,A Au u=1,1,又又又又 称反相器。称反相器。称反相器。称反相器。uiR1R2Rfu+u-i-ifi1i+-uo本讲稿第二十四页，共六十八页电压并
25、联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈输入电阻低，输入电阻低，输入电阻低，输入电阻低，输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻 0 02.2.闭环输入电阻闭环输入电阻rif 和和和和 rofuoRFuiR2R1+反馈电路直接从输出端引出电压反馈输入信号和反馈信号加在同一输入端并联反馈反馈信号使净输入信号减小负反馈本讲稿第二十五页，共六十八页2.同相输入方式同相输入方式同相输入方式同相输入方式因因:i+=i-=0 (特征特征1)，所以所以:u+=ui=u-(特征特征2)（1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数）电压放大倍数反相输入端不反相输入端不“虚地虚地”因要求静态时因要求静态时u+、u
26、 对地电阻对地电阻相同，所以相同，所以平衡电阻平衡电阻:R2=R1/RFuouiu+u-ifi1R1R2Rf+-输出电压与输入电压同相，放输出电压与输入电压同相，放大倍数取决于外接电阻大倍数取决于外接电阻Rf ,R1本讲稿第二十六页，共六十八页输入电阻高输入电阻高输入电阻高输入电阻高输出电阻输出电阻 0电压串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈输入信号和反馈信号分别加两个输入端串联反馈反馈电路直接从输出端引出电压反馈反馈信号使净输入信号减小负反馈uoRFuiR2R1+2.2.闭环输入电阻闭环输入电阻闭环输入电阻闭环输入电阻rif 和和和和 rofrif=ui/ii =ui/0=r
27、of 0（电压负反馈）（电压负反馈）本讲稿第二十七页，共六十八页若若R1开路开路(R1=)，Rf=R2=0输出电压与输入电压大小相同且同相输出电压与输入电压大小相同且同相输出电压与输入电压大小相同且同相输出电压与输入电压大小相同且同相电压跟随器电压跟随器uiu+u-ifi1R1R2Rf+-uouiuo本讲稿第二十八页，共六十八页由集成运放构成的电压跟随器比三极管射极输出器质由集成运放构成的电压跟随器比三极管射极输出器质量优越，几乎不向前级电路取电流，而向后级供电流时，量优越，几乎不向前级电路取电流，而向后级供电流时，几乎不存在内阻。常用作隔离器几乎不存在内阻。常用作隔离器uiuo输入电阻高输入
28、电阻高输入电阻高输入电阻高输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻 0 0本讲稿第二十九页，共六十八页 例例例例1 1：左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，变化时，其两端电压其两端电压 uo不会随之变化。不会随之变化。uo+15k RL15k+15V 7.5k 本讲稿第三十页，共六十八页负载电流的大小负载电流的大小与负载无关。与负载无关。与负载无关。与负载无关。例例例例2：负载浮地的电压负载浮地的电压负载浮地的电压负载浮地的电压-电流的转换电路电流的转换电路电流的转换电路电流的转换电路1
29、.1.能测量较小的电压；能测量较小的电压；能测量较小的电压；能测量较小的电压；2.2.输入电阻高，对被输入电阻高，对被输入电阻高，对被输入电阻高，对被 测电路影响小。测电路影响小。测电路影响小。测电路影响小。流过电流表的电流流过电流表的电流流过电流表的电流流过电流表的电流IGUxR2R1+RLuiR2R1+iLi1本讲稿第三十一页，共六十八页3.3.差动输入方式差动输入方式同相端和反相端同相端和反相端同时有输入信号同时有输入信号运用叠加原理：运用叠加原理：当当u ui1单独作用（单独作用（单独作用（单独作用（u ui2i2=0=0）反相输入方式：反相输入方式：反相输入方式：反相输入方式：当当当
30、当ui2i2单独作用单独作用单独作用单独作用（u ui1i1=0=0）同相输入方式：同相输入方式：同相输入方式：同相输入方式：(2)(2)闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数（1）电路组成）电路组成）电路组成）电路组成uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui1本讲稿第三十二页，共六十八页在该电路中，根据对称性要求：在该电路中，根据对称性要求：Rf f/R R1 1=R=R3 3/R R2常用做测量放大电路 如果取如果取 R1=R2，R3=RF 如如 R1=R2=R3=RF 输出与两个输入信号的差值成正比。输出与两个输入信号的差值成正比。uoui2u+u-ifR1R
31、2RfR3ui1本讲稿第三十三页，共六十八页分析方法分析方法2：因为因为uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui1本讲稿第三十四页，共六十八页已知已知ud为差模信号，为差模信号，uc为共模信号，为共模信号，R1=R2=R3，问当，问当Rf为何值，输出电压为何值，输出电压uo不不含共模信号？含共模信号？解：解：运用叠加原理运用叠加原理设设ud单独作用（单独作用（uc=0),为反相输入方式：为反相输入方式：uod=(Rf/R1)ud设设uc单独作用（单独作用（ud=0),则则：uo=uod+uoc欲使其不含共模成分，则：欲使其不含共模成分，则：(1+Rf/R1)R3/(R2+R3)=(Rf/R1
32、)又：又：R1=R2=R3Rf=R1uoucu+u-ifR1R2RfR3ud+-+-举举 例例本讲稿第三十五页，共六十八页运算放大器的应用运算放大器的应用集成运放在外部反馈网络的配合下，输出与集成运放在外部反馈网络的配合下，输出与集成运放在外部反馈网络的配合下，输出与集成运放在外部反馈网络的配合下，输出与输入之间可灵活实现各种特定的函数关系：输入之间可灵活实现各种特定的函数关系：加法电路加法电路减法电路减法电路减法电路减法电路积分电路积分电路积分电路积分电路微分电路微分电路微分电路微分电路电压比较器电压比较器电压比较器电压比较器本讲稿第三十六页，共六十八页加法运算电路加法运算电路 1.1.反相
33、加法运算电路反相加法运算电路反相加法运算电路反相加法运算电路因因虚短虚短,u=u+=0 平衡电阻：平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1+R2+因因虚断虚断，i=0 所以所以 ii1+ii2=if 本讲稿第三十七页，共六十八页反相输入方式，有反相输入方式，有反相输入方式，有反相输入方式，有“虚地虚地虚地虚地”存在存在存在存在u+=u=0,i1=ui1/R1i2=ui2/R2i3=ui3 /R3i+=i=0if=i1+i2+i3=(0-uo)/Rf当当 R1=R2=R3=Ruoui2ui1RfifR1R2R3R4ui3i1i2i3加法运算电路加法运算
34、电路 1.反相加法运算电路反相加法运算电路加法电路的输出电压加法电路的输出电压加法电路的输出电压加法电路的输出电压与输入电压之和成正与输入电压之和成正与输入电压之和成正与输入电压之和成正比关系比关系比关系比关系本讲稿第三十八页，共六十八页2.2.同相加法运算电路同相加法运算电路同相加法运算电路同相加法运算电路方法方法方法方法1:根据叠加原理根据叠加原理 u ui1单独作用单独作用单独作用单独作用(u ui2i20)0)时，时，同理，同理，ui2单独作用时单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1+R1+本讲稿第三十九页，共六十八页方法方法2：u+思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1
35、+R1+iR1iR2iR1=iR2本讲稿第四十页，共六十八页1.1.输入电阻低；输入电阻低；输入电阻低；输入电阻低；2.2.共模电压低；共模电压低；共模电压低；共模电压低；3.3.当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；对其它路无影响；对其它路无影响；对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：同相加法运算电路的特点：1.1.输入电阻高；输入电阻高；输入电阻高；输入电阻高；2.2.共模电压高；共模电压高；共模电压高；共模电压高；3.3.当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻
36、时，对其它路有影响；对其它路有影响；对其它路有影响；对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：反相加法运算电路的特点：反相加法运算电路的特点：反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1+R1+ui2uoRFui1Ri2Ri1+R2+本讲稿第四十一页，共六十八页vv同相输入加法电路应用较少，同相输入方式时同相输入加法电路应用较少，同相输入方式时同相输入加法电路应用较少，同相输入方式时同相输入加法电路应用较少，同相输入方式时 u u+=u_=u_ 0 0，可能产生较大的共模输入电压，使放大器可能产生较大的共模输入电压，使放大器可能产生较大的共模输入电压，使放大器可能产生较大的共模输入电
37、压，使放大器 工作于非线性区域，甚至造成损坏。工作于非线性区域，甚至造成损坏。工作于非线性区域，甚至造成损坏。工作于非线性区域，甚至造成损坏。vv在设计加法电路时，在设计加法电路时，在设计加法电路时，在设计加法电路时，u uo o数值必须低于电源电压，否则数值必须低于电源电压，否则 运放易趋于饱和而产生误差。运放易趋于饱和而产生误差。运放易趋于饱和而产生误差。运放易趋于饱和而产生误差。注意注意注意注意:本讲稿第四十二页，共六十八页利用双端输入，可构成减法电路利用双端输入，可构成减法电路利用双端输入，可构成减法电路利用双端输入，可构成减法电路减法电路减法电路uoui2u+u-ifR1R2RfR3
38、ui1 如果取如果取 R1=R2，R3=RF 如如 R1=R2=R3=RF 在双端输入的减法电路中，应限制共模电压的数值，避在双端输入的减法电路中，应限制共模电压的数值，避在双端输入的减法电路中，应限制共模电压的数值，避在双端输入的减法电路中，应限制共模电压的数值，避免超过集成运放的最大共模电压。免超过集成运放的最大共模电压。免超过集成运放的最大共模电压。免超过集成运放的最大共模电压。本讲稿第四十三页，共六十八页用电容用电容用电容用电容C C代替反馈电阻代替反馈电阻代替反馈电阻代替反馈电阻R Rf f输出电压输出电压uo正比于输入电压的对时间的积分。正比于输入电压的对时间的积分。R1C为积分时
39、间常数，为积分时间常数，R1C越小，积分作用越强越小，积分作用越强积分电路积分电路uouiR1R2ifi1i+-Cuc+-由由i+=i-=0，u+=u-=0得：得：i1=ifif=?信号从反相端输入，存在信号从反相端输入，存在信号从反相端输入，存在信号从反相端输入，存在“虚地虚地虚地虚地”本讲稿第四十四页，共六十八页例例例例t 0,ui=U负阶跃电压负阶跃电压负阶跃电压负阶跃电压tui0t0uouiR1R2ifi1i+-Cuc+-线性积分时间积分饱和uO=UOM本讲稿第四十五页，共六十八页将比例运算和积分运算结合在一起，就组成将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例比例-积分运算电路。积分运
40、算电路。积分运算电路。积分运算电路。uoCFuiR2R1+RFifi1电路的输出电压电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分积分 这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器,常用于控制系统中常用于控制系统中,以保证以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调整比，可调整比例系数和积分时间常数例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。本讲稿第四十六页，共六十八页输出电压输出电压uo与输入电压是微分关系。与输入电压是微分关系。RfC为微分时间常数，为微分时间常数，Rf
41、C越大，微分作用越强越大，微分作用越强微分电路微分电路微分电路微分电路uouiRRfifi1i+-+-Cuc+-信号从反相端输入，存在信号从反相端输入，存在信号从反相端输入，存在信号从反相端输入，存在“虚地虚地虚地虚地”由由i+=i-=0，u+=u-=0得：得：i1=if本讲稿第四十七页，共六十八页例例t=0时：瞬间充电电流时：瞬间充电电流i1=Cdui/dt 和和uo=RfC(dui/dt)趋于趋于，但由于信号源内阻的存在，只能是有效值。但由于信号源内阻的存在，只能是有效值。t 0时：时：ui为恒定值为恒定值 uo 0，RfC越大，衰减越慢越大，衰减越慢尖脉冲uo0tt 0,ui=U负阶跃电
42、压负阶跃电压负阶跃电压负阶跃电压tui0uiRRfifi1i+-+-Cuc+-本讲稿第四十八页，共六十八页比例比例比例比例-微分运算电路微分运算电路微分运算电路微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中，控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。PD调节器调节器调节器调节器uoC1uiR2RF+R1ifiRiC本讲稿第四十九页，共六十八页电压比较器电压比较器电压比较器的功能：电压比较器的功能：电压比较器的功能：电压比较器的
43、功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。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，由高电平变成当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的信号的 大小和极性。大小和极性。用途：用途：用途：用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技数模转换、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术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环
44、状态或引入正反馈。本讲稿第五十页，共六十八页理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：1.1.输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能 +U Um1m1或或或或Uo o(sat)当当 u u+u u 时，时，时，时，u uo o=+U Uo (sat)(sat)u u+u 时，时，时，时，uo o=U Uo o(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“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
45、(sat)饱和区O本讲稿第五十一页，共六十八页运放工作于开环状态运放工作于开环状态运放工作于开环状态运放工作于开环状态,放大倍数高，放大倍数高，放大器处于饱和状态放大器处于饱和状态 UR为参考电压：为参考电压：电压比较器可用来判断输入信号的相对大小，用于控制电压比较器可用来判断输入信号的相对大小，用于控制电路或波形变换电路或波形变换RRuo电压比较器电压比较器0uiuiUR:放大器处于负饱和状态放大器处于负饱和状态 uo=Um2不存在不存在不存在不存在 u u+=u=u 现象现象 本讲稿第五十二页，共六十八页例例10-5：若输入电压：若输入电压ui=UmSin t,且且URUm,画画uo波形。
46、波形。0uo0uiRR本讲稿第五十三页，共六十八页反馈电阻反馈电阻反馈电阻反馈电阻R Rf 连接在同相输入端，形成正反连接在同相输入端，形成正反连接在同相输入端，形成正反连接在同相输入端，形成正反馈电路，加速了比较器的翻转过程馈电路，加速了比较器的翻转过程馈电路，加速了比较器的翻转过程馈电路，加速了比较器的翻转过程 ，输出，输出，输出，输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。电压的跃变不是发生在同一门限电压上。电压的跃变不是发生在同一门限电压上。电压的跃变不是发生在同一门限电压上。当放大器处于正饱和状态当放大器处于正饱和状态:uo=+Um1RRfR2uf+-URH 称为上阈值称为上阈值门限电压
47、受输出电压的控制当放大器处于负饱和状态当放大器处于负饱和状态:uo=-Um2具有迟滞作用的电压比较器具有迟滞作用的电压比较器具有迟滞作用的电压比较器具有迟滞作用的电压比较器URL 称为下阈值称为下阈值本讲稿第五十四页，共六十八页上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压 U URH：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U URLRL：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uiuoO Um2+Um1电压传输特性电压传输特性uitOuoOt+Um1Um
48、2两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器RFR2uoui+R1+本讲稿第五十五页，共六十八页例例10-6：若输入电压：若输入电压ui=UmSin t,且且URHUim,|URL|Uim|,画画uo波波形。形。0uoui0RRRfR2uf+-本讲稿第五十六页，共六十八页END本讲稿第五十七页，共六十八页引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。当采用直接引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。当采用直接耦合时，第一级漂移被逐级放大，影响整个电路工作。耦合时，第一级漂移被逐级放大，影响整个电路工作。因此抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的因此抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的手段是在输入级
49、采用手段是在输入级采用差动放大电路。差动放大电路。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-本讲稿第五十八页，共六十八页典型差动放大电路典型差动放大电路+UCCCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2 2EE+R RE E的作用：的作用：的作用：的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。上的压降，以获得合适的工作点。本讲稿第五十九页，共六十八页两个输入端两个输入端ui1、ui2经经RB1、RB2接至接至T1T2基极；输出电压基极；输出电压uo从两管集电
50、从两管集电极取出；极取出；RP：调零电阻。由于制造工艺上的问题，调零电阻。由于制造工艺上的问题，T1、T2不能完全不能完全 对称，调节对称，调节RP使放大电路在输入为使放大电路在输入为0时，输出为时，输出为0。RE：稳定静态工作点。：稳定静态工作点。UEE：补偿补偿RE上的上的 电压降，扩大电压降，扩大 放大器动态工作范围。放大器动态工作范围。电路特点电路特点电路结构左右对称电路结构左右对称RC1=RC2，RB1=RB2，T1 T2型号特性相同型号特性相同Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-本讲稿第六十页，共六十八页工作原理工作原理由于两管对称由于两管对