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1、1.1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想理解运算放大器的电压传输特性，理解理想 运算放大器并掌握其基本分析方法。运算放大器并掌握其基本分析方法。3.3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和理解用集成运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器 的工作原理。的工作原理。4.4.理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第17章 集成运算放大器第1页/共73页17.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单
2、介绍17.1.1 17.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo 高:80dB140dBrid 高:105 1011ro 低:几十 几百KCMR高:70dB130dB集成运放的符号：集成运放的符号：uo+Auou+u。+UCCUEE第2页/共73页+UCCUEEu uo ouu+17.1.2 电路的简单说明输入级中间级 输出级同相输入端输出端反相输入端 输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，
3、都采用带恒流源的差放。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。第3页/共73页17.1.3 主要参数1.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。2.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。Auo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 UICM 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。愈小愈好愈小愈好3.输入失调电压 UIO4.输入失调电流 IIO5.输入偏置
4、电流 IIB第4页/共73页17.1.4 理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo ，rid ，ro 0，KCMR 2.电压传输特性 uo=f(ui)线性区：uo=Auo(u+u)非线性区：u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=+Uo(sat)u+0 ui=Ui 0时，|T(j)|衰减很快 显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。uoRFCR+R1+ui+RC一阶二阶 幅频特性0|Auf0|T(j)|O第3
5、2页/共73页2.2.有源高通滤波器有源高通滤波器uiuoRFCR+R1+设输入为正弦波信号，则有故：第33页/共73页 可见，电路使频率大于0 的信号通过，而小于0 的信号被阻止，称为有源高通滤波器。若频率若频率 为变量，则为变量，则电路的传递函数电路的传递函数其模为 幅频特性0|Auf0|T(j)|O第34页/共73页模拟开关模拟输入信号1.1.电路17.3.2 采样保持电路 SuC+ui+uo+采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D 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，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。用于数字电
6、路、用于数字电路、计算机控制及程序计算机控制及程序控制等装置中。控制等装置中。采样存储电容控制信号电压跟随器第35页/共73页2.2.工作原理工作原理17.3.2 采样保持电路1.1.电路电路采样阶段采样阶段：uG为高电平，S 闭合(场效应管导通)，ui对存储电容C充电，uo=uC=ui。保持阶段保持阶段：uG为 0，S 断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+ui+uo+第36页/共73页17.3.317.3.3 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：电压比较器用来比较输入信号与
7、参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。用途：用途：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。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。第37页/共73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 +U Uo o (sat)(sat)或或 U Uo o(sat)(sat)当当 u u+u u 时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uuu 时，时，u uo o=+=+U
8、 Uo o (sat)(sat)u u+uu 时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)即即 u ui iUUUR R 时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。参考电压动画第39页/共73页uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2单限电压比较器：单限电压比较器：当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。URuouiR2+R1+电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第40页/共73页ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sa
9、t)URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第41页/共73页URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+Ot+Uo(sat)Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2第42页/共73页输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器设稳压
10、管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则 u ui i U UR R，u uo o=U UZ ZUZ UZuoRDZURuouiR2+R1+电压传输特性 Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURu ui iUUUR R 时，时，u uo o =U Uo o (sat)(sat)第43页/共73页过零电压比较器过零电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波URuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)u ui iu uo oOOU UR
11、 R=0=0tuiOOtuo+Uo(sat)Uo(sat)OO第44页/共73页2.2.滞回比较器滞回比较器上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压 电路中引入正反馈电路中引入正反馈(1)(1)提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；(2)(2)输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生 在同一门限电压上。在同一门限电压上。RF当 uo=+Uo(sat)，则 当 uo=Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2uoui+R1+第45页/共73页上门限电压上门限电压 UU+：u ui i 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UU+：u ui i 逐渐减小时的
12、门限电压逐渐减小时的门限电压uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器RFR2uoui+R1+第46页/共73页根据叠加原理，有根据叠加原理，有改变参考电压改变参考电压U UR R，可使传输特性沿横轴移动，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+URRFR2uoui+R1+u ui iu uo oOO U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)电压传输特性电压传输特性当参考电压当参考电压U UR R不等于零时不等于零时第47页/共73页定义：定义：回差电压回差电压
13、 与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：1.1.改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。2.2.回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，U U越大，抗干扰越大，抗干扰 能力越强。能力越强。结论：结论：1.1.调节调节R RF F 或或R R2 2 可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。2.2.改变改变U UR R可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，但不影回差但不影回差 电压电压 U U。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生
14、等电路中得到广泛应用。第48页/共73页解：解：对图（对图（1 1）上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压例：例：电路如图所示，电路如图所示，U Uo o(sat)(sat)=6V=6V，U UR R =5V=5V，R RF F =20k=20k，R R2 2=1=10k0k，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）第49页/共73页解：解：对图（对图（2 2）例：例：电路如图所示，电路如图所示，U Uo o(sat)(sat)=6
15、V=6V，U UR R =5V=5V，R RF F =20k=20k，R R2 2=1=10k0k，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）第50页/共73页（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）u ui iu uo oOO-6 6-2-22 26 6 图图(1)(1)的电压传输特性的电压传输特性图图(2)(2)的
16、电压传输特性的电压传输特性u uo ou ui iOO -6 66 61.331.335.335.33第51页/共73页17.4 运放在波形产生方面的应用运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用：波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。三角波、锯齿波等）。特点：特点：不用外接输入信号，即有输出信号。不用外接输入信号，即有输出信号。第52页/共73页17.4.1 矩形波发生器1.1.电路结构电路结构 由滞回比较器、由滞回比较器、RC RC充放电电路组成，充放电电路组成，电容电压电容电压u uC C 即是比较器即是比
17、较器的输入电压，的输入电压，2.2.工作原理工作原理设电源接通时，设电源接通时，u uo o =+=+U Uo o(sat)(sat)，u uC C(0)=0(0)=0。电阻电阻R R2 2两端的电压两端的电压U UR R即是比较器即是比较器的参考电压。的参考电压。u uo o 通过通过 R RF F 对电容对电容C C充电，充电，u uC C 按指数规律增长。按指数规律增长。R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+充电充电U UR R+第53页/共73页当当 u uo o =+=+U Uo o(sat)(sat)时，时，电容充电，电容充电，u uC C上升，上升
18、，电容放电，电容放电，u uC C下降，下降，当当u uC C=U=UR R 时，时，u uo o 跳变成跳变成 U Uo o(sat)(sat)当当 u uC C=U=UR R 时，时，u uo o 跳变成跳变成 +U Uo o(sat)(sat)，电容又重新充电。，电容又重新充电。放电放电2.2.工作原理工作原理R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+充电充电U UR R+R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+U UR R+动画第54页/共73页3.3.工作波形工作波形充电充电放电放电uouCt t1 1t t3 3t t2 2
19、T=TT=T1 1+T+T2 2电容充放电过程，电容充放电过程，u uC C 的响应规律为的响应规律为4.4.周期与频率周期与频率T T1 1T T2 2T T U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)第55页/共73页在充电过程中在充电过程中在放电过程中在放电过程中矩形波的周期矩形波的周期矩形波的频率矩形波的频率充放电时间常数相同：充放电时间常数相同：=RC 矩形波常用于数字电路中作为信号源矩形波常用于数字电路中作为信号源第56页/共73页 A A1 1：滞回比较器：滞回比较器 因因 u u =0 =0，所以当所以当 u u+=0 =0 时时，A A1 1状态改状态
20、改变变17.4.3 三角波发生器1.1.电路结构电路结构A A2 2：反相积分电路：反相积分电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1第57页/共73页2.2.工作原理工作原理A1：滞回比较器 因 u-=0，所以当 u+=0时，A1状态改变输出输出 u uo1o1 改变改变(+(+U UZ Z 跃变到跃变到 U UZ Z 或或 U UZ Z 跃变到跃变到 +U UZ Z)，当同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2+R6uoR5R
21、4+A2A1R1动画第58页/共73页TT1T23.3.工作波形工作波形4.4.周期与频率周期与频率T=T1+T2=2T1=2T2uo1 UZ UZtOuo (1)改变比较器的输出 uo1、电阻R1、R2 即可改变三角波的幅值。(2)改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。动画第59页/共73页17.4.3 锯齿波发生器1.1.电路电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1三角波发生器三角波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+
22、A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R 4 4D D在三角波在三角波发生器的发生器的电路中，电路中，使积分电使积分电路的正、路的正、反向积分反向积分的时间常的时间常数不同，数不同，即可使其即可使其 输出锯齿输出锯齿波。波。第60页/共73页2.2.波形波形17.4.3 锯齿波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R4 4 D D1.1.电路电路t tU UZ ZUUZ Zu uo ou uo1o1Ou uo o动画第61页/共73页17.5 运放在信号测量方面的
23、应用运放在信号测量方面的应用 在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量器将非电量(如温度、应变、压力和流量等如温度、应变、压力和流量等)的变化的变化转换为电信号转换为电信号(电压或电流电压或电流)，而后输入系统。但这，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小小 (一般只有几毫伏到几十毫伏一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号，所以要将电信号加以放大。加以放大。测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后
24、面电路去处理。的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。第62页/共73页测量放大器的原理电路测量放大器的原理电路ui1+R2+uo2uo1uoR6R6R4R4+R2R1+ui2ui+A2A1A3+对对A A1 1和和A A2 2有有对对A A3 3有有 改变改变R R1 1的阻的阻值，即可调节值，即可调节电压放大倍数电压放大倍数第63页/共73
25、页17.6 集成功率放大器集成功率放大器 使喇叭相当于纯电阻负载去耦，防止低频自激消振，防止高频自激集成功放LM386接线图特点特点:工作可靠、工作可靠、使用方便。使用方便。只需在器件只需在器件外部适当连外部适当连线，即可向线，即可向负载提供一负载提供一定的功率。定的功率。+.32ui。+_+4758+UCCLM386+uo+_第64页/共73页17.7 运算放大器电路中的负反馈运算放大器电路中的负反馈17.7.117.7.1 并联电压负反馈并联电压负反馈i i1 1i if f i id du uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+R RL L设输入电压设输入电压 u u
26、i i 为正，为正，差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i if f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差差值电流值电流)负反馈负反馈反馈电流反馈电流取自输出电压取自输出电压电压反馈电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较较并联反馈并联反馈 特点：特点：输入电阻低、输出电阻低输入电阻低、输出电阻低第65页/共73页17.7.2 串联电压负反馈+u uf f+u ud du uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+R RL L设输入电压设输入电压 u ui i 为正
27、，为正，差值电压差值电压 u ud d=u ui i u uf f各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图u uf f 削弱了净输入电压削弱了净输入电压(差值电压差值电压)负反馈负反馈反馈电压反馈电压取自输出电压取自输出电压电压反馈电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈串联反馈 特点：特点：输入电阻高、输出电阻低输入电阻高、输出电阻低第66页/共73页17.7.3 串联电流负反馈u uo ou ui iR R2 2R RL L+i io oR R+u uf f+u ud d设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，差值电压
28、差值电压 u ud d=u ui i u uf f各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图u uf f 削弱了净输入电压削弱了净输入电压(差值电压差值电压)负反馈负反馈反馈电压反馈电压取自输出电流取自输出电流 电流反馈电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈串联反馈u uf f=RiRio o 特点：特点：输出电流输出电流 i io o 与负载电阻与负载电阻R RL L无关无关 同相输入恒流源电路或电压同相输入恒流源电路或电压-电流变换电路电流变换电路第67页/共73页17.7.4 并联电流负反馈R RF FR R1 1u ui
29、iR R2 2R RL L+i io oR Ri i1 1i if fi id d设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i if f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差差值电流值电流)负反馈负反馈反馈电流反馈电流取取自输出电流自输出电流电流反馈电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较 并联反馈并联反馈第68页/共73页17.7.4 并联电流负反馈R RF FR R1 1u ui iR R2 2R RL L+i io oR Ri i1
30、 1i if fi id d设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i if f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差差值电流值电流)负反馈负反馈反馈电流反馈电流取取自输出电流自输出电流电流反馈电流反馈特点：特点：输出电流输出电流 i io o 与负载电阻与负载电阻R RL L无关无关 反相输入恒流源电路反相输入恒流源电路第69页/共73页运算放大器电路反馈类型的判别方法：运算放大器电路反馈类型的判别方法：1.1.反馈电路直接从输出端引出的，反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；是电压反
31、馈；从负载电阻从负载电阻R RL L的靠近的靠近“地地”端引出的，端引出的，是电流反是电流反馈；馈；2.2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，（同相和反相）上的，是串联反馈是串联反馈；加在同一个；加在同一个输入端（同相或反相）上的，输入端（同相或反相）上的，是并联反馈是并联反馈；3.3.对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，同时，是负反馈；是负反馈；极性相反时，极性相反时，是正反馈是正反馈；4.4.对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，馈电流
32、之差时，是负反馈；是负反馈；否则否则是正反馈。是正反馈。第70页/共73页例例1 1：试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器A2A2输出输出端引至端引至A1A1输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。u uf f+u uo1o1u ui iR R+u uo o+R RL LA1A1A2A2解：解：因反馈电路直接从运算放大器因反馈电路直接从运算放大器A2A2的输出端引的输出端引出，所以出，所以是电压反馈；是电压反馈；因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以和同相输入端上，所以是串联反馈；是串联反
33、馈；因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈。负反馈。串联电压负反馈串联电压负反馈 先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；第71页/共73页例例2 2：试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器A2A2输出输出端引至端引至A1A1输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。解：解：因反馈电路是从运算放大器因反馈电路是从运算放大器A2A2的负载电阻的负载电阻R RL L的的靠近靠近“地地”端引出的，所以端引出的，所以是电流反馈；是电流反馈；因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以所以是并联反馈是并联反馈;因净输入电流因净输入电流 i id d 等于输入电流和反馈电流之差，等于输入电流和反馈电流之差，所以是所以是负反馈。负反馈。并联电流负反馈并联电流负反馈u uo1o1u ui iR R+u uo o+R RL LA1A1A2A2i i1 1i if fi id d第72页/共73页感谢您的观看！第73页/共73页