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1、Analog Electronic第第2章章 集成运放及其基本运用集成运放及其基本运用本章重点本章重点1.各种基本单元运算电路及综合运算各种基本单元运算电路及综合运算。2.电压比较器的传输特性电压比较器的传输特性本章讨论的问题：本章讨论的问题：1.什么是理想运放？指标参数有哪些？什么是理想运放？指标参数有哪些？2.为什么在运算放大电路中集成运放必须工作在线性区？为什么在运算放大电路中集成运放必须工作在线性区？为什么理想运放工作在线性区时会有虚短和虚断？为什么理想运放工作在线性区时会有虚短和虚断？3.有哪些基本运算电路？怎样分析运算电路的运算关有哪些基本运算电路？怎样分析运算电路的运算关 系？系
2、？4.电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？Analog Electronic 2.1 放大的概念和电路主要指标放大的概念和电路主要指标 2.1.1 放大的概念放大的概念u放大的对象放大的对象：模拟量模拟量。常用正弦波作测试信号。u放大的本质放大的本质：能量的控制和转换能量的控制和转换。在输入信号的作用下，通过放大电路，将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载上获得的能量大于信号源提供的能量。第第2章章 集成运放及其基本运用集成运放及其基本运用Analog
3、 Electronicu放大电路的核心元件：有源元件。用于能用于能量的控制和转换。量的控制和转换。u放大的特征：功率放大。负载上获得比输负载上获得比输入信号大得多的电压或电流，或者兼而有之。入信号大得多的电压或电流，或者兼而有之。u放大的基本要求：不失真。这是放大的前这是放大的前提，要求放大电路中的有源元件工作在合适的提，要求放大电路中的有源元件工作在合适的区域，使输入量与输出量始终保持线性关系。区域，使输入量与输出量始终保持线性关系。Analog Electronic2.1.2.2.1.2.放大电路的性能指标放大电路的性能指标1.放大电路的框图放大电路的框图放大电路示意图放大电路示意图Ana
4、log Electronic2 2、性能指标、性能指标 （1）放大倍数放大电路示意图放大电路示意图电压放大倍数电流放大倍数互阻放大倍数互导放大倍数放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标Analog Electronic（2）输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 输入电阻输入电阻Ri放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源索取电流。那么就要从信号源索取电流。输入电阻输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，参数。输
5、入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。对前级的影响越小。AuIiUSUiRi=Ui/Ii一般来说，一般来说，R Ri i越大越好。越大越好。WhyWhy？Analog Electronic 输出电阻 对负载来说对负载来说,放大器的输出端口等效为一个信放大器的输出端口等效为一个信号源，其内阻就是放大电路的输出电阻，也就是从号源，其内阻就是放大电路的输出电阻，也就是从放大电路输出端看进去的等效电阻。放大电路输出端看进去的等效电阻。计算输出电阻的方法之一：测出空载输出电压计算输出电阻的方法之一：测出空载输出电压 和有载和有载(负载为负载为R RL L)输出电压输出电压U Uo o，则
6、：，则：Analog Electronic 输出电阻输出电阻R R0 0的大小反映了放大电路带负载的能力的大小反映了放大电路带负载的能力。R0愈小，负载电阻变化时，Uo的变化愈小，放大电路带负载的能力愈强。Analog Electronic3.3.通频带通频带(衡量放大电路对不同频率信号的适应能力衡量放大电路对不同频率信号的适应能力)一般宽频带放大器的幅频特性如图所示，一般情况下，一般宽频带放大器的幅频特性如图所示，一般情况下，放大电路只适用于放大某一特定频率范围的信号，在输入信号放大电路只适用于放大某一特定频率范围的信号，在输入信号频率太高或太低时，放大倍数的值会下降并产生相移。频率太高或太
7、低时，放大倍数的值会下降并产生相移。在信号频率下降到使放大倍数的值等于0.707的频率。在信号频率上升到使放大倍数的值等于0.707的频率。之间的频率范围。通频带Analog Electronic（4）最大不失真输出电压）最大不失真输出电压 在输出波形没有在输出波形没有明显失真明显失真情况下放大电路能够提供给情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压负载的最大输出电压(或最大输出电流或最大输出电流)可用峰可用峰-峰值峰值(UOPP、IOPP)表示，或有效值表示表示，或有效值表示(Uo、Io)。（5）最大输出功率与效率）最大输出功率与效率在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率称为最大
8、输出功率最大输出功率Pom。直流电源能量的利用率称为效率效率。：效率：效率PV：直流电源消耗的功率直流电源消耗的功率Analog Electronic 2.2 集成运算放大电路集成运算放大电路2.2.1 差分放大的概念（差分放大的概念（6.3节介绍）节介绍）输入级均采用差分放大电路,具有很强的抑制零点漂移的能力；中间级一般采用有源负载的复合管共射电路，以获得高的 电压放大倍数；输出级通常采用互补对称输出电路，以提高电路的带负载能力；且电路的不失真输出电压高，效率高。偏置电路一般采用恒流源电路，其特点是直流电阻小，交流 电阻大，常用来作有源负载和为各级提供合理而稳 定的偏置电流。Analog E
9、lectronic2.2.2 集成运放的符号及其电压传输特性集成运放的符号及其电压传输特性图 集成运放的符号和电压传输特性uO=f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成运放的两个输入端分别为同相输入端集成运放的两个输入端分别为同相输入端u uP P和反相输入端和反相输入端u uN N。电压传输特性电压传输特性Analog Electronic输输出出电电压压与与其其两两个个输输入入端端的的电电压压之间存在线性放大关系，即之间存在线性放大关系，即集成运放的工作区域集成运放的工作区域线性区域：线性区域：Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大倍数非线性区域：非线性区域：输出电压只有两种
10、可能的情况：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或或-UOMUOM为输出电压的饱和电压、其数值接近电源值。为输出电压的饱和电压、其数值接近电源值。uOuP-uN+UOM-UOMAnalog Electronic理想集成运放理想集成运放理想运放的性能指标理想运放的性能指标1、开环电压增益 Aod=2、差模输入电阻 Rid=3、输出电阻 R0=04、共模抑制比 KCMR=5、上限截止频率 fH=6、输入失调电压UOI及其温漂dUOI/dT、输入失调电流IOI及其温漂dIOI/dT为零；无内部噪声。Analog Electronic理想运放两个工作区域的特点理想运放两个工作区域的特点 1。工作在线性
11、区 它的输出电压和输入差模电压满足如下的线性关系:uo=Aod（uP-uN）通常，集成运放的Aod很大，为了使其工作在线性区，大都引入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超出线性范围。集成运放工作在线性区的特征是电路引入了负反馈集成运放工作在线性区的特征是电路引入了负反馈。特点:（1）称两输入端“虚短路虚短路”（指运放两输入端的电位无限接近，但又不是真正的短路）。（2）称两输入端“虚断路虚断路”（指运放两输入端的电流趋于零，但又不是真正的断路）。Analog Electronic 在电路中，若运放处于开环状态，或引入了正反馈，则运放工作在非线性区，输出电压与输入电压之间 uoAod（
12、uP-uN）特点（1）输出电压只有两种可能的状态：UOM。当 uPuN 时 uo=+UOM uPuN 时 uo=-UOM（2）运放的输入电流等于零，即 iP=iN=0uOu+-u-O+UOM-UOM理想特性理想特性图理想运放工作在非线性区的电压传输特性图理想运放工作在非线性区的电压传输特性 2。工作在非线性区 Analog Electronic2.3 理想运放组成的基本运算电路 比例运算电路比例运算电路1.反相比例运算电路基本电路特点电路引入了电压并联负反馈，输入电阻Ri=R低,输出电阻Ro=0.存在虚地uP=uN=0.共模输入信号uIC=0，对于集成运放的共模抑制比要求不高.(R=R/Rf，
13、使两输入端对地的电阻一致,使静态偏置电流IIB流过它们时产生的压降相等,因而对输出没有影响.)Analog ElectronicT 型反馈网络反相比例运算电路Analog Electronic2.同相比例运算电路特点 电路引入了电压串联负反馈，输入电阻很大，输出电阻很小，可以认为 Ri=,Ro=0.共模输入信号uIc=uI，对于集成运放的共模抑制比要求较高。R=R1/RfAnalog Electronic运算关系的分析方法运算关系的分析方法：列出关键节点（如同相输入端、反相输入端）的电流方程，利用集成运放工作在线性区所具有的“虚短”和“虚断”的特点，求解输出电压和输入电压的关系式。电压跟随器电
14、压跟随器当当 Rf=0 或或 R1=时，如下图所示时，如下图所示Analog Electronic 2.3.2 加减运算电路加减运算电路1.反相求和运算电路Analog Electronic2.同相求和同相求和运算电路运算电路 设设 R1 R2 R3 R4 R Rf方法一方法一:叠加原理叠加原理方法二方法二:节点电流法节点电流法Analog Electronic3 加减运算电路加减运算电路(1).差分比例运算电路在理想条件下，由于在理想条件下，由于“虚断虚断”，i+=i-=0由于由于“虚短虚短”，u+=u-，所以：所以：电压放大倍数电压放大倍数Analog Electronic(2)加减运算电
15、路加减运算电路利用叠加原理求解利用叠加原理求解图图(a)为反相求和运算电为反相求和运算电路路Analog Electronic图图(b)为同相求和运算电路为同相求和运算电路若电路只有二个输入，且参数对称，电路如图上式则为上式则为图差分比例运算电路图差分比例运算电路电路实现了对输入差模信号的比例运算电路实现了对输入差模信号的比例运算若若R1/R2/RfR3/R4/R5Analog Electronic改进电路图：高输入电阻差分比例运算电路改进电路图：高输入电阻差分比例运算电路若若R1=RF2，R3=RF1Analog Electronic积分运算电路和微分运算电路积分运算电路和微分运算电路1、积
16、分运算电路、积分运算电路由于由于“虚地虚地”，u-=0，故故uO=-uC由于由于“虚断虚断”，iI=iC，故故uI=iIR=iCR得：得：=RC积分时间常数积分时间常数图图 Analog Electronic积分电路的输入、输出波形积分电路的输入、输出波形(一一)输入电压为阶跃信号输入电压为阶跃信号t0t1tuIOtuOOUI当当 t t0 时，时，uI=0，uO=0；当当 t0 t1 时，时，uI=0，uo 保持保持 t=t1 时的输出电压值不变。时的输出电压值不变。即输出电压随时间而向负方向直线增长。即输出电压随时间而向负方向直线增长。Analog Electronic(二二)输入电压为正
17、弦波输入电压为正弦波 tuOO可可见见，输输出出电电压压的的相相位位比比输输入入电电压压的的相相位位领领先先 90 。因此，此时积分电路的作用是。因此，此时积分电路的作用是移相移相。tuIOUm图图注意：为防止低频信号增益过大，常在电容上并联电阻。注意：为防止低频信号增益过大，常在电容上并联电阻。Analog Electronic积分运算电路在不同输入情况下的波形1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输出电压波形？3)输入为正弦波时的输出电压波形？(Rf用于限制低频电压增益)Analog Electronic图图 7.2.18基本微分电路基本微分电路由于由于“虚断虚断”，i-=
18、0，故故iC=iR又由于又由于“虚地虚地”，u+=u-=0=0 可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。实现波形变换，如将方波变成双向尖顶波。实现波形变换，如将方波变成双向尖顶波。2.微分运算电路微分运算电路微分电路的作用：微分电路的作用：微分电路的作用有移相微分电路的作用有移相 功能。功能。Analog Electronic实用微分运算电路实用微分运算电路基本微分运算电路在输入信号时，集成运放内部的放大管基本微分运算电路在输入信号时，集成运放内部的放大管会进入饱和或截止状态，以至于即使信号消失，管子还不会进入饱和或截止状态，以至于即使信号消失，管子
19、还不能脱离原状态回到放大区，出现能脱离原状态回到放大区，出现阻塞现象阻塞现象。为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。实用微分运算电路实用微分运算电路微分电路输入、输出波形分析微分电路输入、输出波形分析限制输出电压幅值滞后补偿限制输入电流Analog Electronic2.4 2.4 电压比较器电压比较器电压比较器是集成运放基本应用电路之一，其输入为模拟量，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，工作区域在非线性区。1。电压比较器的用途。电压比较器的用途 将一个模拟输入电压和参考电压进行比较，根据比较结果输出两个不同的电平：高电平UOH或低电平UOL.用于报警、自动控制、电
20、子测量、鉴幅、波形的产生和变换等电路中。电压比较器概述电压比较器概述 Analog Electronic2.电压比较器电路的特点在电压比较器中，集成运放不是工作在开环在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。状态，就是工作在正反馈。输出只有两种状态。uPuN时,uO=+UOM uPuN时,uO=-UOM 发生跳变的时刻：uP=uN虚断，iP=iN=0集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性Analog Electronic3.电压比较器的传输特性电压比较器的传输特性1).电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系2).阈
21、值电压阈值电压：UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。3).电压传输特性的三要素电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平输出电压的高电平UOH和低电平和低电平UOL的数值。的数值。（一般由运放输出限幅电路求出）(2)阈值电压的数值阈值电压的数值UT。（写出uP和uN的表达式并令其相等，求出的输入电压即为UT）(3)当当uI变化且经过变化且经过UT时，时，uO跃变的方向。跃变的方向。（看输入信号是作用于反相端还是同相端，另外看uiUT。Analog Electronic4.电压比较器的种类电压比较器的种类(1)单限比较器单限比较器 电路只有一个阈值电压,在输入电压变
22、化过程中,当通过UT时,输出电压发生一次发生一次跃变.图(a)(2)滞回比较器滞回比较器 电路具有两个阈值电压,输入电压沿不同的方向变化时,输出电压只发生一次发生一次跃变,但发生跃变时的阈值电压不同,具有滞回特性滞回特性.图(b)(3)窗口比较器窗口比较器 电路具有两个阈值电压,输入电压沿不同的方向变化时,输出电压发生两次发生两次跃变.图(c)Analog Electronic单限比较器单限比较器1、过零比较器、过零比较器将一个输入端接地,另一个输入端接输 入信号,则可得到过零比较器。由由于于理理想想运运放放的的开开环环差差模模增益为无穷大，所以增益为无穷大，所以当当 uI 0 时，时，uO=
23、-UOM；过零比较器的过零比较器的传输特性传输特性为：为：uIuO+UOM-UOMOUOM 为集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。阈值电压阈值电压：当当比比较较器器的的输输出出电电压压由由一一种种状状态态跳跳变变为为另一种状态所对应的输入电压。另一种状态所对应的输入电压。传输特性传输特性Analog Electronic利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器设设任任何何一一个个稳稳压压管管被被反反向向击击穿穿时时，两两个个稳稳压压管管两两端端总总的的的稳定电压为的稳定电压为 UZ UOMuIuO+UOM -UOMO+UZ-UZ当当 uI 0 时时，右右边边的的稳稳压
24、压管管被反向击穿，被反向击穿，uO=-UZ；图图Analog Electronic利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器(二二)电路图电路图传输特性传输特性uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ问题：如将输入信号加在问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何端，传输特性如何？Analog Electronic问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？传输特性传输特性uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波将正弦波变为矩形波Analog Electronic2.一般单限比较器一般单限比较器(1)(1)确定输出电压的值确定输出
25、电压的值 UOH=+UZ UOL=-UZ(2)(2)确定阈值电压确定阈值电压(3)(3)确定跃变方向确定跃变方向当uIUT时,uNUT时,uNuP,uO=UOL=-UZ一般一般:当从反相端输入时当从反相端输入时,u uI IUUUT T则则u uO O=U=UOLOL 当从同相端输入时当从同相端输入时,u uI IUUUT T则则u uO O=U=UOHOHAnalog Electronic存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单单限限比比较较器器的的作作用用：检检测测输输入入的的模模拟拟信信号号是是否否达达到到某一给定电平。某一给定电平。优点优点：灵敏度高：灵敏度
26、高缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法：采用具有采用具有滞回滞回 传输特性的比较器。传输特性的比较器。Analog Electronic滞回比较器滞回比较器1 工作原理工作原理(1)(1)确定输出电压的值确定输出电压的值 UOH=+UZ UOL=-UZ(2)(2)确定阈值电压确定阈值电压Analog Electronic(3)(3)确定跃变方向确定跃变方向 当uI-UT时,必然有uN+UT时,必然有uNuP,uO=UOL=-UZ，所以uP=-UT当uI减小到-UT时,再减小一个无穷小量，uO才从-UZ跃变为+UZ。2 正反正反馈的作用的作用:使滞回比使滞回比较器工器工作在非
27、作在非线性区性区;加快状加快状态转变的的过程程,缩短状短状态转换的的时间。uI=UT时,uIuOuPuO,使uO迅速由+UZ跃变为-UZuI=-UT时,uIuOuPuO,使uO迅速由-UZ跃变为+UZ uI从小到大的情况uI从大到小的情况Analog Electronic3。滞回比较器滞回比较器设计中的问题（设计中的问题（加入了参考电压加入了参考电压）两个两个阈值电压的差的差值称称为门限限宽度度或或回差回差电压=2R1UZ/(R1+R2),与与UREF无关无关.改改变滞回比滞回比较器的参考器的参考电压将将使使传输特性特性产生水平方向的移生水平方向的移动;改改变稳压管的管的稳定定电压可使可使传输
28、特性特性产生垂直方向的移生垂直方向的移动.Analog Electronic例例8.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。波形图波形图 UZ 9V滞回比较器电路滞回比较器电路uO/Vt0+9-9Analog Electronic窗口比较器窗口比较器参考电压参考电压 UREF1 UREF2若若 uI 低低于于 UREF2，运运放放 A1 输输出出低低电电平平，A2 输输出出高高电电平平，二二极极管管 VD1 截截止止，VD2导导通通，输输出出电压电压 uO 为高电平；为高电平；若若 uI 高高于于 UREF1，运运放放 A1 输输出
29、出高高电电平平，A2 输输出出低低电电平，二极管平，二极管 VD2 截止，截止，VD1 导通，输出电压导通，输出电压 uO 为高电平；为高电平；图图 窗口比较器窗口比较器(a)前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。Analog Electronic当当 uI 高高于于 UREF2 而而低低于于 UREF1 时时，运运放放 A1、A2 均均输输出出低低电平，二极管电平，二极管 VD1、VD2 均截止，输出电压均截止，输出电压 uO 为低电平；为低电平；上门限电平上门限电平 UTH=UREF1；下门限电平下门限电平 UTL=UREF2。uIuOOUTHUTL综综上上所所述述，双双限限比比较较器器在在输输入入信信号号 uI UREF1 时时，输输出出为为高高电电平平；而而当当 UREF2 uI UREF1 时时，输输出为低电平。出为低电平。