1、第三章 集成运算放大器,3-1 集成运算放大器的简单介绍,3-2 运算放大器在信号运算方面的应用,3-3 运算放大器在信号处理方面的应用,3-5 使用运算放大器应注意的几个问题,3-4 运算放大器在波形产生方面的应用,将整个电路的各个元件以及相互之间的连接做在同一个半导体芯片上,集成电路优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小,集成电路分类：,按功能分：模拟、数字集成电路； 按导电类型分：单极型、双极型集成电路； 按集成规模分：小、中、大、超大规模集成电路；,3.1 集成运算放大器芯片,3.1.1集成电路的概念,集 成 电 路:,特点：,1. 电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用
2、阻容耦合结构。 2. 输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。 3. NPN管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能。 4. 大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。,3.1.2 集成运算放大器的原理电路,与uo反相,u+,u,反相 输入端,同相 输入端,与uo同相,输入级,中间级,输出级,对输入级要求：尽量减小零漂,提高KCMRR，输入阻抗ri 尽可能大,对中间级要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级要求：带负载能力强,有足够的输出电流io .输出阻抗ro小,3.1.3 集成运放芯片,国际符号,国内符号,三种封装形式：圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装,已经
3、不用,正在使用,外形,符号,反相输入端,同相输入端,输出端,u+ u- u0 均为对地电压,u-,u+,u+,u-,uo,1. 开环电压放大倍数Auo,Ad是在开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。一般在 104 107之间。理想运放的Ad为。,2. 最大输出电压UOPP,能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。,3. 输入失调电压UIO,理想运放，当两输入接地时，输出电压为0，但实际中由于元件参数的不对称型，输入为0时输出并不为0.即若要输出为0，必须在输入端加一个很小的补偿电压，这就是输入失调电压。 UIO一般为几毫伏，其值越小越好。,3.1.4 集成运放的主要参数,4.输入
4、失调电流IIO,3.1.4 集成运放的主要参数,5. 输入偏置电流IIB,6. 共模输入电压范围UICM,当两输入为0时，两个输入端静态基极电流之差。 IIO一般为零点零几到零点几微安级，其值越小越好。,当两输入为0时，两个输入端静态基极电流的平均值。 IIB一般为零点几微安级，其值越小越好。,运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备，如超出这个电压，运放的共模抑制比性能就大为下降，甚至造成器件损坏。,ri 大: 几十k 几百 k,3.1.5 理想运算放大器的概念,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A o 很大: 104 107,1. 理想运算放大器的条件,
5、2. 电压传输特性,uo,实际传输特性,理想传输特性,线性区,非线性区,非线性区,线性区,非线性区,在电路的分析中，用理想运放取代实际运放后的计算误差大约是万分之几。,虚短路及虚断路是电路的分析的入手点。,运放工作在线性区时，两个重要假设：,虚短路,虚断路,因 为有限值，且,因,例：F007运放的正负电源电压为15 V，开环电压放大倍数为Auo=2*105，输出最大电压为13 V，分别加下列输入电压，求输出电压及其特性 (1) u+=+15V ,u-=-10V (2) u+=-5V ,u-=+10V (3) u+=0V ,u-=+5mV (4) u+=5mV ,u-=0V,思路：运放工作在线性
6、区还是非线性区,3.2.1 比例运算电路,3.2 运放在信号运算方面的应用,类型：同相比例放大和反相比例放大。,理想运放在线性工作区：引入（深度）负反馈,i1= i2,放大倍数,虚短路,虚断路,一、反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,RP =R1 / R2,uo,当R1 = R2时，反相器，此时uo=ui,作用：消除静态基极电流对输出电压的影响,_,+,+,10k,R2,ui,例：求开关断开闭合时的电压放大倍数,uo,1k,1k,1k,二、同相比例运算电路,u-= u+= ui,虚短路,虚断路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,同相比例电路的
7、特点：,1. Au为正，并且总是大于等于1，不会小于1,2. R1=（断开）或RF=0时，电压跟随器,三、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,求uo的大小,_,+,+,+15V,uo,15k,15k,7.5k,例16.2.3，见书P100,3.2.2 加减运算电路,作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,一、反相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,流入运放输入端的电流为 0,二、同相求和运算,三、加减运算电路,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应
8、不同的需要。,解出：,加减运算电路的特例：差分比例运算电路,例题：设计一个加减运算电路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1) 画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,(2) 求各电阻值。,uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,3.2.3 微分运算电路与积分运算电路,u= u+= 0,一、微分运算,输入方波，输出是三角波。,二、积分运算,U,积分时限,应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,3.3 集成运算放大器的非线性应用,运放工作在开环、正反馈时，其输出电压与输
9、入电压是非线性关系。,此时，需要对集成运放进行必要的保护。,输入端的两个反并联的二极管使 ，,输出端的两个反串联的稳压管使输出电压限制在 范围内。,输出端的电阻 起到限流的作用，防止输出短路。,3.3.1 有源滤波器,滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。,无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。,缺点：低频时体积大，很难做到小型化。,优点：体积小、效率高、频率特性好。,按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,1. 有源低通滤
10、波器,设输入为正弦波信号, 则有,故：,若频率 为变量，则电路的传递函数,其模为,当 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。,2. 有源高通滤波器,设输入为正弦波信号，则有,故：,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 为变量，则电路的传递函数,其模为,模拟开关,模拟输入信号,1. 电路,3.3.2 采样保持电路,采样保持电路，多用于模 - 数
11、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。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储 电容,控制信号,电压跟随器,2. 工作原理,17.3.2 采样保持电路,1. 电路,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： 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。,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,电压比较器输出电压与输入电压的关系为u0 =f(uI)。,1.
12、单限比较器,单限比较器中的集成运放工作在非线性区，所以电路不是工作在开环状态，就是引入了正反馈。,使输出电压发生高、低电平变化的输入电压值称为阀值电压或转折电压，记作UT 。,功能：比较两个电压的大小，根据结果的不同输出两个不同的电平。,3.3.3 电压比较器,ui UR，uo=+ UOM ui UR，uo= UOM,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,过零比较器,构成限幅电路,若集成运放输出电压的最大幅值为UOM ，则,且,正向导通，,稳压，,所以,正向导通，,稳压，,所以,从以上分析可知，为求解电压传输特性，必须求出以下三个要素：,(1) 输出高
13、电平UOH 和输出低电平UOL ，由限幅电路决定,(2) 阀值电压UT ，它是使集成运放的净输入电压为零时的输入电压，即使 u+=u- 时的uI,(3) 当uI 变化经过UT 时，u0的越变方向是从U0L变化到U0H，还是从U0H 变化到U0L，这取决于输入信号是作用于同相输入端，还是作用于反向输入端。,例：画出u0、u0及uL的波形，设ui=Umsinwt,2. 滞回比较器,单限比较器的抗干扰性较差，而滞回比较器可克服此缺陷。,因为引入了正反馈，所以其工作在非线性区。,可见，u0从+UZ越变为-UZ和从-UZ越变到+UZ的阀值是不同的。,例: 如图所示中，,uI如图所示，试画出u0波形。,解
14、：,可见，滞回比较器将任意波形按照阀值电压UT转换成了矩形波。,-2 0 2 4 6 8,例: 如图所示中，,试求电压传输特性。,解：,6 3-3 -6,当,当,3.4 运放在波形产生方面的应用,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、三角波、锯齿波等）。 特点：不用外接输入信号，即有输出信号。,3.4.1 矩形波发生器,1. 电路结构,由滞回比较器、,RC充放电电路组成，,电容电压uC 即是比较器的输入电压，,电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。,2、工作原理,门限电压,产生方波,时,使,又使,时，,时，,A1：滞回比较器 因 u = 0 ，所以当 u+ = 0
15、时， A1状态改变,3.4.2 三角波发生器,电路结构,A2：反相积分电路,工作波形,3.4.3 锯齿波发生器,电路,三角波发生器,在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其 输出锯齿波。,2. 波形,3.4.3 锯齿波发生器,1. 电路,在分析集成运放应用电路时应注意以下几点：,1. 一般情况下均将集成运放看作理想元件；,2. 集成运放只有两个工作区域，凡是工作在线性区的均可用表达式来描述输入输出信号的运算关系，凡是工作在非线性区的均可用关系曲线来描述输入输出的函数关系；,3. 复杂电路是由简单电路组合而成的，在分析复杂电路时，应首先将其分解成若干简单电路，分别
16、分析每个集成运放的工作状态、输入输出关系和主要功能，然后找出各部分电路之间的相互关系，最终找到整个电路的工作原理。,第三章 总结,1、运算放大器的传输特性曲线 2、运算放大器在线性区和非线性区的特点 3、运放放大器在线性方面的应用：比例运算、加减法运算、积分运算和微分运算。 4、运算放大器在非线性方面的应用：电压比较器,例1：写出如图所示电路的输出电流i0与E的关系式，并说明其功能。当负载电阻RL发生变化时，输出电流有无变化？,例2：如图是监控报警装置，如需对某一参数（如温度、压力等）进行监控时，可由传感器取得监控信号ui，UR是参考电压，当ui超过正常值时，报警灯亮，是说明其工作原理。二极管D和电阻R3在此起何作用？,运放处于开环工作状态，为比较器。当uiUR时，u0=UOM,T处于饱和状态，IC很大，报警指示灯亮，此时报警。R3为限流电阻，使T饱和时，IB不至于过大，D为保护二极管，当T处于截止时，不至于使T发射结反向电压过大。,
