电工电子技术课程课件集成运算放大器及其应用.ppt

电工电子技术课程课电工电子技术课程课件集成运算放大器及件集成运算放大器及其应用其应用本章教学基本要求了解集成运算放大器的基本组成。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，了解其主理解运算放大器的电压传输特性，了解其主要参数的意义。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掌握理想运算放大器的表示符号和基本分析方法。方法。理解用运放组成的比例、加减、微分、积分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运算电路的工作原理。了解有源滤波电路的工作原理。工作原理。理解电压比较器的工作原理及应用。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数集成运算放大器的主要参数概述 集成运放实质上是一种双端输入、单端输出的具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。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。国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。概述CF741接接线线如如图图所所示示，双双列列直直插插式式集集成成运运放放的的管管脚脚顺顺序序是是，管管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。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外接线图外接线图接正电源接正电源(+9+18)V 接负电源（接负电源（-9-18）V为同相输入端为同相输入端（输出信号与输（输出信号与输入信号同相位）入信号同相位）为反相输入为反相输入端（输出信端（输出信号与输入信号与输入信号反相位）号反相位）为空脚为空脚为输出端为输出端脚脚1、4、5外外接调零电位器接调零电位器22反相输入端反相输入端66输出端输出端33同相输入端同相输入端77正电源端正电源端44负电源端负电源端88闲置端闲置端（NC）1 1、55接调零电位器接调零电位器概述 集成电路构成集成电路构成:将整个电路的各个元件做在同一个将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。半导体基片上。集成电路的优点集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗重量轻、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。集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR,输输入阻抗入阻抗 ri 尽可能大。尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电主要提高带负载能力，给出足够的输出电流流io。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小小。输入级中间级偏置 电路输出级输入端输入端输出端输出端采用直接耦合的方式：集成化，放大缓变采用直接耦合的方式：集成化，放大缓变信号和直流信号信号和直流信号输入级：输入级：由差放构成由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。可减小零点漂移和抑制干扰。中间级：中间级：共射放大电路共射放大电路。用于电压放大。用于电压放大。输出级：输出级：互补对称电路互补对称电路。降低输出电阻，提高带载能力。降低输出电阻，提高带载能力偏置电路：偏置电路：恒流源电路恒流源电路构成。确定运放各级静态工作点构成。确定运放各级静态工作点集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成UEE u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成-内部结构内部结构-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器差动放大器差动放大器第第2级级第第1级：级：差动放大器差动放大器第第3级：级：单管放大器单管放大器+极极性性判判断断集成运算放大器的特点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。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，一般在差模输入电阻很高，一般在10105 510101111范围，如果范围，如果用用MOSMOS集成电路，输入级的输入电阻高达集成电路，输入级的输入电阻高达10101111以上。以上。输出电阻很低，一般输出级都采用互补对称电路输出电阻很低，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作为输出级，所以，输出电阻一般在几十欧到几百欧百欧集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 ri 大大:几十几十k 几百几百 k KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很大很大:104 107理想运放：理想运放：ri KCMMRR ro 0 0Ao 运放符号：运放符号：uu+uo u u+uo国际符号国际符号国内符号国内符号集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点运算放大器的传输特性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集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Auo希望希望Auo越大越好。越大越好。2.2.最大输出电压最大输出电压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。如电源电压为压小。如电源电压为15V15V，该值为，该值为10V10V左右。左右。3.3.最大差模输入电压最大差模输入电压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。受的最大电压。集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数4.最大共模输入电压最大共模输入电压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。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。是指集成运放两个输入端之间的电阻值。r ridid越大越好，它越大越好，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。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。能力。7.7.共模抑制比共模抑制比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。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。越大，运放的共模抑制能力越强。理想集成运算放大器理想集成运算放大器理想集成运放的电路模型理想集成运放的电路模型（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数（2）差模输入电阻）差模输入电阻（3）开环输出电阻）开环输出电阻（4）共模抑制比）共模抑制比理想集成运放的传输特性理想集成运放的传输特性实际特性实际特性理想特性理想特性理想集成运算放大器理想集成运算放大器传输特性的特点传输特性的特点分为线性区和非线性区，其分析方法分为线性区和非线性区，其分析方法不一样。不一样。线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区工作在线性区时工作在线性区时1.理想运放的两个输入端的电位相等理想运放的两个输入端的电位相等虚短虚短2.理想运放的两个输入端的输入电流为零。理想运放的两个输入端的输入电流为零。虚断虚断理想集成运算放大器理想集成运算放大器线性区线性区：uo=Auo(u+-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-分分析析依依据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理想集成运算放大器理想集成运算放大器工作在非线性区时：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。理想运放的两个输入端的输入电流为零。虚断虚断2.输出电压有两种取值可能输出电压有两种取值可能只是两种状态的转换点只是两种状态的转换点+Uo（sat）为正饱和值为正饱和值-Uo（sat）为负饱和值；为负饱和值；集成运放的应用集成运放的应用 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概述概述 运算：运算：比例、加减、积分与微分比例、加减、积分与微分等。是线性等。是线性范围内的运算，都适用叠加原理。范围内的运算，都适用叠加原理。问题问题1.1.如何保证运放工作在线性区如何保证运放工作在线性区?因为因为:A:Auouo，即当输入差模信号极小时，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。（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。概述概述问题问题2:2:将反馈引到同相端还是反相端将反馈引到同相端还是反相端 引回到反相端引回到反相端 答案是：答案是：Rf运放在信号运算方面的应用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比例运算比例运算反向比例运算反向比例运算1.1.反相端输入；反相端输入；2.2.Rf 引到反相输入端；引到反相输入端；3.3.R2 平衡电阻，平衡电阻，R2=R1Rf比例运算比例运算反馈方式反馈方式电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻很小！输出电阻很小！输入电阻输入电阻 ri=R1 为保证一定的输入电为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需阻，当放大倍数大时，需增大增大R R2 2，而大电阻的精度差，而大电阻的精度差，因此，因此，在放大倍数较大时，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。该电路结构不再适用。共模电压为零共模电压为零比例运算比例运算同向比例运算同向比例运算输入信号从同向输入端输入输入信号从同向输入端输入比例运算比例运算电压跟随器电压跟随器加法运算加法运算反向加法反向加法i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路加法电路加法运算加法运算反向加法反向加法i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路加法电路加法运算加法运算同向加法同向加法-R1Rf+ui1uoR21R22ui2此电路如果以此电路如果以 u+为输入为输入 ，则输出为：则输出为：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）虚开路）加法运算加法运算-R1Rf+ui1uoR21R22ui2i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路加法电路同相求和电路的各输入信号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。加法运算加法运算-R1Rf+ui1uoR21R22ui2i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路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。减法运算减法运算差动输入差动输入差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高不高,这是由于反相输入造成的。这是由于反相输入造成的。减法运算减法运算单运放的加减运算电路单运放的加减运算电路R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6比例运算电路与加减运算电路小结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，因此输出电压稳都引入电压负反馈，因此输出电压稳定、输出电阻都比较小定、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。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。大，反相输入的共模电压小。积分运算积分运算00负号表示输出与输入反向负号表示输出与输入反向当当ui为阶跃信号时为阶跃信号时最后达到负的饱和值最后达到负的饱和值积分运算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。较好，这是因为充电电流基本恒定。控制和测量系统中常用的比控制和测量系统中常用的比例例-积分调节器（积分调节器（PIPI调节器）：调节器）：ui1uo +-R2CFi1R1PI调节器调节器ifucRF可视为可视为反相比例运算反相比例运算和和积分运算积分运算的叠加。的叠加。积分运算积分运算积分电路的主要用途积分电路的主要用途1.1.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。微分运算微分运算 当当ui为阶跃信号时，为阶跃信号时，uo为尖脉冲电压为尖脉冲电压输出电压与输入电输出电压与输入电压的一次微分成正比。压的一次微分成正比。00微分运算微分运算若输入：若输入：则：则：uit0t0uo微分运算微分运算在控制系统中使调节过程加速的比例在控制系统中使调节过程加速的比例微微分调节器（分调节器（PD调节器）调节器）00uiuo+-R2C1iciRRFifR1综合举例综合举例例例1：已知：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。求输出电压与输入电压的关系。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3例例2：求输出电压与输入电压的关系。：求输出电压与输入电压的关系。-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6例例3：如图所示，求输出电压的大小。：如图所示，求输出电压的大小。_+10k 20k+5V5k ui20k uo1uo_+20k 20k 10k 例例4：如图所示，求输出电压与输入电压的关系。：如图所示，求输出电压与输入电压的关系。uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+解：先求解前面运放。解：先求解前面运放。uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚短路：虚开路：虚开路：解：再求解后面运放。解：再求解后面运放。uo2uo1R1R1+AR2R2uo+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。小结小结熟记各种单运放组成的基本运算电路的电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。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。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。会用会用“虚开路虚开路(ii=0)”和和“虚短路虚短路(u+=u)”分分析给定运算电路的析给定运算电路的 放大倍数。放大倍数。运放在信号处理方面的应用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电压比较器电压比较器电路特点电路特点 （1 1）UR为参考电压，加在同相输入端。输入电压为参考电压，加在同相输入端。输入电压ui加在反向加在反向输入端。输入端。（3 3）其电）其电压传输特性压传输特性如图所示如图所示:（2 2）当）当uiUR时时,输出电压输出电压uo=-U(sat）.电压比较器电压比较器 调节调节UR的大小的大小,可以改变输出波形正负半周的宽度可以改变输出波形正负半周的宽度.如果如果UR=0,则构成过零比较器则构成过零比较器.电压比较器电压比较器传输特性传输特性电路电路如果想限制输出电压的大小如果想限制输出电压的大小,可以在输出端接双向稳压管可以在输出端接双向稳压管.电压比较器电压比较器传输特性传输特性电路的结构电路的结构 （1 1）输出端至反向输入端之间没有反馈通路，所以）输出端至反向输入端之间没有反馈通路，所以属于开环应用，输出电压必为高低两种电平。属于开环应用，输出电压必为高低两种电平。（2 2）R2和和Rf组成正反馈电路，只是为了加快电压比组成正反馈电路，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。较器状态的翻转过程，使电压传输特性变的更陡。电压比较器电压比较器 输出电压的变化总是滞后于输入电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。压的变化，所以叫过零滞回比较器。有源滤波器有源滤波器滤波电路的分类滤波电路的分类1.按信号性质分类按信号性质分类模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器2.按所用元件分类按所用元件分类无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器3.按电路功能分类按电路功能分类低通滤波器；高通滤波器；带低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器通滤波器；带阻滤波器4.按阶数分类按阶数分类一阶，二阶一阶，二阶 高阶高阶无源滤波器的缺点无源滤波器的缺点1.带负载能力差。带负载能力差。2.无放大作用。无放大作用。3.特性不理想，特性不理想，2.边沿不陡。边沿不陡。4.两级一阶低通滤波器串接时，各级互两级一阶低通滤波器串接时，各级互相相3.影响影响有源滤波器有源滤波器四种典型的频率特性四种典型的频率特性低通低通高通高通带通带通带阻带阻有源滤波器有源滤波器有源滤波器的优点有源滤波器的优点1.不使用电感元件，体积小重量轻。不使用电感元件，体积小重量轻。2.有源滤波电路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。间影响。3.除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。调节。有源滤波器的缺点有源滤波器的缺点1.不宜用于高频。不宜用于高频。2.不宜在高电压、大电流情况下不宜在高电压、大电流情况下2.使用。使用。3.可靠性较差。可靠性较差。4.使用时需外接直流电源。使用时需外接直流电源。有源低通滤波器有源低通滤波器画出其幅频特性为画出其幅频特性为有放大作用有放大作用幅频特性与一阶无源低通滤幅频特性与一阶无源低通滤波器类似波器类似运放输出，带负载能力强。运放输出，带负载能力强。有源高通滤波器有源高通滤波器工作原理工作原理称为截止角频率称为截止角频率称为电路的频率特性称为电路的频率特性有源高通滤波器有源高通滤波器工作原理工作原理采样保持电路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。常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。uiuo +-RC采样保持电路采样保持电路ucS控制信号控制信号ououi采采样样 保保持持t输入输出波形输入输出波形运放应用中的反馈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。运放电路本身的参数无关。所以，各种反馈都有。电压并联负反馈电压并联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈运放应用中的反馈运放应用中的反馈电流并联负反馈电流并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈 输出电流与输出电压和负载电阻无关，所以是电流反馈。运放应用中的反馈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（阻靠近地端引出的，是电流反馈（R RL L经电阻经电阻R R接地）。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）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。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。反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。集成运放的使用集成运放的使用1.选用元件选用元件2.消振消振3.调零调零4.保护保护5.扩大输出电扩大输出电流流输入保护输入保护输出保护输出保护电源保护电源保护本章小结本章小结集集成成运运算算放放大大器器集成运放的集成运放的组成与特点组成与特点集成运放的集成运放的主要参数主要参数集成运放的集成运放的理想化模型理想化模型集成运放的集成运放的应用应用组成组成输入级、中间级、输出级输入级、中间级、输出级特点特点输入电阻高、输出电阻低、输入电阻高、输出电阻低、KCMRR高、高、Auo高高Auo、输入电阻、输出电阻、输入电阻、输出电阻、KCMRR、最大输出电压最大输出电压UoPP最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax、最大共模输入电压最大共模输入电压Uicmax 输入电阻高输入电阻高ri、输出电阻低、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