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WXHWXH第十七章第十七章 集成运算放大器集成运算放大器本章内容：主要介绍集成电路在信号运算和信号本章内容：主要介绍集成电路在信号运算和信号本章内容：主要介绍集成电路在信号运算和信号本章内容：主要介绍集成电路在信号运算和信号 处理方面的应用。处理方面的应用。处理方面的应用。处理方面的应用。17-1 17-1 17-1 17-1 集成运放的简单介绍集成运放的简单介绍集成运放的简单介绍集成运放的简单介绍一、集成电路的发展过程一、集成电路的发展过程 科学研究和生产的需要推动着电子技术的发展，科学研究和生产的需要推动着电子技术的发展，科学研究和生产的需要推动着电子技术的发展，科学研究和生产的需要推动着电子技术的发展，而电子器件和电路的改进又带来了科学技术和工业而电子器件和电路的改进又带来了科学技术和工业而电子器件和电路的改进又带来了科学技术和工业而电子器件和电路的改进又带来了科学技术和工业生产水平的进一步提高。迄今，电子器件已经经历生产水平的进一步提高。迄今，电子器件已经经历生产水平的进一步提高。迄今，电子器件已经经历生产水平的进一步提高。迄今，电子器件已经经历了了了了四次重大的变革四次重大的变革四次重大的变革四次重大的变革。5/16/20235/16/20231WXHWXH4 4、19741974年，出现了大规模集成电路为第四次。年，出现了大规模集成电路为第四次。1 1、19041904年年,电子三极管（真空三极管）为第一次。电子三极管（真空三极管）为第一次。2 2、19481948年，费来明发明了晶体三极管为第二次。年，费来明发明了晶体三极管为第二次。3 3、19581958年，集成电路年，集成电路 移相振荡器移相振荡器 为第三次。为第三次。一、集成电路的发展过程一、集成电路的发展过程一、集成电路的发展过程一、集成电路的发展过程（中国（中国6565年生产第一块年生产第一块TTLTTL与非门）与非门）5/16/20235/16/20232WXHWXH现在集成电路的规模，正在以平均现在集成电路的规模，正在以平均1 12 2年翻一番的速度在增大。年翻一番的速度在增大。1948 1966 1971 1980 1990 2019 2019 1948 1966 1971 1980 1990 2019 2019 小规模小规模 中规模中规模 大规模大规模 超大规模超大规模 超超大规模超超大规模 超亿规模超亿规模 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSISSI MSI LSI VLSI ULSI GSI理论集成度理论集成度 10-100 100 10-100 1001000 10001000 10001010万万 10 10万万100100万万 100 100万万1 1亿亿 1 1亿亿商业集成度商业集成度 1 10 100 1 10 1001000 10001000 10002 2万万 2 2万万5 5万万 5050万万 10001000万万 触发器触发器 计数器计数器 单片机单片机 16 16位和位和3232位位 图象图象 SRAM SRAM 加法器加法器 ROM ROM 微处理器微处理器 处理器处理器 128 128位位CPUCPU（1 1）设计技术的提高，简化电路，合理布局布线）设计技术的提高，简化电路，合理布局布线（2 2）器件的尺寸缩小（工艺允许的最细线条）器件的尺寸缩小（工艺允许的最细线条）（生产环境：超净车间）（生产环境：超净车间）（3 3）芯片面积增大，从）芯片面积增大，从1 15 mm5 mm2 2到现在的到现在的1 cm1 cm2 219671967年在一块晶片上完成年在一块晶片上完成10001000个晶体管的研制成功。个晶体管的研制成功。集成电路集成度的提高主要依靠三个因素集成电路集成度的提高主要依靠三个因素 由由由由于于于于现现现现在在在在这这这这三三三三方方方方面面面面都都都都有有有有所所所所突突突突破破破破，所所所所以以以以集集集集成成成成规规规规模模模模发发发发展展展展很很很很快快快快.这样的发展速度也给我们提出了一些新的问题？这样的发展速度也给我们提出了一些新的问题？这样的发展速度也给我们提出了一些新的问题？这样的发展速度也给我们提出了一些新的问题？7777年美国年美国30mm30mm2 2制作制作1313万个晶体管，即万个晶体管，即64K64K位位DRAMDRAM。5/16/20235/16/20233WXHWXH 目目前前使使用用的的1616兆兆位位DRAMDRAM集集成成电电路路的的线线条条宽宽度度为为0.5 0.5 微微米米，6464兆兆位位DRAMDRAM集集成成电电路路的的线线条条宽宽度度为为0.3 0.3 微微米米，继继续续发发展展可可望望达达到到0.010.01微微米米，0.010.01微微米米的的概概念念相相当当于于3030个个原原子子排排成成一一列列的的长长度度。这这一一尺尺寸寸在在半半导导体体集集成成电电路路中中，已已经经成成为为极极限限，再再小小PNPN结结的的理理论论就就不不存存在在了了，或或者者说说作作为为电电子子学学范范畴畴的的集集成成电电路路已已达达极极限限，就就会会从从电电子子学学跃跃变变到到量量子子工工学学的的范范畴畴，由由量量变变到到质质变变，随随之之而而来来的的一一门门新新的的工工程程学学对对量量子子现现象象加加以以工工程程应应用用的的“量量子子工工学学”也也就就诞诞生生了了，由由这这一一理理论论指指导导而而将将做做成成的的量量子子器器件件，将将延延续续集集成成电电路路的的发发展展。现现在在美美国国和和日日本本正正投投入入大大量量的的人人力力和和物物力力进进行行这这方方面面的的研研究究，并并且且在在“原原子子级级加加工工”方面取得了一定的成果。方面取得了一定的成果。集成电路的技术发展是否有极限？集成电路的技术发展是否有极限？集成电路的技术发展是否有极限？集成电路的技术发展是否有极限？在一块芯片上能制造的晶体管是否有极限？在一块芯片上能制造的晶体管是否有极限？如果如果如果如果“有有有有”，它的极限是多少？还有没有新，它的极限是多少？还有没有新，它的极限是多少？还有没有新，它的极限是多少？还有没有新的方法以求得继续发展。的方法以求得继续发展。的方法以求得继续发展。的方法以求得继续发展。5/16/20235/16/20234WXHWXH二、集成电路的分类二、集成电路的分类 模模模模拟拟拟拟集集集集成成成成电电电电路路路路：集集集集成成成成运运运运算算算算放放放放大大大大器器器器，集集集集成成成成功功功功放放放放，集集集集成成成成稳稳稳稳压压压压电电电电源源源源，集集集集成成成成模模模模数数数数A/DA/DA/DA/D转转转转换换换换和和和和数数数数模模模模D/AD/AD/AD/A转转转转换换换换及及及及各各各各种种种种专专专专用用用用的的的的模模模模拟拟拟拟集集集集成成成成电电电电路路路路。而而而而集集集集成成成成运运运运放放放放只只只只是是是是模模模模拟拟拟拟集集集集成成成成电电电电路路路路中中中中的的的的一一一一种种种种，但但但但是是是是应应应应用用用用最最最最为为为为广广广广泛泛泛泛的的的的一一一一种种种种。由由由由于于于于最最最最初初初初用用用用于于于于作作作作运运运运算算算算用用用用，所所所所以以以以称称称称为为为为集集集集成成成成运运运运算算算算放放放放大大大大器器器器，而而而而现现现现在在在在的的的的功功功功能能能能已已已已经经经经远远远远远远远远超超超超过过过过了了了了当当当当时时时时的的的的功功功功能能能能，而而而而得得得得到到到到了了了了方泛的应用。方泛的应用。方泛的应用。方泛的应用。大类分：大类分：大类分：大类分：模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路数字集成电路数字集成电路数字集成电路数数字字集集成成电电路路：门门电电路路，触触发发器器，计计数数器器，存存贮贮器器，微处理器等电路。微处理器等电路。7474系系 列列，74LS74LS，74HC74HC，40004000系系 列列，CMOSCMOS等各种型号。等各种型号。5/16/20235/16/20235WXHWXH三、集成运放的结构及特点三、集成运放的结构及特点 结结结结构构构构上上上上有有有有圆圆圆圆壳壳壳壳式式式式、扁扁扁扁平平平平式式式式和和和和双双双双列列列列直直直直插插插插式式式式三三三三种种种种，管脚引出线有管脚引出线有管脚引出线有管脚引出线有8 8 8 8、10101010、12121212、14141414等多种。等多种。等多种。等多种。LM741 1 2 3 48 7 6 5结构结构1 12 23 34 45 56 67 78 8 LM741 1 2 3 48 7 6 55/16/20235/16/20236WXHWXH特点：特点：4 4、元元件件的的精精度度低低，但但对对称称性性好好，温温度度特特性性好。好。1 1、制制造造容容量量大大于于2000PF2000PF的的电电容容元元件件很很困困难难，如如需需大大电电容容必必须须外外接接，所所以以集集成成运运放放都都采采用用直直接接耦合放大电路。耦合放大电路。2 2、制制造造太太大大和和太太小小的的电电阻阻不不经经济济，占占用用硅硅面面积积大大。一一般般R R的的范范围围为为10010030K30K，大大电电阻阻用恒流源代替。用恒流源代替。3 3、集成工艺是做的元件愈单纯愈好做。、集成工艺是做的元件愈单纯愈好做。5/16/20235/16/20237WXHWXH中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路输入级输入级4 4 4 4、偏置电路、偏置电路、偏置电路、偏置电路 给前三部分提供固定的和合适的偏置电流，一般由恒给前三部分提供固定的和合适的偏置电流，一般由恒给前三部分提供固定的和合适的偏置电流，一般由恒给前三部分提供固定的和合适的偏置电流，一般由恒 流源电路构成。流源电路构成。流源电路构成。流源电路构成。四、电路的简单说明四、电路的简单说明1 1 1 1、输入级、输入级、输入级、输入级要求：输入电阻高，零点漂移小，采用差放要求：输入电阻高，零点漂移小，采用差放要求：输入电阻高，零点漂移小，采用差放要求：输入电阻高，零点漂移小，采用差放2 2 2 2、中间级、中间级、中间级、中间级一般采用共射放大电路一般采用共射放大电路一般采用共射放大电路一般采用共射放大电路3 3 3 3、输出级、输出级、输出级、输出级要求，输出电阻低，带载能力强，能输出较要求，输出电阻低，带载能力强，能输出较要求，输出电阻低，带载能力强，能输出较要求，输出电阻低，带载能力强，能输出较大的电压幅度及功率。一般都由互补对称电路构成大的电压幅度及功率。一般都由互补对称电路构成大的电压幅度及功率。一般都由互补对称电路构成大的电压幅度及功率。一般都由互补对称电路构成5/16/20235/16/20238WXHWXH 运运算算放放大大器器实实际际上上就就是是一一个个直直接接耦耦合合的的多多级级放放大大电电路路，它它有有两个输入端一个输出端，一般电源都不画。两个输入端一个输出端，一般电源都不画。单运放：单运放：LM741/LM741/A741A741双运放：双运放：LM747LM747（双（双741741）单电源四运放：单电源四运放：LM124/224/324LM124/224/324双电源四运放：双电源四运放：LM148/248/348 LM148/248/348 等等。等等。四、电路的简单说明四、电路的简单说明 LM741 1 2 3 48 7 6 5 2 2脚为反相输入端。由此端输入信号，脚为反相输入端。由此端输入信号，脚为反相输入端。由此端输入信号，脚为反相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输入信号是反相的。则输出信号和输入信号是反相的。则输出信号和输入信号是反相的。则输出信号和输入信号是反相的。3 3脚为同相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输脚为同相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输脚为同相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输脚为同相输入端。由此端输入信号，则输出信号和输入信号是同相的。入信号是同相的。入信号是同相的。入信号是同相的。各管脚的用途是：各管脚的用途是：各管脚的用途是：各管脚的用途是：4 4脚为负电源端。脚为负电源端。脚为负电源端。脚为负电源端。7 7脚为正电源端。脚为正电源端。脚为正电源端。脚为正电源端。6 6脚为输出端。脚为输出端。脚为输出端。脚为输出端。1 1和和和和5 5脚为外接调零电位器（通常为脚为外接调零电位器（通常为脚为外接调零电位器（通常为脚为外接调零电位器（通常为10K10K）的两个端子。）的两个端子。）的两个端子。）的两个端子。8 8脚为空脚。脚为空脚。脚为空脚。脚为空脚。其典型接法如下图所示其典型接法如下图所示其典型接法如下图所示其典型接法如下图所示5/16/20235/16/20239WXHWXH1 15 54 42 23 37 76 610K10K-15V-15V+15V+15V简化电路符号简化电路符号简化电路符号简化电路符号电路符号电路符号电路符号电路符号5/16/20235/16/202310WXHWXH五、主要参数五、主要参数五、主要参数五、主要参数3 3 3 3、输入失调电压、输入失调电压、输入失调电压、输入失调电压U U U Uioioioio：理想的运放，当输入电压：理想的运放，当输入电压：理想的运放，当输入电压：理想的运放，当输入电压u u u ui1i1i1i1=u=u=u=ui2i2i2i2=0=0=0=0时，输出电压时，输出电压时，输出电压时，输出电压u u u u0 0 0 0=0=0=0=0。但在实际运放中，由于制。但在实际运放中，由于制。但在实际运放中，由于制。但在实际运放中，由于制造中元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，造中元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，造中元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，造中元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，输出电压不等于零。反过来说，如果要输出电压不等于零。反过来说，如果要输出电压不等于零。反过来说，如果要输出电压不等于零。反过来说，如果要u u u u0 0 0 0=0=0=0=0，必须在输，必须在输，必须在输，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。2 2 2 2、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 A A Auouououo：在没有外接反馈电路时所：在没有外接反馈电路时所：在没有外接反馈电路时所：在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。1 1 1 1、最大能输出电压、最大能输出电压、最大能输出电压、最大能输出电压U U U UOPPOPPOPPOPP：能使输出电压和输入电压保能使输出电压和输入电压保能使输出电压和输入电压保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，称为运算放大器的最持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最大能输出电压。大能输出电压。大能输出电压。大能输出电压。5/16/20235/16/202311WXHWXH5 5 5 5、输入偏置电流、输入偏置电流、输入偏置电流、输入偏置电流I I I IiBiBiBiB 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。平均值，称为输入偏置电流。平均值，称为输入偏置电流。平均值，称为输入偏置电流。4 4 4 4、输入失调电流、输入失调电流、输入失调电流、输入失调电流I I I Iioioioio：输入失调电流是指输入信号为：输入失调电流是指输入信号为：输入失调电流是指输入信号为：输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。零时，两个输入端静态基极电流之差。零时，两个输入端静态基极电流之差。零时，两个输入端静态基极电流之差。6 6 6 6、最大共模输入电压、最大共模输入电压、最大共模输入电压、最大共模输入电压U U U UiCMiCMiCMiCM 运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的范围内才具备。能是在规定的范围内才具备。能是在规定的范围内才具备。能是在规定的范围内才具备。5/16/20235/16/202312WXHWXH六、理想运算放大器及其分析依据六、理想运算放大器及其分析依据1 1 1 1、理想运算放大器条件、理想运算放大器条件、理想运算放大器条件、理想运算放大器条件实际运放上述指标接近理想化条件，故用理想运放代替实实际运放上述指标接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。ridu0r0u-u+u0A Au0u0开环放大倍数开环放大倍数开环放大倍数开环放大倍数A A A Auouououo差模输入电阻差模输入电阻差模输入电阻差模输入电阻r r r ridididid开环输出电阻开环输出电阻开环输出电阻开环输出电阻r r r ro o o o0000u u u uo o o o=A=A=A=Auouououo(u(u(u(u+-u-u-u-u-)共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比K K K KCMRRCMRRCMRRCMRRu u u uo o o o=(u=(u=(u=(u+-u-u-u-u-)5/16/20235/16/202313WXHWXHo+Uo(sat)-Uo(sat)u+-u-u0 右图所示为运放右图所示为运放右图所示为运放右图所示为运放输入和输出电压的关输入和输出电压的关输入和输出电压的关输入和输出电压的关系曲线，称为系曲线，称为系曲线，称为系曲线，称为传输特性传输特性传输特性传输特性。从图中看到，实际特性从图中看到，实际特性从图中看到，实际特性从图中看到，实际特性与理想特性很接近。与理想特性很接近。与理想特性很接近。与理想特性很接近。实际特性理想特性2 2、分析依据：、分析依据：分析运放电路时，首先要区分集成运放是工作在线分析运放电路时，首先要区分集成运放是工作在线分析运放电路时，首先要区分集成运放是工作在线分析运放电路时，首先要区分集成运放是工作在线性区还是非线性区（饱和区）性区还是非线性区（饱和区）性区还是非线性区（饱和区）性区还是非线性区（饱和区）5/16/20235/16/202314WXHWXHo+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区 从运放的传输特性看，从运放的传输特性看，从运放的传输特性看，从运放的传输特性看，可分为线性区和饱和区，可分为线性区和饱和区，可分为线性区和饱和区，可分为线性区和饱和区，运放在不同区工作时的分运放在不同区工作时的分运放在不同区工作时的分运放在不同区工作时的分析方法不同：析方法不同：析方法不同：析方法不同：线性区：线性区：线性区：线性区：u u u uo o o o=A=A=A=Auouououo(u(u(u(u+-u-u-u-u-)因为因为因为因为u u u uo o o o为有限值，为有限值，为有限值，为有限值，A A A Auouououo为无限大，为无限大，为无限大，为无限大，所以所以所以所以(u(u(u(u+-u-u-u-u-)0)0)0)0。即。即。即。即u u u u+u u u u-我们称为我们称为我们称为我们称为“虚短虚短虚短虚短”因为因为因为因为r r r ridididid ，故两输入端的输，故两输入端的输，故两输入端的输，故两输入端的输入电流为零。入电流为零。入电流为零。入电流为零。我们称为我们称为我们称为我们称为“虚断虚断虚断虚断”ridu0r0U-U+u0A Au0u05/16/20235/16/202315WXHWXHo+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区饱和区：饱和区：饱和区：饱和区：u u u uo o o oAAAAuouououo(u(u(u(u+-u-u-u-u-)当当当当u u u u+uuuu-时时时时,u,u,u,uo o o o=+U=+U=+U=+Uo(sat)o(sat)o(sat)o(sat)当当当当u u u u+uuuu-时时时时,u,u,u,uo o o o=-U=-U=-U=-Uo(sat)o(sat)o(sat)o(sat)但两输入端的输入电流但两输入端的输入电流但两输入端的输入电流但两输入端的输入电流仍为零。仍为零。仍为零。仍为零。5/16/20235/16/202316WXHWXH17-2 17-2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用理想运放应满足的条件：理想运放应满足的条件：由此得出了两个重要结论由此得出了两个重要结论由此得出了两个重要结论由此得出了两个重要结论 ridu0r0U-U+u0A Au0u0(1)“(1)“虚短虚短”(2)“(2)“虚断虚断”但是，这两个条件的使用必须是运放工作在线性区。但是，这两个条件的使用必须是运放工作在线性区。我们已经知道：我们已经知道：A Auouo，则当输入差模信号，则当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱运放饱和。和。4 4、共模抑制比、共模抑制比K KCMRRCMRR3 3、开环输出电阻、开环输出电阻r ro o2 2、差模输入电阻、差模输入电阻r ridid1 1、开环放大倍数、开环放大倍数A Auouo005/16/20235/16/202317WXHWXH下面我们就分别讨论之。下面我们就分别讨论之。下面我们就分别讨论之。下面我们就分别讨论之。uou-u+-但我们也已经知道：负反馈能减小放大电路但我们也已经知道：负反馈能减小放大电路但我们也已经知道：负反馈能减小放大电路但我们也已经知道：负反馈能减小放大电路的放大倍数，而且反馈愈深这种作用愈明显；加的放大倍数，而且反馈愈深这种作用愈明显；加的放大倍数，而且反馈愈深这种作用愈明显；加的放大倍数，而且反馈愈深这种作用愈明显；加上负反馈在其它方面还可以改善放大电路的性能，上负反馈在其它方面还可以改善放大电路的性能，上负反馈在其它方面还可以改善放大电路的性能，上负反馈在其它方面还可以改善放大电路的性能，所以所以所以所以 接下来的问题是接下来的问题是接下来的问题是接下来的问题是负反馈负反馈负反馈负反馈从从从从输出端引到同相端还是反相端。输出端引到同相端还是反相端。输出端引到同相端还是反相端。输出端引到同相端还是反相端。解决的方法是：在电路中引入解决的方法是：在电路中引入解决的方法是：在电路中引入解决的方法是：在电路中引入深度负反馈深度负反馈深度负反馈深度负反馈。R反相输入端。反相输入端。5/16/20235/16/202318WXHWXH17.2.117.2.1、比例运算、比例运算电路结构电路结构虚短虚短QR2R1RFuiu0iFi1闭环放大倍数闭环放大倍数1 1、反相比例、反相比例 u u-=u=u+又又虚断虚断 u u-=u=u+=0=0则电流则电流i i1 1等于等于电流电流i iF F5/16/20235/16/202319WXHWXH 当当当当实实实实际际际际运运运运放放放放接接接接近近近近于于于于理理理理想想想想运运运运放放放放的的的的条条条条件件件件时时时时，其其其其精精精精度度度度主主主主要要要要取取取取决决决决于于于于电电电电阻阻阻阻，这这这这是是是是因因因因为为为为电电电电路路路路中中中中采采采采用用用用了了了了极极极极深深深深度度度度的的的的负反馈而获得的重要优点。负反馈而获得的重要优点。负反馈而获得的重要优点。负反馈而获得的重要优点。对对对对于于于于反反反反相相相相比比比比例例例例运运运运算算算算还还还还有有有有“虚虚虚虚地地地地”的的的的概概概概念念念念。反反反反相相相相端端端端为为为为虚虚虚虚地地地地的的的的现现现现象象象象是是是是反反反反相相相相输输输输入入入入运运运运算算算算放放放放大大大大器器器器的的的的重重重重要要要要特特特特点点点点，应应应应当当当当指指指指出出出出“虚虚虚虚地地地地”并并并并非非非非真真真真正的地。正的地。正的地。正的地。反相器时当,1,1-=ufFARRR2R1RFuiu0iFi15/16/20235/16/202320WXHWXH闭环输入电阻和输出电阻闭环输入电阻和输出电阻闭环输入电阻和输出电阻闭环输入电阻和输出电阻电压并联负反馈电压并联负反馈特点：特点：特点：特点：R2R1RFuiu0iFi1a.a.a.a.共模输入电压为共模输入电压为共模输入电压为共模输入电压为0 0 0 0b.rb.rb.rb.ro o o o=0=0=0=0带负载能力强带负载能力强带负载能力强带负载能力强c.rc.rc.rc.ri i i i小对输入电流有一定的要求小对输入电流有一定的要求小对输入电流有一定的要求小对输入电流有一定的要求5/16/20235/16/202321WXHWXH R2 R2 R2 R2为平衡电阻，其为平衡电阻，其为平衡电阻，其为平衡电阻，其目的是消除静态时的目的是消除静态时的目的是消除静态时的目的是消除静态时的不对称对输出电压的不对称对输出电压的不对称对输出电压的不对称对输出电压的影响，它影响，它影响，它影响，它不影响放大不影响放大不影响放大不影响放大倍数。倍数。倍数。倍数。对双极型三极对双极型三极对双极型三极对双极型三极管组成的电路有要求。管组成的电路有要求。管组成的电路有要求。管组成的电路有要求。R2=R1/RF特别说明：特别说明：R2R1RFuiu0iFi1P112P112例例17.2.117.2.1请同学自学。请同学自学。5/16/20235/16/202322WXHWXHR2R1R3uiu0i3i1R4R5i4i5ai1=i3=i4+i5Ui/R1=-Ua/R3-Ua/R3=Ua/R4+(Ua-U0)/R55/16/20235/16/202323WXHWXHR2R1RFuiu0iFi1闭环放大倍数闭环放大倍数闭环放大倍数闭环放大倍数因为虚短因为虚短因为虚短因为虚短u u+=u-=u=u-=ui i因为虚断因为虚断因为虚断因为虚断 i iF F=i=i1 1(u(u0 0-u-ui i)/R)/RF F=u=ui i/R/R1 1电路结构电路结构2 2、同相比例、同相比例R2RFuiu05/16/20235/16/202324WXHWXH闭环输入电阻和输出电阻闭环输入电阻和输出电阻闭环输入电阻和输出电阻闭环输入电阻和输出电阻R2R1RFuiu0iFi1特点：特点：A A A A 共模共模共模共模u u u u+=u=u=u=u-=u=u=u=uI I I I 对对对对 K K K KCMRRCMRRCMRRCMRR要求高要求高要求高要求高B rB rB rB ro o o o=0=0=0=0带负载能力强带负载能力强带负载能力强带负载能力强C rC rC rC rI I I I高高高高电压串联负反馈电压串联负反馈5/16/20235/16/202325WXHWXH接有分压电阻接有分压电阻R R3 3时，时，A Aufuf的求法为：的求法为：R1/RF=R2/R3平衡电阻：平衡电阻：电压串联负反馈电压串联负反馈R2R1RFuiu0iFi1R35/16/20235/16/202326WXHWXH17.2.217.2.2、加法运算、加法运算1 1 1 1、反相加法运算、反相加法运算、反相加法运算、反相加法运算因为因为因为因为 i i1 1+i+i2 2+i+i3 3=i=iF F所以所以所以所以 u ui1i1/R/R1111+u+ui2i2/R/R1212+u+ui3i3/R/R1313=(0-u=(0-u0 0)/R)/RF F特点：放大倍数互不影响。特点：放大倍数互不影响。特点：放大倍数互不影响。特点：放大倍数互不影响。R2R11RFui1u0iFR12R13ui2ui3i1i2i35/16/20235/16/202327WXHWXHR21R1RFui1u0iFi1R22R23ui22 2 2 2、同相加法运算、同相加法运算、同相加法运算、同相加法运算5/16/20235/16/202328WXHWXH从这里可以看出，本电路的同从这里可以看出，本电路的同相放大倍数最多只能比反相大相放大倍数最多只能比反相大1 117.2.317.2.3、减法运算、减法运算R2R1RFui2u0iFi1R3ui1u ui1i1为电流并联负反馈；为电流并联负反馈；u ui2i2为电压串联负反馈为电压串联负反馈5/16/20235/16/202329WXHWXH这在后面所讲的这在后面所讲的设计电路中非常有用。设计电路中非常有用。R2R1RFui2u0iFi1R3ui1ui3R45/16/20235/16/202330WXHWXH17.2.417.2.4、积分运算、积分运算R2R1CFuiu0iFi15/16/20235/16/202331WXHWXHR2R1CFuiu0iFi1-U0（sat)积分电路除用于信号运算积分电路除用于信号运算积分电路除用于信号运算积分电路除用于信号运算处，还用于控制测量系处，还用于控制测量系处，还用于控制测量系处，还用于控制测量系统中、方波三角波变换。统中、方波三角波变换。统中、方波三角波变换。统中、方波三角波变换。当当U UI I大于大于0 0时时tu00 0+U0（sat)当当U UI I小于小于0 0时时+与以前学过的与以前学过的与以前学过的与以前学过的RCRCRCRC积分电路相比，积分电路相比，积分电路相比，积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分运放所构成的有源积分电路其积分运放所构成的有源积分电路其积分运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。因为：曲线的线性度较好。因为：曲线的线性度较好。因为：曲线的线性度较好。因为：充电电流充电电流充电电流充电电流基本恒定基本恒定基本恒定基本恒定5/16/20235/16/202332WXHWXHPI调节器 右图是在控制和测量右图是在控制和测量系统中常用的比例系统中常用的比例-积分积分调节器（调节器（PIPI调节器）：调节器）：ui1uo +-R2CFi1R1PI调节器ifucRF5/16/20235/16/202333WXHWXH17.2.517.2.5、微分运算、微分运算R2C1RFuiu0iFi1P119P119例例17.2.817.2.8是一个比例是一个比例-微分调节器微分调节器（简称（简称PDPD调节器），自学。调节器），自学。5/16/20235/16/202334WXHWXH例如：试画出下列函数关系的运算电路例如：试画出下列函数关系的运算电路17.2.617.2.6、已知输出与输入的函数关系，设计电路。、已知输出与输入的函数关系，设计电路。(1)u(1)u0 0=-5u=-5ui i(2)u(2)u0 0=5u=5ui i(4)u(4)u0 0=5u=5ui1i1-2u-2ui2i2(3)u(3)u0 0=-5u=-5ui1i1+2u+2ui2i2R2R1RFuiu0R2R1RFuiu0iFi1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R2R1RFui2u0iFi1R3ui1R45/16/20235/16/202335WXHWXH17-3 17-3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用 运运运运算算算算放放放放大大大大器器器器除除除除了了了了能能能能对对对对输输输输入入入入信信信信号号号号进进进进行行行行运运运运算算算算外外外外，还还还还能能能能对对对对输输输输入入入入信信信信号号号号进进进进行行行行处处处处理理理理。信信信信号号号号处处处处理理理理电电电电路路路路的的的的种种种种类很多，这里只讨论几种常用电路的工作原理。类很多，这里只讨论几种常用电路的工作原理。类很多，这里只讨论几种常用电路的工作原理。类很多，这里只讨论几种常用电路的工作原理。17.3.117.3.117.3.117.3.1、有源滤波器、有源滤波器、有源滤波器、有源滤波器 所所所所谓谓谓谓滤滤滤滤波波波波器器器器就就就就是是是是一一一一种种种种选选选选频频频频网网网网络络络络，它它它它让让让让有有有有用用用用信信信信号号号号通通通通过过过过，而而而而对对对对其其其其余余余余频频频频段段段段的的的的信信信信号号号号起起起起衰衰衰衰减减减减作作作作用用用用。它它它它可可可可以以以以只只只只用用用用一一一一些些些些无无无无源源源源元元元元件件件件（R R R R、L L L L、C C C C等等等等）组组组组成成成成，也也也也可可可可以以以以用用用用无无无无源源源源元元元元件件件件与与与与有有有有源源源源元元元元件件件件组组组组成成成成，前前前前者者者者称称称称为为为为无无无无源源源源滤滤滤滤波波波波器器器器，后后后后者者者者称称称称为为为为有有有有源源源源滤滤滤滤波波波波器器器器。和和和和无无无无源源源源滤滤滤滤波波波波器器器器比比比比较较较较，有有有有源源源源滤滤滤滤波波波波器器器器的的的的主主主主要要要要优优优优点点点点是是是是：效效效效率率率率高高高高、带带带带负负负负载载载载能能能能力力力力强强强强、体积小、效率高体积小、效率高。5/16/20235/16/202336WXHWXH缺点：缺点：1 1、用于低频（受集成运放的限制）、用于低频（受集成运放的限制）2 2、必须有直流电源、必须有直流电源 3 3、可靠性差、可靠性差 4 4、不能用于高电压大电流、不能用于高电压大电流滤波器按其作用可分为：滤波器按其作用可分为：滤波器按其作用可分为：滤波器按其作用可分为：0 0f fA Au u低通低通低通低通高通高通高通高通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻0 0f fA Au u0 0f fA Au u0 0f fA Au u5/16/20235/16/202337WXHWXH前面我们已经讲过前面我们已经讲过前面我们已经讲过前面我们已经讲过RCRCRCRC组成的组成的组成的组成的无源滤波器无源滤波器无源滤波器无源滤波器R RC Cu ui iu u0 0R RC Cu ui iu u0 0无源低通滤波器无源低通滤波器无源高通滤波器无源高通滤波器R2R1RFuiu0R RC Cu ui iu u0 0R RC Cu ui iu u0 0有源低通滤波器有源低通滤波器有源高通滤波器有源高通滤波器5/16/20235/16/202338WXHWXH一、低通滤波器一、低通滤波器uiuo +-RC有源低通滤波器ucRFR15/16/20235/16/202339WXHWXHo幅频特性式中的式中的称为特征频率称为特征频率A Aufuf的模为的模为幅频特性幅频特性5/16/20235/16/202340WXHWXHo幅频特性5/16/20235/16/202341WXHWXH二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器RR1RFuiu0CRC5/16/20235/16/202342WXHWXH二、高通滤波器二、高通滤波器有源高通滤波器uiuo +-RCRFR15/16/20235/16/202343WXHWXHo幅频特性式中的式中的称为特征频率称为特征频率A Aufuf的模为的模为幅频特性幅频特性5/16/20235/16/202344WXHWXHo幅频特性5/16/20235/16/202345WXHWXH17.3.2、采样保持电路 当输入信号变化较快时要