第5章集成运算放大电路及其应用ppt课件.pptx

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1、第5章 集成运算放大电路及其应用电子技术基础第5章 集成运算放大电路及其应用 第5章 集成运算放大电路及其应用集成运算放大电路是一种高增益、高输入电阻、低输出电阻的通用性器件，它具有通用性强、可靠性高、体积小、质量轻、功耗低、性能优越等特点。本章主要介绍集成运算放大电路的基本工作原理以及集成运算放大电路的各类应用。 第5章 集成运算放大电路及其应用5.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高（可达60180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（60170dB），失调与飘移小，而且还

2、具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。模拟集成电路一般是由一块厚约0.20.25mm的P型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。运算放大器除具有+、-输入端和输出端外，还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便。 第5章 集成运算放大电路及其应用5.1.1 集成运算放大电路外形和符号1集成运算放大电路的外形常见的集成运算放大电路有圆壳式、双列直插式和扁平式等，有8引脚和14引脚等，如图5-1所

3、示。 第5章 集成运算放大电路及其应用2集成运算放大电路的符号集成运算放大电路符号如图5-2所示，其中图5-2（a）为集成运算放大电路的国家标准图形符号，图5-2（b）为集成运算放大电路的习惯用图形符号，图5-2（a）中“ ”表示信号的传输方向，“”表示理想条件，两个输入端中，N称为反相输入端，用符号“-”表示，如果输入信号由此端加入，由它产生的输出信号与输入信号反相；P称为同相输入端，用符号“+”表示，如果输入信号由此端加入，由它产生的输出信号与输入信号同相。但是必须注意，所有的信号对相同的地。由图5-2可知，集成运算放大电路有三种输入形式：差动输入uid = u- - u+（输入信号是从集

4、成运算放大电路两个输入端引入）、反相输入ui = u-（输入信号接集成运算放大电路反相端）和同相输入ui = u+（输入信号接集成运算放大电路的同相端）。 第5章 集成运算放大电路及其应用集成运算放大电路的组成及其各部分的作用集成运放的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，其内部电路组成原理框图如图5-3所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用1输入级提高运算放大器质量的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。电路形式：采用具有恒流源的差动放大电路，降低零漂，提高KCMR。并且通常在低电流状态，以获得较高的输入阻抗。2中间级进行电压放大，获得运放的总增益。要求：Au高，同时

5、向输出级提供较大的推动电流。电路形式：带有恒流源负载的共射电路。3输出级与负载相接。要求：输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，并有过载保护措施。电路形式：一般由互补对称电路或源极跟随器构成。4偏置电路为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点；为输入级设置一个电流值低而又十分稳定的偏置电流，也可作为有源负载提高电压增益。电路形式：各种恒流源电路。综上所述，可以将集成运放看成一个具有高差模放大倍数，高共模抑制比，高输入阻抗，低输出阻抗的双端输入、单端输出的差动放大器。它的主要特点是：有很高的输入阻抗，很高的开环增益和很低的输出阻抗。 第5章 集成运算放大电路及其

6、应用5.1.3 集成运算放大电路的结构特点及主要参数（1）元器件参数的精度较差，但误差的一致性好，宜于制成对称性好的电路，如差动放大电路。（2）制作电容困难，所以级间采用直接耦合方式。（3）制作管子比制作电阻更方便，所以常用由晶体管或场效应管组成的恒流源为各级提供偏置电流，或者用做有源负载。（4）采用一些特殊结构，如横向PNP管（低、耐压高、fT小）、双集电极晶体管等。 第5章 集成运算放大电路及其应用5.1.4 集成运算放大电路的电压传输特性集成运算放大电路在开环状态下，输出电压uo与差模输入电压uid（uid = u- - u+）之间的关系称为开环差模传输特性。理论分析与实验得出的开环差模

7、传输特性曲线如图5 -4所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用曲线表明集成运算放大电路有两个工作区域：线性区和非线性区。图5-4中A、B两点之间为线性区，此时集成运算放大电路工作在线性放大状态，输出电压uo与差模输入电压uid（uid = u- - u+）之间的函数关系为线性的。可表示为由于UOM有限，而一般集成运算放大电路的开环电压放大倍数又很大，所以，线性区域很小。应用时，应引入深度负反馈网络，以保证集成运算放大电路稳定地工作在线性区内。在非线性区（饱和区）内，uo与uid无关，它只有两种可能取值，即正向饱和电压+UOM（u+ u-）和负向饱和电压-UOM（u- u+）。两种区域内，集成

8、运算放大电路的性质截然不同，因此在使用和分析应用电路时，首先要判明集成运算放大电路的工作区域。 第5章 集成运算放大电路及其应用5.1.5 理想集成运算放大电路1集成运算放大电路的理想化条件为了突出主要特性，简化分析过程，在分析实际电路时，一般将实际集成运算放大电路当作理想集成运算放大电路看待。所谓理想集成运算放大电路是指具有如下理想参数的集成运算放大电路：（1）开环电压放大倍数Aud = ；（2）差模输入电阻Rid = ；（3）输出电阻Ro = 0；（4）共模抑制比KCMR = ；（5）输入偏置电流IB1 = IB2 = 0；（6）失调电压、失调电流和温漂等均为零。 第5章 集成运算放大电路

9、及其应用理想集成运算放大电路是不存在的，然而，随着集成电路工艺的发展，现代集成运算放大电路的参数与理想集成运算放大电路的参数很接近。实践表明用理想集成运算放大电路作为实际集成运算放大电路的简化模型，分析集成运算放大电路应用电路所得结果与实验结果基本一致，误差在工程允许范围之内。因此，在分析实际电路时，除要求考虑分析误差的电路外，均可把实际集成运算放大电路当作理想集成运算放大电路处理，以使分析过程得到合理简化。本书除特别说明外，集成运算放大电路均按理想集成运算放大电路对待。 第5章 集成运算放大电路及其应用2理想集成运算放大电路的特点 1）线性区理想集成运算放大电路工作在线性区域时具有两个重要特

10、性：（1）理想集成运算放大电路两个输入端的电位相等。集成运算放大电路工作在线性区时，输出信号和输入信号之间存在以下关系：uo = Aud（u- - u+）而理想集成运算放大电路，输出电压为有限值，故有u+ = u- （5-2）即集成运算放大电路工作在线性区时，两个输入端电位相等，这一特点称为“虚短”。“虚短”是指集成运算放大电路的两个输入端电位近似相等，而不是真正的短路。 第5章 集成运算放大电路及其应用（2）理想集成运算放大电路的输入电流为零。对于集成运算放大电路而言，输入电压和输入电流之间存在以下关系：而理想集成运算放大电路Rid = ，输入电压Uid为有限值，故有i+ = i- = 0

11、（5-4）即集或运算放大器工作在线性区时，两个输入端电流为零，这一特点称为“虚断”。“虚断”是指集成运算放大电路的两个输入端电流趋近于零，而不是真正的断开。“虚短”和“虚断”这两个特性大大简化了集成运算放大电路应用电路的分析过程，是分析集成运算放大电路工作在线性区域的各种电路的基本依据。 第5章 集成运算放大电路及其应用2）非线性区理想集成运算放大电路工作在非线性区时，也有两个基本特性：（1）输入电流为零，即i+ = i- = 0。（2）输出电压有两种可能取值：u- u+时，uo = -UOMu+ u-时，uo = +UOMu+ = u-是两个状态的转换点，这时相当于电压比较器。综上所述，分析

12、集成运算放大电路应用电路时，先将实际集成运算放大电路视为理想集成运算放大电路，然后，判别集成运算放大电路的工作状态，最后，按各个区域的特性结合电路分析理论进行分析计算。 第5章 集成运算放大电路及其应用5.2 集成运算放大电路的线性应用由集成运算放大电路和外接电阻、电容可以构成比例、加减、积分和微分的运算电路，称为基本运算电路。此外，还可以构成有源滤波器电路。这时集成运算放大电路必须工作在传输特性曲线的线性区范围内。在分析基本运算电路的输出与输入的运算关系或电压放大倍数时，可将集成运算放大电路看成理想集成运算放大电路，因此可根据“虚短”和“虚断”的特点来进行分析。 第5章 集成运算放大电路及其

13、应用5.2.1 比例运算1反相比例运算图5-5所示电路是反相比例运算电路。输入信号从反相输入端输入，同相输入端通过电阻接地。根据“虚短”和“虚断”的特点，即u- = u+、i- = i+ = 0，可得u- = u+ = 0。这表明，运算放大器反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况通常将反相输入端称为“虚地”。因此 第5章 集成运算放大电路及其应用式（5-7）表明，uo与ui符合比例关系，式中负号表示输出电压与输入电压的相位（或极性）相反。电压放大倍数为改变Rf和R1的比值，即可改变其电压放大倍数。 第5章 集成运算放大电路及其应用图5-5中运算放大器的同相输入端接有电阻R，参数选择

14、时应使两输入端外接直流通路等效电阻平衡，即R = R1 / Rf，静态时使输入级偏置电流平衡，并使输入级的偏置电流在运算放大器两个输入端的外接电阻上产生相等的电压降，以便消除放大器的偏置电流及漂移对输出端的影响，故R又称为平衡电阻。 第5章 集成运算放大电路及其应用2同相比例运算如果输入信号从同相输入端输入，而反相输入端通过电阻接地，并引入负反馈，如图5-6所示，称为同相比例运算电路。 第5章 集成运算放大电路及其应用由 u- = u+、i- = i+ = 0 可得 第5章 集成运算放大电路及其应用式（5-10）表明，该电路与反相比例运算电路一样，uo与ui也符合比例关系，所不同的是，输出电压

15、与输人电压的相位（或极性）相同。电压放大倍数为图5-6中，若去掉Rf，则电路如图5-7所示，这时uo = u- = u+ = ui 第5章 集成运算放大电路及其应用上式表明，uo与ui大小相等，相位相同，起到电压跟随作用，故该电路称为电压跟随器。其电压放大倍数为 第5章 集成运算放大电路及其应用5.2.2 加法与减法运算电路1加法电路加法运算即对多个输入信号进行求和，根据输出信号与求和信号反相还是同相，可分为反相加法运算和同相加法运算两种方式。 第5章 集成运算放大电路及其应用1）反相加法运算图5-8所示为反相加法运算电路，它是利用反相比例运算电路实现的。图中输入信号ui1、ui2通过电阻R1

16、、R2由反相输入端引入，同相输入端通过一个直流平衡电阻R接地，且R = R1 / R2 / Rf。 第5章 集成运算放大电路及其应用根据运算放大器反相输入端“虚断”可知if = i1 + i2，而根据运算放大器反相输入端“虚地”可得u- = 0，因此由图5-8得 故可求得输出电压为 第5章 集成运算放大电路及其应用可见实现了反相加法运算。若Rf = R1 = R2，则 由式（5-12）可知，这种电路在调整某一路输入端电阻时并不影响其他路信号产生的输出值，因而调节方便，使用较广泛。 第5章 集成运算放大电路及其应用2）同相加法运算图5-9所示为同相加法运算电路，它是利用同相比例运算电路实现的。图

17、中的输入信号ui1、ui2是通过电阻R2、R3由同相输入端引入的。为了使直流电阻平衡，要求R2 / R3 / R4 = R1 / Rf。 第5章 集成运算放大电路及其应用根据运算放大器同相端“虚断”，对ui1、ui2应用叠加原理可求得u+为 根据同相输入时输出电压与运算放大器同相端电压u+的关系式（5-9）可得输出电压U。为可见实现了同相加法运算。 第5章 集成运算放大电路及其应用若R2 = R3 = R4，Rf = 2R1则式（5-13）可简化为由式（5-13）可知，这种电路在调整一路输入端电阻时会影响其他路信号产生的输出值，因此调节不方便。 第5章 集成运算放大电路及其应用2减法电路图5-

18、10所示为减法运算电路，图中输入信号ui1和ui2分别加至反相输入端和同相输入端，这种形式的电路又称为差分运算电路。对该电路也可用“虚短”和“虚断”来分析，下面利用叠加原理根据同相比例运算电路和反相比例运算电路已有的结论进行分析，这样可使分析更简便。 第5章 集成运算放大电路及其应用首先，设ui1单独作用，而ui2 = 0，此时电路相当于反相比例运算电路，可得ui1产生的输出电压uo1为 再设由ui2单独作用，而ui1 = 0，则电路变为同相比例运算电路，可求得电压uo2为 第5章 集成运算放大电路及其应用由此可求得总输出电压uo为当R1 = R1，Rf = Rf时，则假设式（5-15）中Rf

19、 = R1，则uo = ui2 - ui1。 第5章 集成运算放大电路及其应用【例3-1】写出图5-11所示电路的二级运算电路的输入、输出关系。 第5章 集成运算放大电路及其应用解：图5-11电路中，运算放大器A1组成同相比例运算电路，故 由于理想集成运算放大电路的输出阻抗 Ro = 0，故前级运算放大器的输出电压uo1即为后级运算放大器的输入信号，因而运算放大器A2组成的减法运算电路的两个输入信号分别为uo1和ui2。由叠加原理可得输出电压uo为 上式表明，图5-11电路确实是一个减法运算电路。 第5章 集成运算放大电路及其应用5.2.3 积分与微分运算1积分运算图5-12所示电路为积分运算

20、电路，它和反相比例运算电路的差别是用电容Cf代替电阻Rf。为了使直流电阻平衡，要求R1 = R2。 第5章 集成运算放大电路及其应用根据运算放大器反相端“虚地”可得由于i1 = if，因此可得输出电压uo为由（5-16）式可知，输出电压uo正比于输入电压ui对时间的积分，从而实现了积分运算。式（5-16）中R1Cf为电路的时间常数。 第5章 集成运算放大电路及其应用2微分运算将积分运算电路中的电阻和电容位置互换，即构成微分运算电路，如图5-13所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用根据运算放大器反相端“虚地”可得由于i1 if，因此可得输出电压uo为由（5-17）式可见，输出电压uo正比于输

21、入电压ui对时间的微分，从而实现了微分运算。式（5-17）中RfC1为电路的时间常数。 第5章 集成运算放大电路及其应用积分电路和微分电路常常用以实现波形变换。例如，积分电路可将方波电压变换为三角波电压；微分电路可将方波电压变换为尖脉冲电压，如图5-14所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用5.3 集成运算放大电路的非线性应用如果集成运算放大电路工作在非线性区，称为非线性应用。非线性应用包括电压比较、波形产生等电路。5.3.1 电压比较器电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，为数

22、字量；而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”。由于比较器的输出只有高、低电平两种状态，故其中的运放常工作在非线性区。从电路结构来看，运放常处于开环状态或加入正反馈。根据比较器的传输特性不同，可分为单限比较器、滞回比较器及双限比较器等，下面介绍单限比较器、滞回比较器。 第5章 集成运算放大电路及其应用1单限比较器单限比较器是指只有一个门限电压的比较器。图5-15（a）所示为单限比较器电路，图5-15（b）所示为其传输特性。 第5章 集成运算放大电路及其应用比较器输出电压由一种状态跳变为另一种状态时，所对应的输入电压通常称为阈值电压或门限电压，用UTH表示。可见

23、，这种单限比较器的阈值电压UTH=UR。若UR=0，即运放同相输入端接地，则比较器的阈值电压UTH=0。这种单限比较器也称为过零比较器。利用过零比较器可以将正弦波变为方波，输入、输出波形如图5-16所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用2滞回比较器（迟滞比较器）单限比较器电路简单，灵敏度高，但其抗干扰能力差。如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复跳变，如图5-17所示。若用此输出电压控制电机等设备，将出现误操作。为解决这一问题，常常采用滞回电压比较器。 第5章 集成运算放大电路及其应用滞回电压比较器通过引入上、下两个门限电压，以获得正确、稳

24、定的输出电压。电压比较器有两个门限电平，故传输特性呈滞回形状 。图5-18（a）所示为反相滞回电压比较器电路，图5-18（b）所示为其传输特性。 第5章 集成运算放大电路及其应用滞回电压比较器用于控制系统时主要优点是抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回电压比较器两个门限电平UTH1和UTH2的值，就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变，如图5-19所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用5.3.2 非正弦波产生电路非正弦波发生电路有矩形波发生电路、三角波发生电路以及锯齿波发生电路等。它们常在脉冲和数字系统中作信号源。1矩形波发生

25、电路1）电路组成如图5-20所示，滞回比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。 第5章 集成运算放大电路及其应用滞回比较器的两种不同输出电平使RC电路进行充电或放电，于是电容上的电压将升高或降低，而电容上的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变为放电过程或相反，如图5-21所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用2）工作原理设t = 0时电容C上的电压vc = 0，而滞回比较器的输出端为高电平，即vo = +vz。则集成运放同相输入端的电压为输出电压在电阻R1、R2上分压的结果 此时输出电压+Vz将通过电阻R向电容C充电，使电容两端的电压v

26、c上升。当电容上的电压上升到v- = v+时，滞回比较器的输出端将发生跳变，由高电平跳变为低电平，使 Vo = -vz ，于是集成运放同相输入端的电压也立即变为 第5章 集成运算放大电路及其应用输出电压变为低电平后，电容C将通过R放电，使vc逐渐降低。当电容上电压下降到v- = v+时，滞回比较器的输出端将再次发生跳变，由低电平跳变为高电平，即vo=+Vz。重复上述过程，于是产生了正负交替的矩形波。电容C两端的电压以及滞回比较器的输出电压的波形如图5-22所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用3）振荡周期改变充放电时间常数和电阻R1、R2，可调节振荡周期。Vz的大小决定了矩形波的幅度。 第5

27、章 集成运算放大电路及其应用2三角波发生电路1）电路组成图5-23（a）为一个三角波发生电路。图5-23中集成运放A1组成滞回比较器，A2组成积分电路。 第5章 集成运算放大电路及其应用2）工作原理设t = 0时滞回比较器输出端为高电平，vo1 = +Vz，且积分电容上的初始电压为零。由于A1同相输入端的电压V+同时与vo1、和vo有关，根据叠加原理，可得 为高电平。但Vo1 = +vz，v+将随着时间往负方向线性增长，v+也随之减小，当减小至v+ = v- = 0时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使vo1 = -Vz，同时v+将跳变成为一个负值。然后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性

28、增长，v+也随之增大，当增大至v+ = v- = 0时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使vo1 = +Vz，同时v+也跳成为一个正值。重复以上过程，可得vo1为矩形波，vo为三角波，波形如图5-23（b）所示，可见跳变发生在 处。 第5章 集成运算放大电路及其应用3）输出幅度和振荡周期由图5-23（b）可见，当vo1发生跳变时，三角波输出vo达到最大 可见，三角波的幅度与滞回比较器中的电阻值之比R1/R2成正比，振荡周期与积分电路的时间常数R4C成正比。 第5章 集成运算放大电路及其应用3锯齿波发生电路1）电路组成用D1、D2和Rw代替三角波发生器的积分电阻，使电容的充放电回路分开，即成为锯

29、齿波发生电路，如图5-24所示。 第5章 集成运算放大电路及其应用调节Rw滑动端的位置，使Rw R w，则电容充电时间常数将比放电时间常数小得多，于是充电过程很快，而放电过程很慢，工作波形如图5-25所示，vo成为锯齿波。 第5章 集成运算放大电路及其应用2）输出幅庋和振荡周期锯齿波的幅度为忽略二极管D1、D2的导通电阻，电容充电和放电的时间T1、T2以及锯齿波的振荡周期T分别为 第5章 集成运算放大电路及其应用本章小结1集成运算放大电路（简称集成运放）在科技领域得到广泛的应用，形成了各种各样的应用电路。从其功能上来分，可分为信号运算电路、信号处理电路和信号产生电路。2集成运算放大电路内部通常包含四个基本组成部分：输入级、中间级、输出级以及偏置电路。3集成运算放大电路可以构成加法、减法、积分、微分等多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。4集成运算放大电路的非线性应用包括电压比较、波形产生等电路。根据比较器的传输特性不同，可分为单限比较器、滞回比较器及双限比较器等。非正弦波发生电路有矩形波发生电路、三角波发生电路以及锯齿波发生电路等。它们常在脉冲和数字系统中作信号源。