第16章集成運算放大器16.1集成運算放大器的簡單介紹16.2運算放大器在信號運算方面的應用16.4運算放大器在波形產生方面的應用16.5使用運算放大器應注意的幾個問題16.3運算放大器在信號處理方面的應用1.了解集成運放的基本組成及主要參數的意義；2.理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理；4.理解電壓比較器的工作原理和應用。本章要求第16章集成運算放大器16.1集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級直接耦合放大電路。

集成電路

是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯接同時制造在一塊半導體芯片上,組成一個不可分的整體。特點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低。分類按集成度按導電類型按功能小、中、大和超大規模雙、單極性和兩種兼容數字和模擬各類型號集成芯片16.1.1集成運算放大器的特點1.元器件參數的一致性和對稱性好；2.電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；3.電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接；4.二極管多用三極管的發射結代替。16.1.2電路的簡單說明輸入級中間級輸出級偏置電路運算放大器方框圖輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器

。中間級：要求電壓放大倍數高。常采用帶恒流源的共發射極放大電路構成。

偏置電路:由鏡像恒流源等電路組成輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。－15V①②③④⑤⑥I3430PfR8⑦＋15VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的內部電路圖3.5.4、典型集成運放電路通用型集成運放F007集成運算放大器的管腳和符號反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號傳輸方向輸出端實際運放開環電壓放大倍數(a)(b)(a)符號;(b)引腳

765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出集成運放741的電路原理圖同相輸入輸入級偏置電路中間級輸出級+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C反相輸入輸出16.1.3主要參數1.最大輸出電壓UOPP能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2.開環差模電壓增益Auo運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數。

Auo愈高，所構成的運算電路越穩定，運算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調電壓UIO4.輸入失調電流IIO5.輸入偏置電流IIB1.開環電壓放大倍數

2.開環輸入電阻3.開環輸出電阻4.共模抑制比實際運算放大器的技術指標接近理想化條件，為此,后面對運算放大器的分析都按理想化條件進行的。16.1.4理想運算放大器及其分析依據理想的運算放大器。理想化的主要條件：16.1.4理想運算放大器及其分析依據線性區：uo

=Auo(u+–u–)非線性區：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––2.電壓傳輸特性uo=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區理想特性實際特性飽和區O理想運算放大器圖形符號3.理想運放工作在線性區的特點因為uo

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于線性區。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區–Uo(sat)+Uo(sat)O4.理想運放工作在飽和區的特點(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現象電壓傳輸特性當u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區16.2

運算放大器在信號運算方面的運用集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體器件等構成閉環電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數、反對數、乘法和除法等運算。運算放大器工作在線性區時，通常要引入深度負反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關系基本決定于反饋電路和輸入電路的結構和參數，而與運算放大器本身的參數關系不大。改變輸入電路和反饋電路的結構形式，就可以實現不同的運算。16.2.1比例運算1.反相比例運算(1)電路組成

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。(2)電壓放大倍數因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+所以i1if

因要求靜態時u+、u–對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–

結論：(1)Auf為負值，即uo與ui

極性相反。(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關，與運放本身參數無關。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。例:電路如下圖所示，已知R1=10k，RF=50k。求:1.Auf、R2；2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–2.同相比例運算因虛斷，所以u+=ui

(1)電路組成(2)電壓放大倍數因虛短，所以

u–=ui，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–結論：(1)Auf為正值，即uo與ui

極性相同。(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關，與運放本身參數無關。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相輸入端不存在“虛地”現象。當R1=且RF

=0時，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–

由運放構成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–

左圖是一電壓跟隨器，電源經兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：負載電流的大小與負載無關。例2:負載浮地的電壓-電流的轉換電路(1)能測量較小的電壓；(2)輸入電阻高，對被測電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++–iLi1RLuiR2R1+–++–16.2.2加法運算電路1.反相加法運算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

2.同相加法運算電路方法1:根據疊加原理

ui1單獨作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨作用時ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫出u–和u+的表達式，利用u–=u+的性質求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–16.2.3減法運算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量放大電路分析方法2：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––16.2.4積分運算電路由虛短及虛斷性質可得i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–

當電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uitO積分飽和線性積分時間線性積分時間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時間t的一次函數，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui

將比例運算和積分運算結合在一起，就組成比例-積分運算電路。ifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分

這種運算器又稱PI調節器,常用于控制系統中,以保證自控系統的穩定性和控制精度。改變RF和CF，可調整比例系數和積分時間常數,以滿足控制系統的要求。uoCFuiR2R1++––++–RF16.2.5微分運算電路ifi1由虛短及虛斷性質可得i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++–uoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分運算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分控制系統中，PD調節器在調節過程中起加速作用，即使系統有較快的響應速度和工作穩定性。—PD調節器ifiRiC16.3.3電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數模轉換、數字儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，以及波形產生及變換等場合。

運放工作在開環狀態或引入正反饋。16.3運放在信號處理方面的應用理想運放工作在飽和區的特點：1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當u+>u－

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現象電壓傳輸特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運放處于開環狀態1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo=–

Uo

(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發生躍變。參考電壓uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2輸出帶限幅的電壓比較器設穩壓管的穩定電壓為UZ，忽略穩壓管的正向導通壓降則ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ–UZ電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變為方波URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O例1：圖中所示為運放組成的過溫保護電路，R是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。KA是繼電器，溫度升高，超過規定值，KA動作，自動切斷電源。分析其工作原理。溫度超過規定值，ui

>UR，uo=+UOM，T導通。KA動作，切斷電源。溫度未超過規定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不動作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo電壓傳輸特性uoOUO(sat)–UO(sat)例2:電路如圖所示,ui是一正弦電壓,畫出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:運放為同相輸入過零電壓比較器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各電壓波形如右圖所示。R1R2uiuo+–+CDRLR16.4運放在波形產生方面的應用波形發生器的作用：產生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。特點：不用外接輸入信號，即有輸出信號。16.4.1矩形波發生器矩形波產生電路

uc+–UR+–1.電路結構

由滯回比較器、RC充放電電路組成。電容電壓uc

即是比較器的輸入電壓，2.工作原理設電源接通時，uo

=+UZ，uc(0)=0。電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。uo

通過RF對電容C充電，uc按指數規律增長。RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1動畫當uo

=+UZ時，電容充電，uc上升，電容放電，

uc下降，當uc=UR

時，uo跳變成–UZ當uc=–UR

時，uo跳變成+UZ，電容又重新充電。2.工作原理放電uc+–RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1充電3.工作波形T2T=T1+T2電容充放電過程，uc的響應規律為4.周期與頻率Z212U

RRR+-T1－UztOuo,uC+Z212URRR+－UZ+UZ+UzT1矩形波的周期矩形波的頻率充放電時間常數相同：=RC

矩形波常用于數字電路中作為信號源在充電過程中在放電過程中

A1：滯回比較器

因u–=0，所以當u+=0時，A1狀態改變16.4.3三角波發生器1.電路結構A2：反相積分電路Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R12.工作原理A1：滯回比較器因u-=0，所以當u+=0時，A1狀態改變輸出uo1

改變(+UZ

躍變到–UZ

或–UZ

躍變到+UZ)，當同時積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。動畫Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1TT1T23.工作波形4.周期與頻率T=T1+T2

=2T1=2T2uo1UZ

–UZtOuo(1)改變比較器的輸出uo1、電阻R1、R2即可改變三角波的幅值。(2)改變積分常數RC即可改變三角波的頻率。動畫16.4.3鋸齒波發生器1.電路三角波發生器在三角波發生器的電路中，使積分電路的正、反向積分的時間常數不同，即可使其輸出鋸齒波。CR3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1uo1R4'DCuoR3DZR2++–R6R5R4+–++–A2A1R1uo12.波形16.4.3鋸齒波發生器1.電