第16章 电工学集成运算放大器

电工学集成运算放大器

第16章 集成运算放大器 16章16.1 16.2 集成运算放大器的简单介绍

运算放大器在信号运算方面的应用 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用 16.4 使用运算放大器应注意的几个问题

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第16章 集成运算放大器 16章本章要求1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。 2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理想 理解运算放大器的电压传输特性， 运算放大器并掌握其基本分析方法。 运算放大器并掌握其基本分析方法。 3. 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和 理解用集成运放组成的比例、加减、 积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器 积分运算电路的工作原理， 的工作原理。 的工作原理。 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。 理解电压比较器的工作原理和应用。

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16.1 集成运算放大器的简单介绍16.1.1集成运算放大器概述 16.1.1集成运算放大器概述集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出 集成运算放大器是一种高电压增益、 电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多， 电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一 但结构具有共同之处，一般由四部分组成。 样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。

集成电路的几种外形

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输入级一般是差动放大器， 输入级一般是差动放大器，利用其对称特性可以提高整 一般是差动放大器 个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、同 个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、 相输入端两个输入端,且输入电阻高； 相输入端两个输入端,且输入电阻高； 中间级的主要作用是提高电压增益， 中间级的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电 的主要作用是提高电压增益 路组成， 路组成，或采用带恒流源的共发射极放大电路构成 ； 输出级一般由电压跟随器或互补功率放大电路所组成， 输出级一般由电压跟随器或互补功率放大电路所组成， 一般由电压跟随器或互补功率放大电路所组成 以降低输出电阻，提高带负载能力， 以降低输出电阻，提高带负载能力，能输出足够大的电压和 电流。 电流。 偏置电路是为各级提供稳定和合适的偏置电流。 偏置电路是为各级提供稳定和合适的偏置电流。 是为各级提供稳定和合适的偏置电流 此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。 此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。

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16.1.2 集成运算放大器的特点特点：高增益、高可靠性、低成本、 特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo 高: 80dB~140dB ro 低: 几十 ~ 几

百 几十 几百 rid 高: 105 ~ 1011 KCMR高: 70dB~130dB

左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图 左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出， A741集成运放有8个管脚， 从实物外形图上可看出，μA741集成运放有8个管脚，管脚 集成运放有 的排列图、电路图符号如下： 的排列图、电路图符号如下：外部接线图正电源端 空脚 输出端 调零端

+12V 7 反相输入 2 同相输入 3 1 3 4负电源端 调零电位器

集成运放的符号： 集成运放的符号：输出 6

8

7

6

5

- +

∞ +5 4

+UCC

µA741调零 端

u– 。 – 。 + + u+

Auo

。 uo

1

2

反相输入端 同相输入端

-12V

–UEE

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16.1.3 主要参数1. 最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo 愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 3. 输入失调电压 UIO 愈小愈好 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB 6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值， 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值， 运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。 运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。

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16.1.4 理想运算放大器及其分析依据1. 理想运算放大器 Auo → ∞ , rid → ∞ , ro→ 0 , KCMR→ ∞ 2. 电压传输特性 uo= f (ui) uo +Uo(sat) 理想特性O

+UCC

u– u+

– +

∞

线性区 u +– u – 饱和区 –Uo(sat)

线性区： 线性区： uo = Auo(u+– u–)

实际特性

饱和区： 饱和区： u+> u– 时， uo = +Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat)

注意： 都表示对“ 注意： u+, u– ,uo 都表示对“地”的电压 即各端的电位) (即各端的电位)

+–UEE

uo

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3. 理想运放工作在线性区的特点 因为 uo = Auo(u+– u– ) i– ∞ u– – uo 所以 差模输入电压约等于 0 + 所以(1) i+ u+ + 即 u+= u– ,称“虚短” 称 虚短” 电压传输特性 uo +Uo(sat) 线性区O

(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i– ≈ 0 ,称“虚断” 称 虚断” Auo越大，运放的 越大， 线性范围越小， 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。 其工作于线性区。

u +– u – –Uo(sat)

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4. 理想运放工作在饱和区的特点 uo 电压传输特性 +Uo(sat) 饱和区 u +– u –O

–Uo(sat) (1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或–Uo(sat) 输出只有两种可能, +U 当 u+> u– 时， uo = + Uo(sat) u+< u– 时，

uo = – Uo(sat) 虚短” 不存在 “虚短”现象 (2) i+= i– ≈ 0,仍存在“虚断”现象 仍存在“虚断”

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16.2 运算放大器在信号运算方面的运用集成运算放大器与外部电阻、电容、 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体 器件等构成闭环电路后， 器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进 行比例、加法、减法、微分、积分、对数、 行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反 对数、乘法和除法等运算。 对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深 运算放大器工作在线性区时， 度负反馈。所以， 度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的 关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和 参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。 参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。 改变输入电路和反馈电路的结构形式， 改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以 实现不同的运算。 实现不同的运算。

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16.2.1

比例运算动画

(2)电压放大倍数 ) 因虚断，i+= i– = 0 , 虚断， 所以 i1 ≈ if ui u i = u uo i1 = f RF R1 + uo – 因虚短, 所以 –=u+= 0, 虚短 所以u , 称反相输入端“ 称反相输入端“虚 地”— 反相输入的重要 式中负号表示 特点输出电压与输 入电压的相位 相反

1. 反相比例运算 (1)电路组成 ) if RF + ui – i1 R1 i–u– u+

– +

∞

+

R2 i+

以后如不加说明，输入、 以后如不加说明，输入、 输出的另一端均为地(⊥ 。 输出的另一端均为地 ⊥)。 因要求静态时u 因要求静态时 +、 u– 对 地的等效电阻相同， 地的等效电阻相同， 所以平衡电阻 所以平衡电阻 R2 = R1 // RF

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结论： 结论：① Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加 为负值， 极性相反。 在反相输入端。 在反相输入端。 ② Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 有关， 身参数无关。 身参数无关。 ③ | Auf | 可大于 1,也可等于 1 或小于 1 。 ④ 因u–= u+= 0 , 所以反相输入端“虚地”。 所以反相输入端 虚地” 反相输入端“

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例：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ,RF = 50 k 。 电路如下图所示， 求：1. Auf 、R2 ; 2. 若 R1不变，要求 uf为 – 10,则RF 、 R2 应为 多少？ 不变，要求A 多少？ , RF 解：1. Auf = – RF R1 + ui – R1 R2 – +∞

= –50 10 = –5

2. 因 Auf = – RF / R1 = – RF 10 = –10 故得 RF = –Auf × R1 = –(–10) ×10 =100 k R2 = 10 × 100 (10 +100) = 9. 1 k

+

uo –

+

R2 = R1 RF

=10 ×50 (10+50) = 8.3 k

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2. 同相比例运算 (1)电路组成 ) RF R1 u ∞ – – + + R2 u+

(2)电压放大倍数 ) 因虚

断，所以u+ = ui 虚断，所以 R1 u = uo R1 + RF + uo – 因虚短，所以 虚短， u– = u+ = ui , 反相输入端不“虚地” 反相输入端不“虚地” RF uo = (1+ )ui R1

+ ui –

因要求静态时u 因要求静态时 +、u 对地 电阻相同， 电阻相同， 所以平衡电阻 2=R1//RF 所以平衡电阻R 平衡电阻可见同相比例运算电路的电压放大倍 必定大于1 而且仅由外接电阻的数值 数必定大于1,而且仅由外接电阻的数值 来决定，与运放本身的参数无关。 来决定，与运放本身的参数无关。

uo RF Auf = = 1+ ui R1

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结论： 结论：① Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加 为正值， 极性相同。 在同相输入端。 在同相输入端。 ② Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 有关， 身参数无关。 身参数无关。 ③ Auf ≥ 1 ,不能小于 1 。 ④ u– = u+ ≠ 0 ,反相输入端不存在“虚地”现象。 反相输入端不存在“虚地”现象。

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, 当 R1= ∞ 且 RF = 0 时， uo = ui , Auf = 1, 称电压跟随器。 称电压跟随器。 RF 由运放构成的电压跟 R1 ∞ ∞ 随器输入电阻高 输入电阻高、 随器输入电阻高、输出 – – + + + + uo + 电阻低，其跟随性能比 电阻低， + uo + + – R2 ui 射极输出器更好。 – – 射极输出器更好。 ui – 例： 7.5k +15V 左图是一电压跟随器， 左图是一电压跟随器， ∞ 电源经两个电阻分压后加在 – 15k + + 电压跟随器的输入端，当负 电压跟随器的输入端， + 变化时， RL uo 载RL变化时，其两端电压 15k uo不会随之变化。 不会随之变化。 –

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16.2.2

加法运算电路 动画因虚断，i– = 0 虚断， 所以 ii1+ ii2 = if

1. 反相加法运算电路 ii2 Ri2 if RF ui2 ii1 R ∞ i1 ui1 – u– + u+ + R2

uo –

ui1 u ui 2 u u uo + = + Ri1 Ri 2 RF因虚短, u–= u+= 0 虚短

加法运算电路就是在反相比例运 算电路的基础上， 算电路的基础上，在输入端再加 入几个输入信号而构成的， 入几个输入信号而构成的，为使 运放的两个输入端对称，要求： 运放的两个输入端对称，要求：

ui1 ui 2 uo 故得 + = Ri1 Ri 2 RF

平衡电阻： 平衡电阻： R2= Ri1 // Ri2 // RF

RF RF u o = ( u i1 + ui 2 ) Ri1 Ri 2

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2. 同相加法运算电路 RF R1 ui1 ui2 Ri1u– u+

动画

– + +

∞

方法1: 方法1: 根据叠加原理 ui1单独作用(ui2=0)时， 单独作用( 0)时 + u′ = Ri 2 uo + Ri1 + Ri 2 –

′ u+ = ? ui1

RF ′ uo = (1+ )u′ Ri2 + R1 同理， 同理，ui2单独作用时 RF Ri 2 = (1 + ) ui1 RF Ri1 R1 Ri1 + Ri 2 ′ uo′ = (1+ ) ui 2 R1 Ri1 + Ri 2

RF Ri 2 Ri1 uo = (1+ )( ui1 + ui 2 ) R1 Ri1 + Ri 2 Ri1 + Ri 2

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方法2: 方法 ：

RF R1 ui1 ui2 Ri1 Ri2 – + u+ +∞

RF

uo = (1+ )u+ R1

u+=?

+ uo –

Ri 2 Ri1 u+ = ui1 + ui 2 Ri1 + Ri 2 Ri1 + Ri 2

平衡电阻： 平衡电阻： Ri1 // Ri2 = R1 // RF

RF Ri 2 Ri1 uo = (1 + )( ui1 + ui 2 ) R1 Ri1 + Ri 2 Ri1 + Ri 2也可写出 u–和 u+的表达式，利用 u–= u+ 的性质求解。 的表达式， 的性质求解。

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