第八章-集成運算放大器課件

第8

章

集成運算放大器（IOP）8.1集成運算放大器簡介8.2運放的線性應用電路8.3運放的非線性應用電路8.4使用中的一些問題內(nèi)容提要運算放大器實質(zhì)：高開環(huán)放大倍數(shù)并帶有深度負反饋的直接耦合多級放大電路一、方框圖8.1.1OP的組成（P2277.1）簡單運算放大器同相反相輸入級的零點漂移小，具有較大的共模抑制比，輸入阻抗高，一般為雙入-雙出差動放大電路。中間級將雙出變?yōu)閱纬霾⑦M行電平轉(zhuǎn)移使uo

靜態(tài)為0，具有很高的放大倍數(shù)。輸出級采用OCL（無輸出電容的互補功率輸出），輸出阻抗小，帶負載能力強。二、符號

(a)(b)

(a)國家標準符號(b)原符號

‘v+’（‘vP’）——同相輸入端

‘v-’（‘vN’）——反相輸入端

‘vo’——輸出端

另外：正、負電源端，補償端和調(diào)零端等集成運放的符號和電壓傳輸特性在線性區(qū)域線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)兩個工作區(qū)域運放的電壓傳輸特性設：電源電壓±VCC=±10V。運放的AVO=104│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。AVO越大，線性區(qū)越小，當AVO→∞時，線性區(qū)→0AVO為開環(huán)放大倍數(shù)理想運放工作在線性區(qū)的條件：電路中有負反饋！非線性區(qū)（正、負飽和輸出狀態(tài)）運放工作在非線性區(qū)的條件：電路中開環(huán)工作或引入正反饋！運放工作在非線性區(qū)的分析方法：“虛斷”

三、型號命名

數(shù)字序號

(與世界上其它廠家同類型產(chǎn)品的序號相同。)

其它例如:集成功率放大器的型號命名CD－－－－

集成穩(wěn)壓器的型號命名CW－－－－第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分字母符號國標字母器件類型數(shù)字品種字母工作條件字母封裝符號意義符號意義符號意義符號意義C中國制造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS線性放大音響電視穩(wěn)壓器接口電路非線性CERM0~70C-40~85C-55~85C-55~125CWBFDPJKT陶瓷扁平塑料扁平全封閉扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金屬菱形金屬圓形CF741目前，集成電路的命名國際上還沒有一個統(tǒng)一的標準，各制造公司都有自己的一套命名方法，給我們識別集成電路帶來很大的困難，但各制造公司對集成電路的命名存在一些規(guī)律。NationalSemiconductorCorp.（國家半導體公司〕

AD：A/D轉(zhuǎn)換器；DA：D/A轉(zhuǎn)換器；

CD：CMOS數(shù)字電路；LF：線性場效應；

LH：線性電路（混合〕；LM：線性電路〔單塊〕；

LP：線性低功耗電路。

LM324N3字頭代表民品LM224N2字頭代表工業(yè)級LM124J1字頭代表軍品

LF356BI-FET單運算放大器運算放大器外形圖運算放大器外形圖F007(A741)

電路原理圖F007(A741)

電路中的放大電路部分

一、靜態(tài)參數(shù)

1.輸入失調(diào)電壓Uio

：(inputoffsetvoltage)

對稱性

mV/uV

2.輸入失調(diào)電流

Iio

：(inputoffsetcurrent)

Iio=I+-I-uA/pA

3.輸入偏置電流IB

：(inputbiascurrent)Iio=(I++I-)/2平均值

nA8.1.2主要參數(shù)4.輸入失調(diào)電壓溫漂

dUio/dT5.輸入失調(diào)電流溫漂dIio/dT

6.最大差模輸入電壓Uidmax

超過反向擊穿7.最大共模輸入電壓Uicmax

超過時差動對管飽和，放大器不能正常工作。P2297.1.4二、動態(tài)技術指標

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Auo

沒有外接反饋電阻（即開環(huán)）時的電壓放大倍數(shù)105～107，80dB～140dB.

理想運算放大器是∞

2.差模輸入電阻rid

4.共模抑制比

KCMRR

3.差模輸出電阻rod

5.轉(zhuǎn)換速率SR（SlewRate壓擺率）

反映對信號變化速度的適應能力（V/s）。簡化的集成運放低頻等效電路一、通用型二、高速型和寬帶型三、高精度(低漂移型）四、高輸入阻抗型五、低功耗型六、功率型*運放分類簡介通用型專用型性能指標比較適中某些技術指標比較突出輸入失調(diào)電壓：1～2

mV輸入失調(diào)電流：20

nA差模輸入電阻：2

M開環(huán)增益：100

dB共模抑制比：90

dB輸出電阻：75

共模輸入電壓范圍：13

V轉(zhuǎn)換速率：0.5

V/s一、通用型技術指標比較適中，價格低廉。典型：CF741(A741)例如：

CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357

二、高速型和寬帶型用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A，高速數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)等。帶寬：開環(huán)增益下降到1時的頻率

用于精密儀表放大器，精密測試系統(tǒng)，精密傳感器信號變送器等。例如：

OP177

CF714

三、高精度(低漂移型）

用于測量設備及采樣保持電路中。

例如：

AD549

CF155/255/355

四、高輸入阻抗型

用于空間技術和生物科學研究中，工作于較低電壓下，工作電流微弱。例如：

OP22正常工作靜態(tài)功耗可低至36

W。

OP290在0.8

V電壓下工作，功耗為24W

。

CF7612在5

V電壓下工作，功耗為50W

。五、低功耗型

這種運放的輸出功率可達1W以上，輸出電流可達幾個安培以上。例如：LM12

TP1465六、功率型1.Auo→（實際上Auo≥80dB即可）一、四個條件2.差模輸入電阻Rid→

3.輸出電阻Ro→08.1.3理想運放的條件與特性

4.KCMRR→∞_++uid理想運放符號P228

7.1.3條件：☆線性運用(在深度負反饋下）

二、線性與非線性應用時的兩個特性

(1)虛短兩輸入端視為等電位（

）

(2)虛斷

兩輸入端視為等效開路（）∵差模輸入電阻Rid→∵典型運放的電壓傳輸特性1：∞_++uiduid(mV)uo(V)2-24-4-5510+UCC-10-UEE負飽和－Uo(sat)正飽和+Uo(sat)線性工作區(qū)典型運放的電壓傳輸特性2：∞_++uiduid(mV)uo(V)2-24-4-5510+UCC-10-UEE負飽和－Uo(sat)正飽和+Uo(sat)線性工作區(qū)條件：☆非線性運用(無負反饋或正反饋下）

(1)工作在非線性區(qū)，輸出電壓只種狀態(tài)。

(2)虛斷

兩輸入端視為等效開路（）∵差模輸入電阻Rid→∴由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。理想運放的條件虛短路放大倍數(shù)與負載無關。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。虛開路運放工作在線性區(qū)的特點8.2運放的線性應用電路（信號運算）理論上有無限的帶負載能力（P2397.3）由運放為放大電路組成的運算電路均工作在線性工作區(qū)，并且輸入、輸出信號均以“地”為參考點。在運算電路中，以輸入電壓為自變量，以輸出電壓為函數(shù)，通過對輸入端子及反饋電路的不同組合，實現(xiàn)各種數(shù)學運算功能，通過輸出電壓反映運算結果。這就是運算電路的基本思想?！斑\算放大器”也因此得名。比例運算電路微積分運算電路反相比例運算電路同相比例運算電路電壓跟隨器微分運算電路積分運算電路加減運算電路反相求和電路同相求和電路差分電路其他運算電路指數(shù)運算電路對數(shù)運算電路乘法運算電路除法運算電路i1=iFuo_++RFR1RPuii1id1.放大倍數(shù)虛短路虛開路一、反相比例運算電路虛開路iF運算放大器在線性應用時同時存在虛短和虛斷2.電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。RP=R1

//RF為使兩輸入端對地直流電阻相等uo_++RFR1RPuii1iF為保證一定的輸入電阻，當放大倍數(shù)大時，需增大RF，4.共模電壓電位為0，虛地輸入電阻小、共模電壓為0以及“虛地”是反相輸入的特點。_++R2R1RPuii1i23.反饋方式電壓并聯(lián)負反饋輸出電阻很??！電壓并聯(lián)負反饋電路+深度負反饋電壓負反饋電壓反饋與電流反饋的判斷（一）+電壓并聯(lián)電壓反饋與電流反饋的判斷（二）+電流并聯(lián)反饋網(wǎng)絡的分析電壓并聯(lián)電流并聯(lián)電壓串聯(lián)電流串聯(lián)反相比例電路的特點：共模輸入電壓為0，因此對運放的共模抑制比要求低。2.由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。3.由于并聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻小，因此對輸入電流有一定的要求。u+=u-

=0虛地Auf=Rf/R1T型反饋反相比例運算電路：_++R1R’uii1Rf1Rf2Rf3If1If2If3uORf1、Rf2、Rf3代替Rf求Au=?i1=i2虛短路虛開路為提高比例系數(shù)，采用T形網(wǎng)絡反相比例運算電路uoR2R1RPuiR4R3i1i2i4i3MA解：該放大電路，在放大倍數(shù)較大時，可避免使用大電阻。但R3的存在，削弱了負反饋。例：自舉擴展輸入電阻反相比例電路，求Ri。解：A1為一反相比例放大器，則A2也為一反相比例放大器，則有II=IR1－IR，而故二、同相比例運算電路_++RFR1R2uiuou-=u+=ui反饋方式：電壓串聯(lián)負反饋。輸入電阻高。虛短路虛開路結構特點：負反饋引到反相輸入端，信號從同相端輸入。虛開路同相比例電路的特點：3.共模輸入電壓為ui，因此對運放的共模抑制比要求高。（代價）1.由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。2.由于串聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻大。ri=∞，對KCMRR的要求高uIC=uiu+=u-

=uI此電路是電壓并聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。三、電壓跟隨器結構特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。_++uiuo電壓串聯(lián)負反饋電路+深度負反饋電壓負反饋四、反相求和運算(加法電路)R12_++R2R11ui2uoRPui1實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應不同的需要。i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響其它路輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調(diào)節(jié)方便。五、同相求和運算實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應不同的需要。-R1RF++ui1uoR21R22ui2此電路如果以u+為輸入，則輸出為：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+與

ui1

和ui2的關系如何？注意：同相求和電路的各輸入信號的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨調(diào)整。流入運放輸入端的電流為0（虛開路）疊加-R1RF++ui1uoR21R22ui2R′左圖也是同相求和運算電路，如何求同相輸入端的電位？提示：1.虛開路：流入同相端的電流為0。2.疊加定理求u+。R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，則

uO=uI1+uI2

Rf=2R1

同相加法運算（續(xù)）六、單運放的加減運算電路實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應不同的需要。R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6差動求和電路_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：單運放的加減運算電路的特例：差動放大器也可用疊加定理減法運算實際是差分電路_++R2R1R1ui2uoR2ui1差動放大器放大了兩個信號的差，但是它的輸入電阻不高（=2R1）,這是由于反相輸入造成的。反相求和式減法電路（雙運放）應用較為廣泛

上圖所示是用加法電路構成的減法電路，第一級為反相比例放大電路，若Rf1=R1，則vO1=

–vS1；第二級為反相加法電路，可以推導出

若取R2=Rf2，則vo=vS1–vS2

由于兩個運放構成的電路均存在虛地，電路沒有共模輸入信號，故允許vS1、vS2的共模電壓范圍較大。

P244【例7-3-1】

運放電路—測量放大器uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+ⅠⅡuo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛開路：三運放電路是差動放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+例：由三運放放大器組成的溫度測量電路。uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt

：熱敏電阻集成化:儀表放大器Rt=f(t)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui選擇題

1.反相比例運算電路中，運放的反相輸入為___

。

A.接地點

B.虛地點

C.與地點無關2.反相比例運算電路的輸入電流基本上

流過反饋電阻Rf上的電流。

A.大于

B.小于

C.等于

D.無關3.

運算電路的電壓增益AVF為一Rf/R1。反相比例

B.同相比例

C.加法

D.減法4.___

比例運算電路的特例是電壓跟隨器，它具有Ri很大和Ro很小的特點，常用作緩沖器。反相比例

B.同相比例

C.加法

D.減法5.電路如下圖所示，設運放是理想的。當輸入電壓為+1V時，則VO=

V。A.

1

B.

2

C.

3

D.

4電壓跟隨器6.電路如下圖所示，設運放是理想的。當輸入電壓為+2V時，則VO=

V。A.

-4

B.

-5

C.

-7.5

vi=2Vvi’7.電路如上題圖所示，設運放是理想的。電阻RP的值應約為

k。A.

1

B.

1.7

C.

10

D.

2.38.電路如下圖所示，設運放是理想的。當輸入電壓為+1V時，則輸出電壓VO=

V。A.

-1

B.

+1

C.

-2

D.

+2vi0.5V1V-1V9.電路如下圖所示，設運放是理想的。當輸入電壓為+1V時，則流過電阻Rf的電流If為

mA。A.

0.5

B.

-0.5

C.

0.25

D.

-0.25

vi答案：1.B

2.C

3.A

4.B

5.A

6.B

7.B

8.D

9.A

課堂練習u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若輸入：則：七、微分運算i1iFtui0tuo0輸入方波，輸出是三角波。ui-++RR2Cuo八、積分運算應用舉例1：=當uI

=UI時，設uC(0)=0

時間常數(shù)

=

R1Cf積分運算電路在不同輸入情況下的波形移相90°時間延遲方波轉(zhuǎn)換為三角波同相積分運算電路圖C1=C2=C推導過程:∵uN≈uP∴PID調(diào)節(jié)器電路圖比例-積分-微分調(diào)節(jié)器常用于自動控制系統(tǒng)中做為一種經(jīng)典的控制算法。在計算機控制系統(tǒng)中，需要將其進行離散化。在常規(guī)調(diào)節(jié)中，比例運算、積分運算常用來提高調(diào)節(jié)精度，而微分運算則用來加速過渡過程?！纠}】:電路如圖1所示,uc(0)=0V，輸出電壓的最大值|UO(sat)|=10V，輸入信號的波形如圖2所示，R=1MΩ。試求：當C=1μF和C=0.05μF時的輸出波形。ui-++RRCuo圖1t/sui/V+1-1123457680圖2解答：（1）當C=1μFt/suo/V-1-2123457680圖3解答：（2）當C=0.05μF

則RC=0.05st/suo/V123457680圖4-10+10例.電路如圖(a)所示，若R1=1KΩ，R2=2KΩ，C=1μF，ui1

和ui2的波形如圖（b）所示，在t=0時uC=0，試畫出uo的波形圖。解：利用疊加原理可得輸出為在0≤t＜2ms時，ui2=0，這時在t=2ms時在t＞2ms時，ui2=-2V，這時所以,uo的波形如圖（b）所示?！娏?電壓轉(zhuǎn)換電路

是一種

信號轉(zhuǎn)換電路，在工業(yè)控制儀表中應用十分廣泛。電流－電壓轉(zhuǎn)換電路uo_++RFR2iiFu+u-反相輸入端是“虛地”電壓－電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路這里負載無接地點。實用的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路R1=R2=R3=R4=R推導：A1是同相求和運算電路，A2是電壓比較器。小結1.運算電路的兩種基本形式同相輸入反相輸入2.運算電路的分析方法運用“虛短”和“虛斷”的概念分析電路中各電量間關系。運放在線性工作時，“虛短”和“虛斷”

總是同時存在。虛地只存在于同相輸入端接地的電路中。2)

運用疊加定理解決多個輸入端的問題。

8.3.1比較器

8.3.1.1概述

8.3.1.2三種比較器

8.3.1.3比較器的應用

8.3.2非正弦波發(fā)生電路——運放非線性應用（開環(huán)或正反饋）8.3

比較器和非正弦波發(fā)生電路P2399.68.3.1比較器

將一個模擬電壓信號與一個門限電壓相比較，輸出一定的高低電平。

門限電壓VT

：使輸出電壓發(fā)生跳變時的輸入電壓(Threshold)閾值電壓閥值電壓8.3.1.1概述功能：特性：

非線性開關特性（高低電平）1、電路2、傳輸特性曲線8.3.1.2

三種比較器分析方法：

對于開環(huán)或正反饋運放：如果“+”端電位高，正飽和如果“”端電位高，負飽和一、單門限(固定幅度)~限幅電路P2409.6.2電路圖和傳輸特性曲線如圖所示。(a)(b)(a)電路圖(b)傳輸特性曲線3、特例——過零比較器電壓比較器的輸出限幅電路將穩(wěn)壓管接在反饋通路中保護了輸入級并且不需要從飽和區(qū)脫離的時間一般單限比較器及其電壓傳輸特性設計一個簡單的電壓比較器，要求如下：

UREF=2V；輸出低電平約為-6V，輸出高電平約為0.7V；當輸入電壓大于2V時，輸出為低電平。

解：因輸入電壓大于2V時，輸出為低電平。故輸入信號應加在反相輸入端，同相輸入端加2V的參考電壓。又因輸出低電平約為-6V，輸出高電平約為0.7V，故可采用具有限幅作用的硅穩(wěn)壓管接在輸出端，它的穩(wěn)定電壓為6V。當輸出高電平時，穩(wěn)壓管作普通二極管使用，其導通電壓約為0.7V，故輸出電壓為0.7V；當輸出低電平時，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓為6V，故輸出電壓為-6V。綜上所述，滿足設計要求的電路如下圖所示。電路如下圖所示uo-++uIDZUZ=6VUREF=2VP241【例9-7】【例9-8】【例題】電路如下圖所示uo1-++R=1KC=1μFuo-++uIDZ過零比較器積分器UZ=±6VuC(0)=0V正弦信號T=2msUim=1V問題:1、電路由哪幾部分組成。2、由uI畫出uO1、uO

的波形。3、計算uO的幅度。解答:1、電路過零比較器和積分器組成。2、由uI畫出uO1、uO

的波形。（見下圖）t/suO1/V+1-1123413240t/ms0uI/V+6V

－6VuO/VuO的幅度為6V

單門限電壓比較器雖然有電路簡單、靈敏度高等特點，但其抗干擾能力差。例如，在單門限電壓比較器的下圖中，當vI中含有噪聲或干擾電壓時，其輸入和輸出電壓波形如圖所示，由于在vI=Vth=VREF附近出現(xiàn)干擾，vO將時而為VOH，時而為VOL，導致比較器輸出不穩(wěn)定。如果用這個輸出電壓vO去控制電機，將出現(xiàn)頻繁的起?，F(xiàn)象，這種情況是不允許的。提高抗干擾能力的一種方案是采用遲滯比較器。二、雙門限（滯回、遲滯）比較器上限閾值下限閾值傳輸特性：或已知：則，兩門限：回差電壓電壓串聯(lián)正反饋閾值隨輸出信號的大小與極性而變化.1．電路組成

遲滯比較器是一個具有遲滯回環(huán)特性的比較器。圖a所示為反相輸入遲滯比較器原理電路，它是在反相輸入單門限電壓比較器的基礎上引入了正反饋網(wǎng)絡，其傳輸特性如圖b所示。如將vI與VREF位置互換，就可組成同相輸入遲滯比較器。

滯回比較器特點：uI

從小逐漸增大，以及uI從大逐漸減小時，兩種情況的門限電平是不同的。（a）（b）2．門限電壓的估算

由于比較器中的運放處于開環(huán)狀態(tài)或正反饋狀態(tài)，因此一般情況下，輸出電壓vO與輸入電壓vI不成線性關系，只有在輸出電壓發(fā)生跳變瞬間，集成運放兩個輸入端之間的電壓才可近似認為等于零。設運放是理想的并利用疊加原理，則有上限閾值下限閾值回差電壓（針對輸入）（針對輸入）設電路參數(shù)如圖a所示，Vom+=5V,Vom-=-5V3．傳輸特性分析過程:vIvOOVOM+VOM－VT+VT－傳輸特性

滯回比較器波形圖

可見，遲滯比較器的門限電壓是隨輸出電壓vo的變化而改變的。它的靈敏度低一些，但抗干擾能力卻大大提高了。

【例】設電路參數(shù)如圖a所示，輸入信號vI的波形如圖c所示。試畫出其傳輸特性和輸出電壓vO的波形。VT+VT-R2R1R4R3+－Avi/Vvo/V解答：解：1.求門限電壓由于Vref=0，根據(jù)求門限電壓的公式有2.畫傳輸特性見圖（b)3．畫出vO的波形根據(jù)圖b、c可畫出vO的波形依此類推，可畫出vO的波形，如圖d所示。由圖可知，雖然vI的波形很不“整齊”，但得到的vO是一近似矩形波。因此，圖a所示電路可用于波形整形。具有遲滯特性的比較器在控制系統(tǒng)、信號甄別和波形產(chǎn)生電路中應用較廣。±6V同相輸入時的滯回比較器☆習題9-1850K100K三、窗口比較器

1、電路設R1=R2，則兩門限：

2、傳輸特性用來檢測輸入電壓是否在兩個給定電壓之間.8.3.1.3比較器的應用主要用于：對輸入波形進行整形，即將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出(a)正弦波變換為矩形波(b)有干擾正弦波變換為方波用比較器實現(xiàn)波形變換通過以上三種電壓比較器的分析,可得如下結論:1、在電壓比較器中，集成運放多工作在非線性區(qū)，輸出電壓只有高電平和低電平兩種可能情況。2、一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關系。3、電壓傳輸特性的三個要素是①輸出電壓的高、低電平，②閾值電壓和③輸出電壓的躍變方向。輸出電壓的高、低電平的值取決于限幅電路；令u+=u-所求出的uI

就是閾值電壓；uI

等于閾值電壓時輸出電壓的躍變方向決定于輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端。8.3.2.1方波發(fā)生電路8.3.2.2三角波發(fā)生電路

※8.3.2非正弦波發(fā)生電路

8.3.2.1方波發(fā)生電路一、構成要點：1、比較器能持續(xù)翻轉(zhuǎn)2、周期控制（RC定時電路）二、工作原理：設電源剛接通(t=0)時,動畫14-1方波發(fā)生器波形圖三、占空比可調(diào)的矩形波電路