电工与电子技术第三章 集成运算放大器及其应用

Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数
Ad K CMR AC KCMR 越大，抑制共模信号越强。
第三节 集成放大器简介
集成运算放大器的特点 集成运算放大器的简单介绍
集成运算放大器的主要技术指标
集成运算放大器的理想化模型
集成运算放大器的电压传输特性及其分 析特点
一、集成运算放大器的特点
集成电路：将整个电路中的元器件制作在
反馈电路
ud
闭环系统：加上反馈网络时 的电路系统，此时的放大倍 数叫闭环放大倍数。 uO 理想运放的电压传输特性
－ ＋ ＋∞
开环系统：不加反馈网络时 的电路系统，此时的放大倍 数叫开环放大倍数。 uo
ui ≠0， |uO|＝±UOM
即u+ ≠ u－时，运放处 于非线性区。
+UOM －UOM
ui
u－ 运算放大器的分析特点 ui AOUi uo u+ 1. 线性区 uO＝AO（u＋－u－） 虚短 AO≈∞ 集成运放两个输入端 之间的电压通常非常接 u＋－u－≈uo／AO≈0 近于零，但不是短路， u＋≈u－ 故简称为“虚短”。
四、集成运算放大器的理想化模型
实际运放 u－ ui u+ ri ro uo
AO很高，> 104
ri很高，几十~几百KΩ rO很低，几十~几百Ω KCMR 很高 AO＝∞ ri=∞ rO=0 KCMR＝∞
AOUi
理想运放 u－ ui u+
AOUi
uo
五、集成运算放大器的电压传输特性 及其分析特点
运算放大器的电压传输特性 集成运放的输出电压uO与输入电压ui (u+－u－) 之间的关系uO＝f (ui) 称为集成运放的电压传输特 性。 u ＝A u uO 非线性区 O O i 引入深度负反馈， ) = AO(u+－u－ +UOM 可以使运放工作 ui < ，运放饱和， ui > |UiM||UiM| ， 在线性区。 ui 运放工作在线性区 工作在非线性区 －UOM 线性区
第四节 集成运放在信号运算 电路中的应用
分析线性区理想运放的两的两个概念
虚短
u＋≈u－
虚断
u－ u+
I－
AOUi
uo
I+
I－≈I+ ≈0
二、基本运算电路
比例电路 1. 反相比例电路 Rf if ui
R1
i1
－ ＋ ＋∞
R2
A uf
Rf uo ui R1
ui 1 ui 2 ui 3 ) uo R f ( R1 R2 R3
若 R1 R2 R3 R f
u
o
(ui1 ui 2 ui 3)
平衡电阻 RP R1 // R2 // R3 // R f
在调节某一路信号的输入电阻的阻值时， 不影响其它输入电压与输出电压的比例关系， 调节方便。 求和电路也可从同相端输入，但同相求和 电路的共模输入电压较高，且不如反相求和电 路调节方便。
当u＋＝0 （接地） u － ≈ u ＋≈ 0 称此时的反相输入端为“虚地点”。反之， 也成立。
虚断
I+ 流入集成运放两个 输入端的电流通常为零， ∵ ri≈∞ 但又不是断路故简称为 I－≈I+ ≈0 “虚断”。
u－ u+
I－
AOUi
uo
2. 非线性区 在非线性区，虚短概念不成立，但虚断 概念成立。
ui uo ui Rf R1
i1=（0－u i）／R1 if = (u－－uo )／Rf =( u i－uo)／Rf ∵ i －≈ i +＝0 ∴ i 1＝ i f
R2－－平衡电阻 R2＝R1//Rf 当Rf＝有限值时，R1＝∞ Auf =1 → 电路成为电压 跟随器。 uo＝ui 此电路输入电阻大，输出 电阻小。 －＋ +∞ uo
减法运算电路（差动运算电路） Rf if 利用叠加原理 R1 i1 ui 1 0 (ui 1 接地) u ui1 i1 － ＋ uo 同相端输入 ui2 ＋∞ R2 R Rf R3 3 ) ui 2 uO1 (1 )( R1 R2 R3 ui 2 0 (ui 2 接地） u0 u01 u02 Rf Rf R3 反相端输入 (1 )( ) ui 2 ui 1 Rf R1 R2 R3 R1 u02 ui 1 R1
共模输入（干扰信号）
ui ui1 ui 2 0
I IC 2 U差动放大电路对差模信号有放大作用， uO UCE1 UCE 2 0 CE 1 UCE 2
C1
对共模信号有抑制作用。
AC 0
共模抑制比（KCMR）
KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。
温度上升，引起两边电流变化
C1
UCE 1 UCE 2 I IC 2 UO UCE 1 UCE 2 0
由于电路对称，零漂被抑制。 2. 动态工作原理 差模信号－－极性相反，幅值相同的信号。 u i1=－u i2 共模信号－－极性相同，幅值相同的信号。 u i1= u i2
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i f i1 i 2 i 3 u u 0 ui 2 ui 1 i2 i1 R2 R1
加法运算电路 i i 0
ui1 ui2 ui3
R1 i1
Rf － ＋∞
if ＋ uo
R2 i2
R3 i3
RP
u0 u0 ui 1 ui 2 ui 3 ui 3 if i3 Rf R1 R2 R3 Rf R3
差模输入（信号） ui 2 ui IC1 IC 2 ui1 2 UCE 1 UCE 2 u0 UCE1 Δ UCE 2 2 UCE1
A d 2 UCE 1 / u i 2 UCE 1 / 2u i1 UCE 1 / u i1
－ ＋ +
12K
uo2 50K A2 100K 60K
30K
i1 i C （虚断） ui R i1 ui uO R － ＋ i1 uo ui t 1 ∞ ＋ uC i C dt RP C －UOM uO uC t 1 u0 uo正比于ui的积分 ui dt RC 平衡电阻 RP R
例：如图，求uo 。
－0.3V
20K 11K
80K 100K － A3 ＋ ＋
50K － ＋ A1 uo1 +
uo
0.4V
12K
解： A1：反相比例 A2：同相比例 A3：差动输入
80 12 60 100 ) ( 0.3)0.412V6V . 0. u01 ( ( u02 1 ( u)02 u01)1.2V u0 30 5020 12 12
F
uo
三、集成运算放大器的主要技术指标
1. 输入失调电压UiO 3. 开环差模放大倍数Auo 当无输入信号时，为使输出的电压值为零， 运放在开环时的差模放大倍数 在输入端加入的补偿电压。 其值越高越好 （104～107） 其值越小越好 （0.5～5mV） 2. 最大输出电压U 5. 输入失调电流IiO opp 输入电压为零时，流入放大器两个输入端 输出不失真的最大输出电压值 的静态基极电流之差。 IiO＝IB1－IB2 6. 共模抑制比KCMR 其值越小越好 （1nA~10nA）
R2－－平衡电阻 同相端与地的等效电阻 。其作用是保持输入 级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。 R2＝R1//Rf
2. 同相比例电路 Rf if R1 i1 － ＋ ＋∞ ui R2
∵ i+≈0 （虚断） ∴ u +＝ ui u +≈ u －≈ ui （虚短）
uo
Auf
Rf uo 1 ＋ ui R1
一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的
电子电路。
运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、 低输出电阻的直接耦合放大器。
二、集成运算放大器的简单介绍
1. 集成运放的组成 抑制零漂，共 模抑制比高 差动输 输入 入级 提供各级 静态电流 中间级 偏置电路 低输出电阻， 多采用射随器 输出级 输出 放大作用的 主要单元
第二节 差动放大电路
基本差动放大电路 典型差动放大电路 具有恒流源的差动放大电路
差动放大电路的输入输出方式
一、基本差动放大电路
RB2 RC RB1 V1 ui uo V2 RC RB2 RB1 ＋UCC
ui1
ui2
电路由两 个特性完全 相同的基本 放大电路组 成。
1. 抑制零点漂移的原理 静态时，Ui1=Ui2=0，由于电路对称 UCE 1 UCE 2 UO UCE 1 UCE 2 0 IC1 IC 2
uo＝5 ui2－4 ui1
RF RF (1 ) ui 2 ui 1 R1 R1
例：如图，求uo 与 ui1、ui2的关系式。 30KΩ ui1 6KΩ 10KΩ ui2 10KΩ － ＋ 10KΩ － A1 uo′ + ＋ ＋A2
uo
解: A1为反向加法器；A2为反相比例电路。
30 30 uo ' ( 6 ui1 10 ui 2) (5 ui1 3 ui 2) 10 uo 10 uo ' 5 ui 1 3 ui 2
ui
例：应用运放来测量电阻的电路如图，U＝10V， R1=1MΩ，输出端接电压表，被测电阻为Rx ，试 找出Rx与电压表读数uo之间的关系。 Rx 解: R1 此电路为反相比例电路 － ＋ U － A uo －R x ＋∞ V uf ＋ ui R1
－ ＋
R1 10 5 Rx uo uo 10 uO ui 10
6
例：理想化运放组成的电路如图，试推算输出 电压uo的表达式。 R2 解: 此电路为同相比例电路 R1 u0 1 R 2 － ＋ uo u+ u ui R1 ＋∞ ui R3 R R4 4 判断这个等式 √ ui × 、 u