第16章教案 电工学 电子技术(第七版) 秦曾煌

第16章集成运算放大器本章要求1. 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，掌握其基本分析方法。

3. 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理。

4. 理解电压比较器的工作原理和应用。

本章重点理想运放的传输特性、运放电路的分析方法。

本章难点运放电路的分析方法。

教学方法讲授法、演示法、练习法教学手段多媒体教学教学时数6学时学时分配16.1 集成运算放大器的简单介绍前面讲述的是分立元件以及用分立元件组成的电路。

本章讲述一种发展最早的集成电路－－集成运算放大器。

集成电路的问世标志了电子技术进入微电子学时代。

按功能划分，可分为数字集成电路和模拟集成电路；按集成度划分，可分为小规模、中规模、大规模和超大规模集成电路。

集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。

是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。

16.1.1 集成运算放大器的特点特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸 A u o 高: 80dB~140dB 集成运放的符号： r id 高: 105 ~ 1011Ω r o 低: 几十Ω ~ 几百Ω K CMR 高: 70dB~130dB16.1.2 电路的简单说明外形及管脚的作用 2—反相输入端 3--同相输入端 6--输出端 4--正电源端 7--负电源端 1、5--接调零电位器 8--闲置端（NC ）输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放 。

中间级：要求电压放大倍数高。

常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。

输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。

16.1.3 主要参数1. 最大输出电压 U OPP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 A u o运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

A u o 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 U IO4. 输入失调电流 I IO 。

愈小愈 好5. 输入偏置电流 I IB6. 共模输入电压范围 U ICM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。

16.1.4 理想运算放大器及其分析依据u ou +u –1.理想运算放大器A u o → ∞ ， r id → ∞ ， r o → 0 ， K CMR → ∞2.电压传输特性 u o = f (u i )线性区：u o = A u o (u +– u –)非线性区：u +> u – 时， u o = +U o(sat)u +< u – 时， u o = – U o(sat)3.理想运放工作在线性区的特点因为 u o = A u o (u +– u – )(1) 差模输入电压约等于 0即 u + ≈ u – ,称“虚短”若同相端接地，反向端有输入时， u – ≈0，称“虚地”(2) 输入电流约等于 0即 i += i – ≈ 0 ,称“虚断”4.理想运放工作在饱和区的特点电压传输特性(1) 输出只有两种可能, +U o (s a t ) 或–U o (s a t ) 当 u +> u – 时， u o = + U o(sat)u +< u – 时， u o = – U o(sat) 不存在 “虚短”现象(2) i += i – ≈ 0,仍存在“虚断”现象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、半导体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、反对数、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。

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。

16.2.1 比例运算1.反相比例运算以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地(⊥)。

因虚断，i += i – = 0 ，所以 i 1 ≈ i f1i 1R u u i --=Fo f R u u i -=-因虚短, 所以u –=u += 0，i fR Fu +i Fu R R u 10-= 1R R u u A F i o uf -==结论：① A u f 为负值，即 u o 与 u i 极性相反。

因为 u i 加在反相输入端。

② A u f 只与外部电阻 R 1、R F 有关，与运放本身参数无关。

注意:这个结论非常重要。

使用运放时，可以通过选择R 1、R F ，来精确确定u o 与 u i 的关系。

③ | A u f | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。

2. 同相比例运算因虚短，所以u + = u io Fu R R R u +=11_因虚断，所以 u – = u i ， 反相输入端不“虚地”o Fu R R R u +=11_11R R u u A F i o uf +==结论：① A u f 为正值，即 u o 与 u i 极性相同。

因为 u i 加在同相输入端。

② A u f 只与外部电阻 R 1、R F 有关，与运放本身参数无关。

③ A u f ≥ 1 ，不能小于 1 。

④ u – = u + ≠ 0 ，反相输入端不存在“虚地”现象。

当 R 1= ∞ 或 R F = 0 时，u o = u i ， A u f = 1，称电压跟随器。

由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好16.2.2 加法运算电路因虚断，i – = 0 所以 i i1+ i i2 = i fFo i i i i R u R u R u =+2211 因虚短, u –= u += 0Foi i i i R u R u R u =+2211 u o R Fu i R 2R 1+ +––++∞ – ∆u +u – u o u i++ – –++ ∞–∆i i2i f u u o u + –)u R Ru R R (u i212F i111F o +=－ 16.2.3 减法运算电路由虚断可得2212i u R R Ru +=+11111 R R R u u u u u u Fi o i R i +-+=+=-由虚短可得：+-=u u11221211i F i F o u R Ru R R R )R R (u -++= 其中R 2 // R 3 = R 1 // R F如果取 R 1 = R 2 ，R 3 = R F()121i i Fo u u R R u -=如 R 1 = R 2 = R 3 = R F12i i o u u u -=输出与两个输入信号的差值成正比。

16.2.4 积分运算电路由虚短及虚断性质可得i 1 = i fdtduC R u c F i =1dt du C o F -=当电容C F 的初始电压为 u C (t 0) 时，则有()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=⎰0101t u u C R u c tt i Fo ()0101t u u C R ott iF +-=⎰当电容C F 的初始电压为 0 时，则有⎰-=i Fo u C R u 11若输入信号电压为恒定直流量，即 u i = U i 时u i2 u o R Fu i1 R 3R 2 ++ ∞ –∆ R 1+ –++– –i f u +u C⎰-=dt U C R u i Fo 11t C R U F 1i －= 线性积分时间 F iOMC R U U t 10≤≤ 采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故 u o 是时间 t 的一次函数，从而提高了它的线性度。

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。

电路的输出电压⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎰dt U C R u R R u i F i F o 111上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。

改变 R F和 C F ，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。

16.2.5 微分运算电路由虚短及虚断性质可得i 1 = i f Fo i R u dt du C -=1dtdu C R u iF o 1-=若输入信号电压为恒定直流量，即 u i = U i 时–U + UF u i +R Ffu i R F+i f比例-微分运算电路输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中， PD 调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。

16.3 运放在信号处理方面的应用16.3.1 有源滤波器滤波器是一种选频电路。

它可以抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。

无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。

缺点是低频时体积大，很难做到小型化。

有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。

优点是体积小、效率高、频率特性好。

按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。

1. 有源低通滤波器设输入为正弦波信号, 则有iC1j1jU CR C U U ωω--==+ ++=U R R U )(11F o 01F1F io j11j 11ωωω++=++=R RRCR R U U 频率称为截止角RC 1: 0=ω 式中当ω >ω0时，| T (j ω)| 衰减很快 显然，电路能使低于ω0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于ω0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。

为了改善滤波效果，使 ω > ω0 时信号衰减得更快些，常将两节RC 滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。

C 1 u i R F+i f i C u i u o R Fu C CR++ ∞ – ∆ R 1+ –+ + ––幅频特性 21u A 0| A u f02. 有源高通滤波器ωωωωω01F i o j 11)(j )(j )(j -+==R R U U T ωω0f0j 1-=u A式中RC10=ω称为截止角频率可见，电路使频率大于ω0 的信号通过 ，而小于ω0 的信号被阻止，称为有源高通滤波器。

16.3.2 采样保持电路采样保持电路，多用于模 - 数转换电路（A/D ）之前。

由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。

用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。

工作原理在模拟开关上加采样脉冲采样阶段： u G 为高电平， S 闭合(场效应管导通)，u i 对存储电容C 充电， u o = u C = u i 。