13春 电子 第16章 集成运算放大器s

例：已知ui画出uo的波形。 R1 – + R2 + + + + ui uo UR – – –
ui UR O
t1 t2
t
+Uo(sat) uo UR O –Uo(sat)
传输特性
+Uo(sat) ui
uo
O –Uo(sat)
t
输入信号接在反相输入端 R1 – + R2 + + + + ui uo UR – – – 输入信号接在同相输入端 R1 – + R2 + + + + UR uo ui – – – 当 ui < UR 时，uo= – Uo(sat)； ui > UR 时，uo= +Uo(sat)。

解： 右图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟 随器的同相输入端。
uo = u+ = 7.5V
当负载RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。
16.2.2 加法运算
反相加法运算电路 因虚断，i– 0，所以if= ii1+ ii2 u uo ui1 u ui 2 u RF R11 R12 因虚地，u– 0。 uo ui1 ui 2 RF R11 R12 RF RF uo ( ui1 ui 2 ) R11 R12 法二：叠加定理 当R11 = R12 = RF，uo= – (ui1 +ui2)
因为 ui 加在同相输入端。 当R1 = 或 RF = 0 时，
RF R1 u– R2 – + u+ +

+ uo –
RF R2 R1 – + + – + +

uo
uo= ui ，Auf=1，称电压跟随器。
ui
R2
uo
例16.2.2 计算图中uo的大小。
7.5k +15V 15k 15k – + + + RL uo –
+UCC
u– u+
Auo – + +

uo
O
实际特性
u+ – u–
–UEE 集成运放的符号
饱和区 –Uo(sat) 线性区 (1) 线性区：uo = Auo(u+– u–) 。 输出只有两种可能，+Uo(sat)或–Uo(sat) 。 (2) 饱和区：
16.1.4 理想运算放大器及其分析依据
1. 理想化的主要条件 Auo ， rid ， ro 0 ， KCMRR 。 2. 理想运算放大器的特点和分析方法 (1) 线性区： uo = Auo(u+– u–) ① rid ，i+= i– 0，称“虚断” 。 ② Auo ，u+ u– ，称“虚短”；
平衡电阻 R2 ui = 0 uo = 0 u+ = u–
RF + ui – R1 i– R2 i+ – + +

u+ = – R2 i+
u– = – (R1 // RF )i–
+ uo –
i+ = i– R2 i+ = (R1 // RF )i– R1 i– 因要求静态时u+ ，u–对 – 地电阻相同，所以平衡电阻 R2 + R2 = R1 // RF。 + i+ 平衡电阻的求解步骤： 将输入端和输出端接地。求同相输入端到地的等效电阻， 反相输入端到地的电阻，令两者相等，就得到了电阻关系式。
+Uo(sat) uo UR O –Uo(sat)
传输特性
ui
+Uo(sat) O
uo UR ui
–Uo(sat) 传输特性
if RF + ii R1 R2 R3 – + +

ui1 + ui2 – –
+ uo –
两级运算放大器组成的电路计算 例16.2.6 下图是运算放大器的串级应用，试求输出电压 uo。 RF 解： A1是电压跟随 R1 – 器，因此uo1 = ui1 。 – A1+ u o1 R ui1 A2+ u + 2 o + ui2
ui1 ui2
ii1 R11 ii2 R12 R2 R11 R12 R2 R11
if
RF – + +

+ uo –
ui1
RF – + +

+ uo' –
RF – + +

ui2
R12 R2
+ uo" –
16.2.3 减法运算
两个输入端都有信号输入， 则为差分输入。 R3 ui 2 由虚断可得 u R2 R3 ii = if ui1 u u uo RF R1 因虚短，u– u+， R3 RF RF ) uo (1 ui 2 ui1 R1 R2 R3 R1 当 R1 = R2 = R3 = RF 时，uo = ui2 – ui1 输出电压与两个输入电压的差值成正比。
第 16 章 集成运算放大器
分立电路 (discrete circuit): 各种单个元件联接起来的电子电路。 集成电路 IC (integrated circuit): 将整个电路的各个元件以及相互之间的连接制造在一块半 导体芯片上。 集成电路的优点： 体积小、重量轻、功耗小、工作稳定、使用方便。 集成电路的分类： 集成度：小、中、大、超大规模集成电路； 功能：模拟集成电路、数字集成电路；

RF
2. 同相输入 因虚断，所以u+= ui； R1 u uo R1 RF + 因虚短，所以u– = u+= ui ， ui 反相输入端不“虚地”。 – R1 ui uo R1 RF uo RF 1 闭环电压放大倍数 Auf ui R1 Auf为正值，即 uo与 ui 极性相同。 ui
16.2 运算放大器在信号运算方面的应用
RF + ui – R1 R2 – + +

+ uo –
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。
16.2.1 比例运算
1. 反相输入 uo 闭环电压放大倍数 Auf ui 因虚断，i+= i– 0， 所以u+= 0 ，ii= if 。 ui u ii R1 u uo if RF + ui – R2
(Voltage Comparator) 作用是用来比较输入电压 +Uo(sat) uo 和参考电压(reference voltage)。 + ui – + UR – R1 R2 – + +

16.3.3 电压比较器
+ uo –
UR O –Uo(sat) ui
传输特性 运放处于开环状态。 当 ui < UR 时，uo= +Uo(sat)； 当 u+> u– 时，uo= +Uo(sat)； ui > UR 时，uo= –Uo(sat)。 u+< u– 时，uo= –Uo(sat)。 可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。
u+ – u–
例16.1.1 F007运算放大器的正、负电源电压为15V，开环电压 放大倍数Auo= 2105，输出最大电压(即 Uo(sat) )为13V。今在 下图中分别加入下列输入电压，求输出电压及其极性： (1) u+= +15V，u– = – 10V； (2) u+= – 5V，u– = +10V； (3) u+= 0V，u– = +5mV； (4) u+= 5mV，u– = 0V。 u– 解： uo = Auo(u+– u–) – uo + uo 13 u+ V 65μV u u + 5 Auo 2 10 可见，只要两个输入端之间的电压绝对值超过65V，输出 电压就达到正或负的饱和值。 (1) uo = 2105 (15+10) 10–6 V= +5V
(2) uo = 2105 (– 5 – 10) 10–6 V= – 3V (3) uo = –13 V (4) uo = 13V
练习与思考： P96 16.1.1 什么是理想运算放大器？理想运算放大器工作在线性区 和饱和区时各有何特点？分析方法有何不同？ 16.1.2 在例16.1.1中，若将反相输入端接“地”，即u– = 0V， 而在同相输入端输入正弦电压ui = u+ = 5sint mV。试画出uo的 ui /mV 波形。 – 5 uo 2 + + ui 0 t –5 uo 13 V 65μV u u 5 Auo 2 10 uo/V 13 运放工作在开环状态， 2 ui > 65V0时，uo = +Uo(sat) =13V 0 t ui < – 65V0时，uo = – Uo(sat) = – 13V –13
第 16 章 集成运算放大器
16.1 集成运算放大器的简单介绍 16.2 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 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题 理解 掌握 探究 了解
第 16 章 集成运算放大器
本章要求
1. 了解集成运算放大器的基本组成及主要参数的意义。 2. 理解运算放大器理想化的条件，理解运算放大器的电压传输 特性，并掌握其分析方法。 3. 理解用运算放大器组成的比例、加减、微分和积分运算电路 的工作原理。 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。
u– u+ uo
i– i+
– + +
uo
图形符号
+Uo(sat) O
理想特性
(2)饱和区： –Uo(sat) 输出只有两种可能，+ Uo(sat)或–Uo(sat) u+> u– 时， uo = + Uo(sat) 传输特性 uo= f (ui) u+< u– 时， uo = – Uo(sat) ①存在“虚断”现象；②不存在 “虚短”现象。
if ii R1 i– i+
RF – + +

+ uo –
ui u u uo R1 RF
因虚短，所以u+= u–， u– 0，称反相输入端“虚地”。 uo ui uo RF Auf R1 RF ui R1
Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加在反相输入端。 Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。
运算放大器的电路模型： i + u+ – – u– +
+UCC + uo –
rid
ro + Auo(u+– u–) –
u– u+
–
+
Auo +
–UEE 集成运放的符号 电压控制电压源

uo
差模输入电阻 rid 开环电压放大倍数 Auo 开环输出电阻 ro
运算放大器的传输特性 uo= f (ui) 表示输出电压与输入电压之间关系 的特性曲线称为传输特性。 uo 饱和区 +Uo(sat)
集成运放的外形图 +UCC u– u+ – Auo + +
uo
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–UEE 集成运放的符号
16.1.3 主要参数
+UCC
1. 最大输出电压 UOPP A u– – uo 能使输出和输入保持不失真关系的 uo + 最大输出电压。 u+ + uo 2. 开环电压放大倍数 Auo u+ u –UEE 运放没有外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 集成运放的符号 定，运算精度也越高。一般为104 107 。 RF uo 闭环电压放大倍数 Auf ui R1 – Auo + 反馈 feedback + R2 + ui uo + – –
16.1 集成运算放大器的简单介绍
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。
16.1.2 电路的简单说明
输入端 输入级 中间级 输出级 输出端
8
7
6
5
F007
1 2 3 4
偏置电路 运算放大器的方框图 输入级：输入电阻高，能抑制零点 漂移和共模干扰信号的能力强，都采用 差分放大电路 。 中间级：要求电压放大倍数高。常由 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，一般由互补功率放大 电路或射极输出器构成。
前级运算放大器的输出作为后级放大电路的输入信号。可以看成两个单 级运算放大器电路求解。
u+2= ui2 RF RF uo1 u2 u2 uo uo (1 )ui 2 ui1 R1 R1 R1 RF u–2 u+2 练习： P119 习题16.2.6，16.2.9。


16.3 运算放大器在信号处理方面的应用