电工学(秦曾煌)16章

率。
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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
RF R1
ui1
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返回
4.积分运算
if uc CF i1 R1
ui
R2
反相输入 u 0
虚地
uo
i1 if
ui R1
uo
uc
1 CF
if dt
1 R1CF
uidt
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例题
例：求图示电路的 uo与 ui 的关系式。
RF uc CF
解：由电路可得，
R1 ui
R2
uo u RFif uC
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入
电阻、低输出电阻的直接耦
电路方框图
合放大电路
输入级
中间级
输出级
偏置电路
输中出间尽级级量主应减要有小提足零高够点带大漂负的移载电,能尽压力量放，提大给高倍出数 足够的KC输M出RR电, 输流入io阻，抗输出ri尽阻可抗能ro大小。
i1 i f
(1) 反相输入
if RF
i1 R1
ui
u u 0
i1
ui
u R1
ui R1
uo
if
u uo RF
uo RF
R2
Auf
uo ui
RF R1
uo
RF R1
ui
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RF
R1 ui
R2
电路的输入电阻
uo Ri R1
平衡电阻
平衡电阻，保证输入端 R2 R1 // RF
对地的静态电阻相等
–Uo(sat)
u u 即虚短。
如果信号从反向端输入，同相端接地 u 0,
u 0反相端近于“地”电位，即虚地。 返回目录
2.理想集成运放非线性应用时的分析依据
运算放大器在饱和区时的情况
当 u 时u ，
uo Uo(sat)
当 u u 时，uo Uo(sat)
uo +Uo(sat)
饱和区
VDD
IR(A B) 返回目录
F007（5G24）外引线图
VCC
IN
OUT
IN
VEE
顶视图
接线图
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16.1.1集成运放的特点和符号
集成运放特点：
理想运放：
ri 高:几十k 几百k KCMRR很大 ro 小：几十 ~ 几百 集A成u运o 很放大的:符10号4以：上~ 107
+UCC
ri KCMMRR
t
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5. 微分电路
if RF
i1 uc
ui
CF
R2
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i1
C1
duC dt
C1
dui dt
if ii
uo uo RFif RFii
uo
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
RFC1
dui dt
应用举例
若输入： 则：
uc
ui
CF
R2
ui sint
应用举例
uo RC cost
RC sin(t 90)
RF
ui
0
t
2. 理解集成运放的电压传输特性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。
集成电路:它是用一定的生产工艺把晶体管、场效 晶体管、二极管、电阻、电容、以及 它们之间的连线所组成的整个电路集 成在一块半导体基片上，封装在一个 管壳内，构成一个完整的、具有一定 功能的器件，也称为固体器件
ui1 R11
i12
ui2 R12
i13
ui3 R13
if i11 i12 i13
uo
if
uo RF
uo if RF
uo
RF R11
ui1
RF R12
ui2
RF R13
ui3
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ui1
R11
RF
平衡电阻
ui2
R12
ui3
R13
R2 R11 // R12 // R13 // RF
R3
uo uo uo' uo"
uo'
RF R1
ui1
uo"
F
1
i1 1
RF R1
F 1
R2
R33 2 R33
uii22
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请思考：如何选择电阻，能得出如下结论
uo
RF R1
ui2
ui1
uo ui2 ui1
差动输入方式下的电压放大倍数
Auf
uo ui2 ui1
RF R1
例题
ro 0 Auo
理想运放的符号：
u– 。 u+ 。
–
Auo
+
。uo
+
–UEE
u－
－
＋
u+ ＋
uo
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16.1.2 集成运放的传输特性
uo f (ui)
uo Auo(u u)
线性区很 窄,所以
uo +UO(sat)
运放在线
性区工作,
通常引入
u u
深度电压
负反馈
-UO(sat)
饱和区 线性区 饱和区
R22 R21 R22
ui1
R21 R21 R22
ui2
请想一想：外接的各电阻关系如何？ 反相求和电路与同相求电路相比有什么优点？
3.减法运算
RF
图中电路的输入方 式也称做差动输入
R1
由同相输入及反相输入 的结论 ，运用叠加定理
ui1ui2
u RR u 1 RR R R R u o
R2
uo
uo
0
t
16.3 运算放大器在信号处理方面的应用
16.3.1 有源滤波器
滤波器就是一种选频电路, 它能选出有用的信号,而抑制 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。
按滤波电路的功能分
低通滤波器 L高P通F 滤波器 HPF 带通滤波器 带 BP阻F 滤波器 BEF
注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选用 KCMRR较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。
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例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压 uo
RF
ui1
A1
ui2
R1
A2
uo
R2
返回目录
解答
解：
RF
ui1
A1
ui2
R1
A2
uo
R2
A1是电压跟随器，uo1 ui1
A2是差动运算电路，
uo
1想RRF1一u想i2 ：RR为F1 u什o1 么要1 加RRF1A1u？i2
优 点：工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了元件、电路和系 统的三结合
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集成电路中元器件的特点
1. 单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、 用相同工艺生产出来的，性能比较一致
2. 元器件相互离得很近,温度特性较一致
3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低 都不易制造
4.电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容 不易制造
0
1 RC
为截止频率
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若频率 为变量，则电路的传递函数
1 RF
T (j ) Uo (j )
其模为 Ui (j ) 1
T (j )
Auf 0
R1
j
0
Auf 0
1 j
0
1 ( )2 0
| T(j) |
| Auf0 |
1
当 0时, T(j) Auf0
2 Auf0
当 0时, T (j )
uo
RFif
1 CF
if dt
i1
ui
u R1
此由电路u是由u反相0比例运i1算和i积f 分得运：算两者
组合起来的，uo此 电RRF1路ui也 R称11C比F u例idt－积分调节器。
uc CF
应用举例
在电路的输入端输入方
R1
波，输出是什么波形？
ui R2
uo ui
t
1
uo
uo R1CF uidt
内部 电路
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集成电路的封装 金属壳封装 双列直插式塑料封装
管脚数有8、10、12 等种类
管脚数有8、10、12、 14、16等种类
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四个 运放 共用
VDD、VSS
端
C14578外引线排列图
VSS
IR(C D)
16151413 121110 9
每两个 运放共 用一个
偏置 电阻
12345678
电子技术
哈尔滨工业大学(威海) 信电学院电工电子教研室
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 16.4 运算放大器在波形产生方面的应用 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题
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。
RF
使 > 0 时信号衰减得
更快些，常将两节RC滤
R1
– +
+
波环节串接起来，组成 +
二阶有源低通滤波器。
ui –
R
R C
+ C
uo –
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2.有源高通滤波器
RF
R1
ui
C
R
•
•
U
R R 1
•
• Ui
1
Ui 1
jC
jRC
uo
•
Uo
1
RF R1
• U
•
1 RF
1 RF
Uo
•
Ui
1
R1 1
R1
1 j 0
jRC
0
1 RC
为截止频率
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若频率 为变量，则电路的传递函数
1 RF
T (j ) Uo (j ) Ui (j )
其模为
T (j )
1
R1
j 0
Auf0
Auf 0
1 j0
| T(j) |
1 (0 )2
| Auf0 |
当 0时, T(j ) 0
1 2 Auf0
当 0时, T (j ) Auf0
2
当 时, T(j) Auf0
O
0
幅频特性
可见，电路使频率大于0 的信号通过 ，而小于0
的信号被阻止，称为有源高通滤波器。
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思考题：
如何组成带通滤波器？
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BPF的一般构成方法
RF1
RF2
R1
ui
C
R2
R3
uo
R4
uc
将HPF及LPF相串联，其条件为LPF的
通带截止频率高于HPF的通带截止频
Auf 0 2
当 时, T (j ) 0
O 幅频特性0
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当 >0时，| T(j)| 衰减很快 显然，电路能使低于0的 |
Auf0
|
|
T(j)
|
信号顺利通过，衰减很小， 1
而使高于0的信号不易通过， 2
Auf 0
一阶 二阶
衰减很大，称一 阶有源低通 滤波器。
O
0
幅频特性
为了改善滤波效果，
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•
Ui (j)
滤波器
•
Uo (j)
传递函数：
•
T( j)
Uo (j)
•
Ui (j)
Uo Ui
o
i
T(j) Uo Ui
() o i
幅频特性 相频特性
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1.有源低通滤波器
设输入为正弦波，可以用相量表示
RF
R1
ui
R
uo
uc
•
1 RF
1 RF
Uo
•
Ui
1
R1
jRC
1
R1
j
0
RF
R1
ui
R2
R3
式
uo
1
RF R1
u
uo
中的 u 是指加在同相
输入端的输入电压
u
R3
ui R2
R3
18
1V 2 18
0.9V
返回
于是
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uo
1
10 2
0.9V
5.4V
2. 加法运算
(1) 反相加法器
ui1 i11 ui2 i12 ui3 i13
R11
RF
R12
R13
R2
i11
O
u+– u–
–Uo(sat)
注意：此时输入端的输入电流
也等于零 i+= i– 0
例题
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例 F007运算放大器的正、负电源电压为
±15V，开环电压放大倍数AU0=2105,输出 最大电压（即Uo(sat))为±13V。在下图电路 中分别加如下电压，求输出电压及其极性：
u－ － ＋
u+ ＋
uo
(1)u 15V,u 10V; (2)u 5V,u 10V;
(3)u 0V,u 5mV; (4)u 5mV,u 0V;
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解
u
u
uo Au 0
13 2 105
65V
只要两个输入端之间的电压绝对值超过65µV， 输出电压就达到正或负的饱和值。
(1)u 15V, u 10V;
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电位为零
RF
R1
ui
uo
R2
电位为零，虚地
注意
虽然 u u 0
但不能将反相输 入端和同相输入 端直接相联或者 直接接地
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(2)同相输入
if RF
R1
i ui
1
R2
u u ui i1 if
i1
u R1
ui R1
uo if
u uo RF
ui uo RF
请思考：当 R1
(输3)u出电 压0V, u 5mV; (2输)uu出o 电52V压,u105(1105uVo;10) 1310V6 V 5V
输出(4电)u压 5mV,u 0V; uo 2输出10电5(压5 1u0o) 10163VV 3V
返回
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16.2 运算放大器在信号运算方面的应用
1. 比例运算
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16.1.3 理想集成运放分析依据
1.理想集成运放线性应用时的分析依据
u– u+
i– –
i+ +
∞ +
r （1）差模输入电阻 id ,
uo 两个输入端的输入电流可认为
是零，即虚断。
uo +Uo(sat)
线性区
（2）开环电压放大倍数 Au0
u+– u–
输出电压是一个有限值， u u uo 0 Au 0
或 RF 0
Auf
此电路 有什么特点？
uo
1
RF R1
ui
uo 1 RF
ui
R1
例题
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RF
R1
ui
R2
R3
例：图中同相比例运算电路， R1 2k, RF 10k,
uo R2 2k, R3 18k, ui 1V, 求： uo
需要帮忙吗？ 点击我会有新 发现。
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解：此电路为同相比例运算电路，
uo
R2
加法运算电路与运算放大器本身的参 数无关,只要电阻阻值足够精确,就可 保证加法运算的精度和稳定性.
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(2) 同相加法器
RF
此电路若以 u 为输入，
则输出为：
R1
ui1 ui2
R21
R22
uo
1
RF R1
u
uo
u
R22 R21 R22
ui1
R21 R21 R22
ui2
uo
1
RF R1