集成运放的分析及应用

R
-
+
uo(t)
U+=U- U-=0
i(t)
u
i (t R
)
if
(t)
由 uo (t) uc (t) 可得
uc uo
(t) (t)
1 C
if 1
RC
(t)dt 1 RC
ui (t)dt
ui (t)dt
• 积分器的输出电压与输入电压呈积分关系，积分时间常数
为RC。
E
• 当ui(t)=E时, uo (t) RC t
微分器
u
o
(t
)
R
f
C
du i (t dt
)
对数放大器
Ic
利用PN结结电压与电流 之间的对数关系而构成的。
Ui Ii R
-
+
uo(t)
Ii = Ic
I+=I- ≈0 U+=U-
U+=0 U-=0
Ii
Ui R
Ube
Ic Ie Ise UT
U be
UT
ln(
Ui RI s
)
由电路可看出： Uo Ube
减法器
Rf
R1
U1
-
运放工作在线性放大时，可 用叠加原理来推导输出表达式。 U2
+ R2
UUo''oo
当U2=0时，在输入信号U1
R3
的作用下，产生的输出为U'o
当U1=0时，在输入信号U2的作用下，产生的输出为U''o 根据叠加原理：Uo= U'o + U''o
当U1单独作用时：Uo
Rf R1
U1
R
+
Uo
R
-
R+R +
Uo
R
RX=R+R
UR
R
RX的阻值随被测量的变化而变，RX=R+R.
当RX=R时电桥平衡，Ui=0,Uo=0
当RX产生R变化时，输出电压将变化Uo， Uo正比于R。
当电阻Rf>>R,且相对变化= R/R<<1时，输出电压为：
Uo≈URRf /(2R)
单电注源：Uo供中包电含有放Ec/2 大电路
Uo Uom
U2 Uon
Ui U1
2. 当输出Uo为低电平Uo=Uon时，同相端受到Uon和UR同时作用
UΣ2
R 2Uon R2 Rf
R2UR R2 Rf
≤U1
当Ui≤U2时，输出将由低电平Uon跳变到高电平Uom 。 U2称为下门限电压，也称负向阈值电压
迟滞比较器
Uo
12..UU改但改Ri 变不变基影正RR准响反12 电门馈压限系+- 宽数UR度R可2/改(UR变。2+上RUf、)o,将下影门响限电U和压UUUom11、、UUU222
方波和三角波发生器
Rf
Ui1
R1 +
Uo1 Ro
C
源自文库
A1
R4
Dz
W
R2 -
R3
A2 +
Uo2
U0
Uom1=UZ+UD Uom1
Uom2
U01 U02
t
Uon2
Uon1= -(UZ+UD) Uon1
T1 T2
T
方波和三角波发生器
门限A宽1同度相端的电U位 UoUm2ΣURRon121URo21RfRf1 (RUR1ZfURi1Uf D )
当U2单独作用时：U
R3 R2 R3
U2
Uo
(1
Rf R1
)UR2R3R 3
U2
减法器
Rf
当U1单独作用时：Uo
当U2单独作用时：
Rf R1
U1
U1 U2
R1 +
R2
Uo
Uo
(1
Rf R1
)
R3 R2 R3
U2
R3
Uo
Uo
Uo
(1
Rf R1
)
R3 R2 R3
U2
Rf R1
U1
若R1=R2 R3=Rf
5.共模抑制比CMRR=∞;
主要条件
条件较难满足， 可采用专用运放 来近似满足。
6.失调、漂移和内部噪声为零。
理想运放模型
I-
U-
-
U+
+
I+
Uo
+
AU(U+-U-) -
1. 同相端与反相端呈开路状态。
2.输出回路为一受控电压源AU(U+-U-) ， 由于Ro=0,所以Uo=AU(U+-U-)
理想运运放工放作的在闭工环的作工状作状态态
，
Ui
。U1
3. UomUon运放的R正f 负饱和电压，可通过加限Uo幅n 电路限制其值
上门限电压：
UΣ1
R 2Uom R2 Rf
Rf UR R2 Rf
下门限电压： UΣ2
R 2Uon R2 Rf
Rf UR R2 Rf
门限宽度：
U UΣ1 - UΣ2
R2 R2 Rf
(Uom
- Uon )
比较器的特点
周当期UTo1与=U频on率1时f ，U平T1i1U↑o→nT1U跳2变稍到大2高于Rα电零R1R平，f2U比Com较1T器。的4输上Rα出门1RR将限f2C由电低压f电
1 T
UΣ
R1Uon1 R1 Rf
R f Ui1 R1 Rf
=0
Ui1
R f Uon1 R1
=Uom2
当Uo1=Uom1时， U平i1U↓o→m1U跳稍变小到于低零电，平比Uo较n1 器。的输下出门将限由电高压电
R1 -
Ui
R2 +
Auf只与Rf、R1有关， 而与运放的参数无关
Uo
算。
Uo
(1
Rf R1
)Ui
A Uf
Uo Ui
1
Rf R1
rAif Uf≈R1id
≈∞
Uo
Uirof=
0
电压跟随器
§7.2 基本运算电路
加法器 减法器 积分器 微分器 对数放大器 指数放大器
加法器
反相加法器
I1+I2+…+In=If
入电压Ui与UR比较，结果由Uo反映 单限比较器 是指只有一个门限电压的比较器
当Ui>UR时，输出应为负饱和值，稳压管的导通,输出电压 的幅度被限定在Uo=-UD
当Ui≤UR时，输出为正饱和值，由于稳压管的稳压作用， Uo=Uz
迟滞比较器
Ui UR
R1 R2
+-起加引速入输正出反电U馈压o 变化
电压—电流变换电路 测量放大电路 单电源供电放大电路 稳压电源
电压—电流变换电路
电流—电压变换电路 Uo= -IsRf
Rf
Is
-
电压—电流变换电路
+ RP
IL=Us/R1
-
RL
Us +
IL
Uo
Uo R1
测量放大电路
电桥放大器 主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。
UR
Rf
UR R
Rf
-
R
Ui I1 R1
-
+
Uo
RP
而AIfu与f只运U与-放平RRRp的ff衡、U≈RR参o电11/有数/阻R关无f UR，关fo
A Uf
Uo Ui
Rf R1
闭环运放的基本电电压路串联负反馈
同相放大电路
Rf
电比例该UII+-路例因电+≈=≈0U0的关子路- 输系为常出，用1UUU+U且于iiRo同相f与/RURR相位输111，R比相入R1因1R例同URfi此f呈运.比UU，oo
线性工作状态
Rid≈∞
1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为U+零-U-=UI+o=/AI-U≈≈00
2. 理想运放的同相和反相输入端电位近似相等 U+=U-
虚断 由于理想运放的输入电阻非常高，在分析处于线性状 态运放时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性
称为虚假开路，简称虚断。
虚短 在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端 视为等电位，这一特性称为虚假虚短地路点，对简地称的虚电短阻。为“0”
• 工作在开环或正反馈状态。 • 开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只
有高电平和低电平两个稳定状态。 • 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性
关系。
比较器的应用
比较器主要用来对输入波形进行整形，可以 将不规则的输入波形整形为方波输出。
正弦波变换为矩形波
有干扰正弦波变换为方波
§7.4 波形发生器
U
T
ln(
Ui RI s
)
• 输出电压与输入电压的关系呈对数关系
• Uo的最大输出电压不会超过Ube • 温度的稳定性差
指数放大器
Ui
If Ii Ise UT
Uo If R
Ui
Uo IsRe UT
If
Rf CRf
uUi(ti)
Ii
R
-
+
+
uUo(ot)
• 输出电压与输入电压的关系呈指数关系 • 温度的稳定性差
Uo U1 U2 Un
Rf R1 R2
Rn
Uo
R f
( U1 R1
U2 R2
Un Rn
)
加法器
If Rf
同相加法器
Rs
I1+I2+…+In=0
-
I+=I- ≈0
U
Rs Rs Rf
Uo
U1 I1 R1 U2 I2 R2
+
Uo
•••
U+=U-
U
Rs Rs Rf
Uo
Un In Rn
取影UIU1决响1R(于K1U输RU1值11各R出和1U回U电RU1其o路22压R他的2为KUK1回(电I1各2路阻R输1RRR1n的，U1fs入))1放改R(U电RURRU2大1Un变112压R11系n一U按RURU数个22比2…2。输R…例01n入相回IRU加RUnnn路nn，) 的U比n电R例n阻U系值数将
第七章 集成运放的分析及应用
§7.1 理想运放模型及闭环分析 §7.2 基本运算电路 §7.3 电压比较器 §7.4 波形发生器 §7.5 集成运放的其他应用电路
小结
§7.1 理想运放模型及闭环分析
理想运放模型 闭环运放的基本电路
理想运放模型
理想运放的条件
1. 开环电压增益Aud=∞; 2. 输入电阻Rid=∞; 3. 输出电阻Ro=0; 4.频带宽度F=∞;
uo(t)~t按负斜率下降，最终达到负饱和值。
积分器应用
Rf
CRf
• •
数学运算 PI调节器可实现精度积分
uuii((tt))
C R
-
+
加入直流反馈Rf,抑制
+
uuoo((tt))
直流漂移，提高控制精度。
u o
(t)
(
Rf R1
ui (t)
1 RC
ui (t)dt)
• 实现波形变换，将一方波变换成三角波
分放12. .放的直当当集大输流U使成级入偏i输用运的级置入单放发由：交电两偏通射外流的时源个压常极电时直，供偏 ，采电路，流可电U置用源提o电加时电A=双（供E压隔U，阻电静偏c/f2，直为分(源态置.jω外电保压供工电)接容证，电作压负电在，点。载路同其R）R有相1f中。1合端负适得电1的到/源(j静Eω1主c/态R2要的1点提C直，1供)流运差
UΣ
R1U om 1 R1 Rf
R f Ui1 R1 Rf
=0
Ui1
R f Uom1 R1
=Uon2
脉冲和锯齿波发生器
Rf
Ui1
RT11
+2ARα11RR
22C
f
Ro
Uo1
T2
D21Rα1RRR21f21C
C
-
RT4
2R1C α Rf
Dz
(R 21 R 22 )
W
D2
f
RR222
R1 3
T
方波和三角波发生器 脉冲和锯齿波发生器
方波和三角波发生器
Rf
Ui1
R1 +
Uo1 Ro
C
A1
R4
Dz
W
R2 -
R3
A2 +
Uo2
A1 —迟滞比较器, 输入一周期变化的信号输出U01将是一方波 UR=0, U01=(UZ+UD)，上下限电压由Ui1和Uo1共同决定
A2 —积分器, 输入方波信号，输出是一个三角波信号
Un In Rn
If Rf
•••
I+=I- ≈0 U+=U-
U+= 0 U-= 0
U2 I2 R2 U1 I1 R1
-
Uo
+
I1
U1 U R1
U1 R1
输出等于所有R输P 入的反相之和 平衡电阻
I当2 R1RU=22R2=……=…RnI=nRf时RUnn，Uo=If-(UU1+-RUf2UR+po…≈+RU1//nURR)2fo//…//Rn//Rf
-
A2 +
Uo2
设计思想：将积分器的充放电回路分开，从而改变T1和T2。 1. 当Uo1为正电压Uom1时，正电压→W → D1→给C充电,积 分时间常数1≈R21C. 2.当Uo1为负电压Uon1时，负电压→W → D2→给C放充电,积 分时间常数2 ≈ R22C.
§7.5 集成运放的其他应用电路
Rf
Uo Uom
U2 Uon
Ui U1
1. 当输出Uo为高电平Uo=Uom时，同相端受到Uom和UR同时作用
UΣ1
R 2Uom R2 Rf
R2UR R2 Rf
当Ui≥U1时，输出将由高电平Uom跳变到低电平Uon。 U1称为上门限电压，也称正向阈值电压
迟滞比较器
Ui
R1 -
UR
R2 +
Uo
Rf
§7.3 电压比较器
单限比较器 迟滞比较器 比较器的应用
单限比较器
比较器的功能 对两个输入电压进行比较，比较输两出个电电压压被的限大定小在，将
比工UURi较作通结在常果饱RR12将以和一高区+-个低。输电入平电的压形RD固式oz定输U出R。作U用o为于参此考（U功电zUU能o压Z+的，UUD运另R) 放一通个UU常输Di
闭环运放的基本电电路压并联负反馈
反相放大电路
由电I路+=的I-输≈0出UIo1与=I输f 入Ui呈 比例关系，且U相+=位0 相反.比
例因U+子=U为- Rf/UR-1=，0因此，
该算电。I1 路 常Ui用R于1U反 相 比RU1i例运
Uo
Rf R1
Ui
rif =R1 rof= 0
虚地I点f 对R地f 的电阻为“0”
虚地 如将运放的同相端接地U+=0，则U-=0,即反相端是一 个不接“地”的“地”，称为“虚地”
理想运放的工作状态
饱和工作状态
1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零
2. 当U+>U-时，Uo为正饱和值 当U+<U-时，Uo为负饱和值
I+=I-≈0
饱和状态的运放通常工作在开环或正反馈状态，主要用 于数字电路，比较器电路等。
Uo
Rf R1
(U2
U1 )
• 减法器的输出电压为两个输入信号之差乘以放大系数
Rf/R1, 故又称它为差分放大器。 • 为减小失调误差 R1//Rf=R2//R3
积分ui器(t)
if(t) C
E
I+=I- ≈0uo(t) i1(t) = if(t t)
U+=0
-Uo(sat)
t
i ui(t)
(t)