第16章集成运算放大器

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16.3 运算放大器在信号处理方面的应用
⒈ 过零电压比较器
+
R1 -
ui
R2 + +
-
uo +Uo(sat)
O
ui
–Uo(sat)
电压传输特性
ui
+
O
t
uo
- +Uo(suato)
O
t
–Uo(sat)
利用过零电压比较器将正 弦波变为矩形波，即波形变换。
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16.3 运算放大器在信号处理方面的应用
例：电路如图所示，输入电
ui
压ui是一正弦电压，试分析
O
t
并画出输出电压u1，u2和uo
u1
的波形。
+Uo(sat)
R1 R2 ui
-
+
u1
C
u2
D
+
R
O
uo
–Uo(sat) u2
RL +Uo(sat)
t
O
较器的输入端比较输入信 ui
号ui和参考电压UR的大小， -
+
U-R
R1 R2
- + +
+
uo
-
在输出端以高电平或低电平（即为数字信号1或0）来
反映比较结果。
运算放大器工作在开环状态，由于开环电压放大
倍数很高，即使输入端有一个非常微小的差值信号，
也会使输出电压饱和。
因此运算放大器工作在饱和区(即非线性区) 。
16.2 运算放大器在信号运算方面的应用
例：试求输出电压uo 。
解： A1是电压跟随器 uo1 ui1
A2是差分运算电路
uo
RF R1
uo1
1
RF wenku.baidu.com1
ui 2
RF R1
ui1
1
RF R1
ui 2
-
R1
ui1
A1 +
+
uo1
R2
ui2
RF
-
+A2 +
uo
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在应用集成运算放大器时，需要知道它的几个管 脚的用途以及放大器的主要参数，无需关注内部电路。
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
16.1.3 主要参数
①最大输出电压UOPP 能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大
输出电压。
②开环电压放大倍数Auo 没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈
本章作业
P119 16.2.3（虚断、虚短） 16.2.6（基本公式）
P121 16.2.12（虚断、虚短） 16.2.15（基本公式）
分立电路：由各种单个元件联接起来的电子电路。 集成电路：相对分立电路而言，将整个电路的各个 元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上， 组成一个不可分割的整体。 优点：体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，价格 便宜。 就集成度而言：有小规模、中规模、大规模和超大 规模。 就导电类型而言：有双极型（普通晶体管）、单极 型（场效晶体管）和两者兼容的。 就功能而言：有数字集成电路和模拟集成电路。
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16.3 运算放大器在信号处理方面的应用
+
R1 -
ui +
- U-R
R2 + +
+
uo
-
uo +Uo(sat)
O UR ui –Uo(sat)
电压传输特性
当 ui < UR ，即 u– < u+ 时，uo = +Uo(sat) 当 ui > UR ，即 u– > u+ 时，uo = –Uo (sat)
集成运算放大器的电压传输特性，理想运算放大
器及其基本分析方法。集成运算放大器组成的比例、
加减、积分运算电路的工作原理，电压比较器组成的
幅值比较电路。
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集成运算放大器的基本组成，有源滤波电路的工 作原理。
讲课5学时，习题1学时。
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16.5 使用运算放大器应注意的几个问题
⒉ 输出端保护 为防止输出电压过大，可用稳压二极管来保护。
⒊ 电源保护 为防止正、负电源接反，可用二极管来保护。
16.5.5 扩大输出电流
运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要 的电流较大时，可在输出端加接一级互补对称电路。
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
输出级：要求输
出电阻低，带负 输入端 输入级
中间级
输出级 输出端
载能力强，能输
偏置
出足够大的电压
电路
和电流。
运算放大器的方框图
采用互补功率放大电路或射极输出器。
偏置电路：为各级电路提供稳定和合适的偏置电流， 决定各级的静态工作点，采用各种恒流源电路。
Auf
uo ui
RF R1
①输出电压与输入电压是比例运算关系。
②如果R1 和RF 的阻值足够精确，而且运算放大器的 开环电压放大倍数很高，就可认为Auf只取决于RF与 R1 的比值而与运算放大器本身的参数无关。
③负号表明 uo与 ui 反相。 ④当 RF = R1 时，uo = -ui ，为反相器。
实际特性
-Uo(sat) 运算放大器的传输特性
②
u
u
uo Auo
0
有限值 无穷大
u u 称“虚短”
u- i- -
u+ i+ + +
uo
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
⑵工作在饱和区（非线性）
uo Auo u u
i+ i– 0
输出电压只有两种可能，即 等于 +Uo(sat) 或 -Uo(sat) 。
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
⒉ 分析依据
uo
传输特性：表示输出电压与输
+Uo(sat)
入电压之间关系的特性曲线。 理想特性
⑴工作在线性区
O u+ - u-
uo Auo u u
①因差模输入电阻rid→∞，故i+ i– 0，称“虚断”。
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UIO 要使uo = 0，需在输入端加一个很小的补偿电压，即
输入失调电压，其值愈小愈好。
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
④输入失调电流IIO 输入信号为零时两个输入端静态基极电流之差，
其值愈小愈好。
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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具有高开环放大倍数并带 有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。
16.1.1 集成运算放大器的特点
⒈ 电感、电容元件不易集成，常采用外接方式。 ⒉ 由于各个晶体管通过同一工艺过程制作在同一硅片 上，因此容易获得特性相近的差分对管。 ⒊ 常用晶体管（或场效晶体管）恒流源代替电阻，高 阻值电阻常采用外接方式。 ⒋ 二极管采用晶体管构成。
⑤输入偏置电流IIB 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平
均值，其大小主要和电路中第一级管子的性能有关。 其值愈小愈好。
⑥共模输入电压范围UICM 运算放大器应在规定的共模电压范围内，才对共
模信号具有抑制的性能。如超出这个电压，运放的共 模抑制性能就大为下降，甚至造成器件损坏。
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O
ui
–UZ
–Uo(sat)
电压传输特性
设双向稳压二极管的稳压值为UZ，忽略稳压管的 正向导通压降。
当 ui < 0，即 u+ < u- 时，uo = – UZ 当 ui > 0，即 u+ > u- 时，uo = +UZ
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*16.4 运算放大器在波形产生方面的应用
uo +Uo(sat)
当 u+ > u– 时，uo = +Uo(sat)
O u+ - u-
当 u+ < u– 时，uo = - Uo(sat)
-Uo(sat)
运算放大器的传输特性
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16.2 运算放大器在信号运算方面的应用
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16.3 运算放大器在信号处理方面的应用
16.3.3 电压比较器 +
电压比较器的作用：在比
t
解：运算放大器构成过零比较器–Uo(suato)
RC组成微分电路
+Uo(sat)
二极管D起削波作用
O
t
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16.3 运算放大器在信号处理方面的应用
⒉ 有限幅的过零电压比较器
R1 -
+
R2 + +
ui
DZ
-
+
uo
-
双向稳压二极管
uo
+Uo(sat) +UZ
外接调零电路以解决由于运算放大器的内部参数 不完全对称时，当输入信号为零仍有输出信号的情况。
16.5.4 保护
⒈ 输入端保护 当输入端所加的差模或共模电压过高时会损坏输
入级的晶体管。 在输入端接入反向并联的二极管，将输入电压限
制在二极管的正向压降以下。
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1
RF R1
R3 R2 R3
ui 2
当 R1 = R2 ，RF = R3时，有
if RF
uo
RF R1
ui2 ui1
+
当 R1 = R2 = R3 = RF 时，有 ui1
uo ui2 ui1
-
ii
+
u-i2
R1 R2
- + +
R3
+
u-o
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16.4.1 矩形波发生器
矩形波电压常用于数字电路中作为信号源。
16.4.2 三角波发生器 16.4.3 锯齿波发生器
锯齿波电压在示波器、数字仪表等电子设备中作 为扫描用。
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16.5 使用运算放大器应注意的几个问题
16.5.1 选用元件
集成运算放大器按其技术指标或按其内部电路或 按其每一集成片中运算放大器的数目等进行分类。
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16.2 运算放大器在信号运算方面的应用
例：试计算图中uo的大小。
15k
解：
该电路是一电压跟随器。
15k
uo
u
15 15 15
15
7.5V
+15V
+
+
+
-
uo
-
7.5k
uo只与电源电压和分压电阻有关，其精度和稳定 性较高，可作为基准电压。
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
16.1.2 电路的简单说明
输入级：要求输入 电阻高，静态电流 输入端 输入级 小，差模放大倍数 高，抑制零点漂移
中间级
偏置 电路
输出级 输出端
和共模干扰信号的
运算放大器的方框图
能力强。输入级采用差分放大电路。
中间级：要求电压放大倍数高，由共发射极放大电路构 成：其放大管采用复合管，以提高电流放大系数；集电 极电阻采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。
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
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了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的 意义；理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运 算放大器并掌握其基本分析方法；理解用运算放大器 组成的比例、加法、减法、微分和积分运算电路的工 作原理；理解电压比较器的工作原理和应用。
16.1 集成运算放大器的简单介绍
16.1.4 理想运算放大器及其分析依据
⒈ 理想化的条件
开环电压放大倍数 Auo → ∞ 差模输入电阻 rid → ∞ 开环输出电阻 ro → 0 共模抑制比 KCMRR → ∞
反相输入端
uu+
同相输入端
方向
- + +
开环电压放大倍 数的理想化条件
uo
输出端
运算放大器的图形符号
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16.2 运算放大器在信号运算方面的应用
16.2.3 减法运算
根据叠加定理
uo"
1
RF R1
u
1
RF R1
R3 R2 R3
ui 2
uo'
RF R1
ui1
uo
uo'
uo"
RF R1
ui1
通常根据实际要求来选用。选好后，根据管脚图 和符号图联接外部电路。
16.5.2 消振
通常外接RC消振电路或消振电容来破坏产生自激 振荡的条件。一般运算放大器内部已有消振元件，毋 须外部消振。
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16.5 使用运算放大器应注意的几个问题
16.5.3 调零