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1、1,第二章集成运放及其基本应用,2.2理想运放在线性区常用电路,2.3理想运放在非线性区常用电路,2.1集成运算放大器,2,2.1集成运算放大器,集成运算放大器（集成运放、运放）：是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。,(a)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,集成运放的外形：,3,运算放大器外形图,4,运算放大器外形图,5,A741外形图：,运放的电路符号：,2.1.1 集成运放的电压传输特性,6,集成运放的主要技术指标,集成运算放大器的符号,一、开环差模电压增益 Aod,一般用对数表示，定义为,单位：分贝,理想情况 Aod 为无穷大；实际情况 Aod 为 100 140 d
2、B。,图 5.2.1运算放大器的符号,7,二、输入失调电压 UIO,三、输入失调电压温漂 UIO,定义：,为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。,一般运放：UIO 为 1 10 mV；,高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。,定义：,一般运放为 每度 10 20 V；,高质量运放低于每度 0.5 V 以下；,8,四、输入失调电流 IIO,五、输入失调电流温漂 IIO,当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即,定义：,一般运放为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。,定义：,一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。,9,六、输入偏置电流 IIB,七、差模输入电阻 ri
3、d,八、共模抑制比 KCMR,定义：,输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。,定义：,一般集成运放为几兆欧。,定义：,多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。,10,九、最大共模输入电压 UIcm,输入端所能承受的最大共模电压。,十、最大差模输入电压 UIdm,反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。,十一、-3 dB带宽 fH,表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。,11,十二、单位增益带宽 BWG,Aod 降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于 1。,十三、转换速率 SR,额定负载条件下，输入一个大
4、幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为 V/s。,在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值。,其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。,12,理想运算放大器,理想运放的技术指标,开环差模电压增益 Aod=；,输出电阻 ro=0；,共模抑制比 KCMR=；,差模输入电阻 rid=；,UIO=0、IIO=0、UIO=IIO=0；,输入偏置电流 IIB=0；,-3 dB 带宽 fH=，等等。,13,线性区电压传输特性：,差模输入信号：,开环电压放大倍数：Auo,14,理想运放工作在线性区时的特点,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即,理想运
5、放工作在线性区特点：,1.理想运放的差模输入电压等于零,即,“虚短”,集成运放的电压和电流,15,2.理想运放的输入电流等于零,由于 rid=，两个输入端均没有电流，即,“虚断”,16,2.1.2 理想集成运放及不同工作区的特点,理想运放的参数：（1）Auo；（2）输入电阻Ri；（3）输出电阻Ro 0；（4）通频带fbw,工作在线性区的特点：（1）虚短路uP uN（2）虚断路iP 0、iN 0,工作在非线性区的特点：（2）虚断路iP 0、iN 0,17,例如F007开环时Auo=105,Uom=10V,Uom=+10V,则差模输入信号的线性区为-0.1mV+0.1mV。如果外加负反馈,使闭环增
6、益Au=100,则差模输入信号的线性区为-100mV+100mV。,运放必须加负反馈才可以工作在线性区。,小结：如果运放应用电路中引入了负反馈，则在输入信号一个较大范围内，集成运放工作在线性工作区；分析集成运放线性应用电路时，注意应用“虚短”和“虚断”两个重要特点。若集成运放工作于开环或正反馈状态，则运放处于开关状态，输出电压在正、负饱和值之间转换。注意：不存在“虚短”现象，仍存在“虚断”现象。,18,2.2理想运放在线性区常用电路,2.2.1 基本运算电路1.比例运算电路2.加减运算电路3.积分、微分电路,2.2.2 有源滤波电路1.一阶有源低通滤波电路2.一阶有源高通滤波电路3.带通滤波电
7、路,19,2.2.1基本运算电路,1.比例运算电路,1）同相比例运算电路,又由“虚短”知：uP=uN=ui,iN=0,由“虚断”知：,特点：输出与输入同相且成比例输入电阻很高输出电阻很低,为使两个输入端特性对称，一般取R1=R2/Rf。,20,同相比例运算电路实例：电压跟随器,由前面的分析可知，当 Rf=0 或 R2=时，有 Au=1,21,2）反相比例运算电路,一般取R1=R2/Rf,由于“虚断”，iP=iN=0，uP=0,由于“虚短”，uP=uN=0,“虚地”,由 i1=if，得,求得,特点：输出与输入反相且成比例输入电阻等于R2输出电阻很低,若 R2 Rf，则为单位增益反相器。,22,T
8、型网络反相比例运算电路,联立方程：,u1,uN=0,求得：,23,例：若下图电路中各参数已知，求uo表达式,解：,这是一个二级放大电路，两级之间不存在负载效应(若前级的输出电阻为零，或后级的输入电阻无穷大，则不存在负载效应），可分别计算各级的放大倍数。有,24,加减运算电路：电路的输出量反映多个输入量相加或相减的结果。,一般取：,由于“虚断”，i-=0,所以：i1+i2+i3=iF,又因“虚地”，u-=0,所以：,当 R1=R2=R3=R 时，,2.加减运算电路,1）加法运算电路,反相加法运算电路：,25,由于“虚断”，i+=0，所以：,解得：,其中：,由于“虚短”，u+=u-,同相加法运算电
9、路：,26,2）减法运算电路,两种方案：利用加法电路和反相电路构成减法电路在运放的同相和反相输入端分别输入信号，实现减法运算。,解得：,27,例：用集成运放实现以下运算关系,解：可用以下电路实现,28,比较得：,选 RF1=20 k，得：R1=100 k，R3=15.4 k；,选 RF2=100 k，得：R4=100 k，R2=10 k。,令：,取：,29,3.积分、微分运算电路,1）积分运算电路,电路的输出量为输入量对时间的积分。,由于“虚断”和，“虚地”，有,=RC,积分时间常数,30,例：若前述积分电路的输入电压为图示方波，且已知电容的初始电压为零，求uo的表达式和波形图。,解：,31,
10、可见，输出电压的相位比输入电压的相位超前90。因此，此时积分电路的作用是移相。,解：,式中K为积分常数。若只考虑uo中的变化分量，则波形如图所示。,32,由于“虚断”和“虚地”，有,2）微分运算电路,电路的输出量为输入量对时间的微分。,积分、微分电路的用途：波形变换、移项、控制电路等。,33,Multisim 虚拟仿真实验1：反相比例放大器,34,Multisim 虚拟仿真实验2：同相比例放大器,35,作用：选频。,分类：,低通滤波器(LPF)、,高通滤波器(HPF)、,带通滤波器(BPF)、,带阻滤波器(BEF)。,1.滤波电路的作用和分类,2.2.2有源滤波电路,36,滤波器主要用来滤除信
11、号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。,37,无源低通滤波器：,电压放大倍数为,截止频率,由对数幅频特性知，具有“低通”的特性。,电路缺点：电压放大倍数低，只有，且带负载能力差。,解决办法：利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器。,2.一阶有源低通滤波电路,fc,38,电压放大倍数：,一阶有源低通滤波器：,由于“虚断”，可求得电容电压为,进一步求得：,39,通带电压放大倍数：,一阶有源低通滤波器与无源低通滤波器的频率特性相似；
12、但通带电压放大倍数得到提高，带负载能力增强。,截止频率：,电压放大倍数：,40,3.一阶有源高通滤波电路,fc,无源高通滤波器：,41,截止频率：,一阶有源高通滤波器：,电压放大倍数：,通带电压放大倍数：,42,带通滤波器可由一个低通滤波器和一个高通滤波器串联而成。,阻,阻,f1,f2,通,4.带通滤波电路,43,有源带通滤波器的典型电路：,取：,44,中心频率,以上方程联立，求得电压放大倍数：,电路稳定的条件：,Q：品质因数，：通带电压放大倍数,通频带：,45,2.3理想运放在非线性区常用电路,2.3.1 单限比较器2.3.2 滞回比较器,电压比较器将模拟量输入电压与参考电压进行比较，输出只
13、有两种可能的状态：高电平或低电平。,比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。,分类：过零比较器、单限比较器、滞回比较器及双限比较器。,46,2.3.1单限比较器,简单过零比较器：,电压传输特性,Uom,+Uom,当 u+u 时，uo=+Uom u+u 时，uo=Uo m,运放处于开环状态,即 ui0 时，uo=Uo m,1.过零比较器,47,输出限幅过零比较器：,电压传输特性,UZ,+UZ,ui0 时，uo=UZ,输出端接有两个背靠背的稳压管，起正负限幅作用；R为限流电阻，保护运放的输出级。,若输出端的两个稳压管不同，则输出的正负电压值不同。,48,电压传输特性,UZ,
14、+UZ,uiUREF 时，uo=UZ,2.一般单限比较器,参考电压,49,uP,解：由于“虚断”，同相端输入电流为零。,例：电路如图，求电压传输特性曲线。,运用叠加定理，求得,令uP0，解得门限电压为,电压传输特性,+UZ,-UZ,uiUT 时，uP0，uo=+UZ,50,2.3.2滞回比较器,单限比较器抗干扰能力差，如右图所示：,滞回比较器可提高抗干扰能力，如右图所示：,51,滞回比较器电路：,uP,由于,因此,门限电压等于uP，有,UT1,UT2,ui逐渐上升时，门限电压为UT2，ui逐渐下降时，门限电压为UT1。,52,运用叠加定理，求得,解：由于“虚断”，同相端输入电流为零。,uP即门限电压，有：,回差(门限宽度)UT：,53,UT1,UT2,电压传输特性：,54,课后习题,2.42.8,
