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1、16.1 集成运算放大器的简单介绍,16.1.1 集成运算放大器的特点,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。,特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸采用直接耦合方式，需要的电容和电感通常外接。二极管一般用三极管的发射结构成。,Auo 高:80dB140dB rid 高:105 1011ro 低:几十 几百 KCMR高:70dB130dB,16.1.2 电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,同相输入端,输出端,反相输入端,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带
2、恒流源的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，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,输入级,中间级,输出级,偏置电路,对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。,16.1.3 主要参数,1.最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2.开环差模电压增益 Auo 运放没有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定，运算精度也越高。,6.共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好
3、,3.输入失调电压 UIO4.输入失调电流 IIO5.输入偏置电流 IIB,运放的特点,理想运放：,rid,KCMRR,ro 0,Auo,运放符号：,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,国内符号：,同相输入端,反相输入端,输出端,国际符号：,运放的电压传输特性：,设：电源电压VCC=10V。运放的Auo=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,Auo越大，线性区越小，当Auo 时，线性区0,Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,理想特性,运算放大器线性应用时的分析依据,1.差模输入电阻,两个输入端的输入电流可认为是零，即虚断。,2.
4、开环电压放大倍数 输出电压是一个有限值，,即虚短。,运算放大器在饱和区时的情况 当 时，,例题,注意：此时输入端的输入电流也等于零有“虚断”特性，但是没有“虚短”特性。,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。,i1=if,虚短,虚断,1、反相输入,16.2.1比例运算,当RF=R1时，,反相器,特点：只有一个输入信号，并且通过电阻引入反相输入端,反相,RP=R1/RF,平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。,特点：共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：输入电阻小（Ri=R1）,Au只与外部电阻 R1、RF 有关，与
5、运放本身参数无关。,|Au|可大于 1，也可等于 1 或小于 1。,例1：电路如下图所示，分别计算开关S断开和闭合时的电压放大倍数。,解：1.S断开Au=RF R1=10K(1+1)K=5,2.闭合,由虚断：i+=i=0 由虚短：u=u+=0,相当于两个1K电阻并联,运用上一章的多级放大电路的知识如何求解？,例2 求电压放大倍数Au=uo/ui。,u-=u+=0,iF=i2+i3=i1,RP=R1/(RF+R2/R3),2、同相输入,u-=u+=ui,虚短,虚断,特点：只有一个输入信号，并且通过电阻引入同相输入端,同相,i1=if,2、同相输入,特点：输入电阻高缺点：共模输入电压0,平衡电阻
6、R2=R1/RF,Au只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。,Au 1，不能小于 1。,u=u+0，反相输入端不存在“虚地”现象。,Au 1 等号何时成立？,考虑平衡条件，表达式如何？,此电路的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,3、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,当(开路)或 时,称为电压跟随器。,左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。,例3：,基准电压电路,例4：图中同相比例运算电路，,求：,解：,此电路为同相
7、比例运算电路，,考虑平衡条件，表达式如何？,例5：求图中运算电路R5的值。,A1：同相比例运算电路,A2：反相比例运算电路,平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/Ri3/RF,由虚短：u=u+=0,由虚断：i=0 if=ii1+ii2+ii3,当R11=R12=R13=R1时,当R1=RF时,1、反相求和运算,16.2.2 加法运算,调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响其它输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,特点：多个输入信号，均通过电阻引入反相输入端,由虚短：u=u+,u+,由同相比例运算：,u+=?,根据叠加原理u+为ui1单独作用(ui20)和ui2单独作用时的代数和,平衡电阻
8、：Ri1/Ri2=R1/RF,2、同相求和运算,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,特点：多个输入信号，均通过电阻引入同相输入端,考虑平衡条件，表达式如何？,平衡条件：Ri1/Ri2=R1/RF,注意：在满足静态平衡条件下，同相求和电路的各输入信号的放大倍数不再互相影响，可以单独调整。,此图同相求和电路，如何求uo的表达式？,设：R21 R22 R R1 Rf,u+=?,例6：求输出电压,解：A1为反相比例运算，A2为反向加法电路,解出：,16.2.3 减法运算,特点：多个输入信号，同相和反相输入端均有信号接入,用叠加原理求解：,ui1单独作用时为反相输入比例运算
9、电路，其输出电压为：,ui2单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为：,ui1和ui2共同作用时，输出电压为：,考虑平衡条件，表达式如何？,平衡条件：R2/R3=R1/RF,注意：在满足静态平衡条件下，减法电路的各输入信号的放大倍数不再互相影响，可以单独调整。,由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。,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。,则:,则:,例7：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压uo。,解：,想一想：为什么要加A1？,加入A1的作用：输入阻抗很高，减少信号的衰
10、减。,例8：加减运算运算电路,利用叠加原理计算得：,设 R1 R2 Rf R3 R4 R5,利用叠加原理计算得：,由题意，ui1从同相端输入，ui2和ui3从反相端输入。,例9：设计一个单级运放电路，要求有三个输入信号，一个输出信号，且满足：,选 RF=100k，R1 R4 R2 R3 RF,100k,例10：求 Uo1,Uo2和Uo3：,反相求和电路,同相比例电路,由于R7R8 R9R10，因此满足平衡条件，,减法电路,由于R6R5 R11，因此满足平衡条件，,例11：求输出电压uo和输入电压ui1,ui2和ui3的关系：,利用叠加原理计算得：,A1A4均为电压跟随器,例12：图中二极管均为
11、理想元件，输入信号ui为正弦电压，对应画出uo1和uo的波形。,A1工作原理,ui正半周，二极管 D1导通，D2截止。,ui负半周，二极管 D2导通，D1截止。,A2:反相求和电路：,uo,uo1,t,t,ui正半周：,ui负半周：,精密全波整流电路,i1=if,若电容CF的初始电压为 uC(t0),由虚断：,由虚短：u=u+=0,16.2.4 积分运算,特点：反相比例电路中的反馈电阻由电容取代。,电容两端电压和电流的关系：,反相积分,积分时间常数,U,积分时限,反相积分器：如果ui=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。,设Uom=15V,U=+3V,R1=10k,CF=1F,
12、求积到饱和值的时间：,积分饱和,线性积分时间,输出电压随时间线性变化,采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故 uo 是时间 t 的一次函数，从而提高了它的线性度。,若无特殊说明，一般认为电路从零时刻开始积分，并且电容CF的初始电压为 uC(0)=0。,1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输出电压波形？3)输入为正弦波时的输出电压波形？,线性积分,波形变换,移相,如果电容两端初始电压为零，则（b）（c）两图的波形对不对？,可以通过调整电容两端初始电压大小，获得实际需要的波形,例13:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,+uc-,其中：R=10K
13、,C=0.1F,例14:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,+uc-,其中：R=10K,C=5nF,8V,例15:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,+uc-,其中：R=10K,C=0.1F,由虚断：,由虚短：u=u+=0,i1=if,16.2.5 微分运算,特点：积分电路中的电阻和电容互换位置。,若输入：,则：,Ui,Ui,当ui为阶跃电压时，输出为尖脉冲。,例16：求图示电路的uo关于ui的表达式,比例环节P(proportion),积分环节I(integral),微分环节D(differential),PID调节器,加快系统的响应速度，提高系统的调节精度,消除系统的稳态误
14、差,改善系统的动态性能,若C1=0，为PI调节器（104页）,若C2=，为PD调节器（105页）,例17：求图示电路的uo关于ui的表达式,同相积分运算电路,对反相输入端：,对同相输入端：,16.3.3 电压比较器,运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压uo达到最大值Uo(sat)。,基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。,电压比较器广泛应用在模-数接口、电平检测及波形变换等领域。如图所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子.,输出端接双向稳压管进行双向限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略
15、正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通,uo=UZ；uiUR时,稳压管反向击穿，uo=UZ时。,如图所示电路，集成运放的最大输出电压为12V，稳压管的稳定电压Vz=6V，正向导通压降为0.7V，当Ui1V时，Uo；当Ui5V时，Uo。,16.5 使用运放应注意的几个问题,一选用元件集成运放按其技术指标可分为通用型、高速性、高阻型、低功耗、大功率型、高精度型等；按其内部电路可分为双极型和单极型等。要根据实际要求选用，如电压等级、速度、功耗等因素。,二消振消除自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。,三调零由于运放内部参数不可能完全对称，以致当输入信号为零时，仍有输出信号。因此，在使用时要外接调零电路。,四保护,输入端保护防止输入电压过大。,输出端保护防止输出电压过大。,电源保护防止正、负电源接反。,16.5 使用运放应注意的几个问题,五扩大输出电流,运放的输出电流较小，若负载需要较大的电流时，可在运放输出端加一级功放（互补对称放大电路）或射级跟随器。,16.5 使用运放应注意的几个问题,作业：,16.2.216.2.516.2.716.2.916.2.1316.2.2016.3.1,
