清華大學知名教授電工與電子技術課件集成運算放大器

第11章運算放大器（下篇）電工技術與電子技術中國礦業(yè)大學信電學院返回第11章運算放大器11.1

運算放大器的簡單介紹11.3

運算放大器在信號運算方面的運用11.5

運算放大器在波形產生方面的運用11.7

使用運算放大器應注意的幾個問題11.6

集成功率放大器11.4

運算放大器在信號處理方面的運用11.2

放大電路中的負反饋1.了解集成運放的基本組成及主要參數的意義。2.理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應用。本章要求：11.1

運算放大器的簡單介紹

運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。特點：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸集成運放的符號：A

uo

高:10K～10M倍rid高:105~1011ro

低:幾十

~幾百KCMRR高:70dB~130dBuo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–11.1.1運算放大器的組成輸入級中間級輸出級同相輸入端輸出端反相輸入端+UCC–UEEuou–u+

輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差放

。中間級：要求電壓放大倍數高。常采用共發(fā)射極放大電路構成。輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。11.1.2主要參數1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2.開環(huán)差模電壓增益Auo

運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數。

Auo愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調電壓UIO4.輸入失調電流IIO5.輸入偏置電流IIB11.1.3理想運算放大器及其分析依據1.理想運算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRR2.電壓傳輸特性uo=f(ui)線性區(qū)：uo

=

Auo（u+–u–）非線性區(qū)：u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

飽和區(qū)+Uo(sat)

u+–u–

uo-Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性uo++u+u–+UCC–UEE–3.理想運放工作在線性區(qū)的特點uo

=

Auo（u+–

u–

）①差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

稱“虛短”②輸入電流約等于0

即i+=i–0稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)-Uo(sat)+Uo(sat)即4.理想運放工作在非線性區(qū)的特點①輸出只有兩種可能+Uo(sat)或–Uo(sat)②i+=i–0

，仍存在“虛斷”現象電壓傳輸特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)當u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

不存在“虛短”現象

11.3

運算放大器

在信號運算方面的運用11.3.1比例運算11.3.2加法運算11.3.3減法運算11.3.4積分運算11.3.5微分運算11.3.1比例運算1.

反相比例運算（1）電路組成

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–（2）電壓放大倍數∵虛短

∴

u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點∵虛斷，i+=i–=0

，

∴i1=if

∵要求靜態(tài)時u+、u-對地電阻相同，∴平衡電阻R2=R1//RF

結論：①Auf為負值，即uo與ui

極性相反?！遳i

加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關，與運放本身參數無關。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④∵

u-=u+=0，∴反相輸入端“虛地”。例：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求：1.Auf

、R2；

2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF

、R2應為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(

10+50)=8.3k2.∵

Auf

=–RF

，R1

=–RF

10=–

10

∴RF=Auf

R1=1010=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運算∵虛斷，∴

u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數uoRFuiR2R1++––++–∵虛短，∴

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

∵要求靜態(tài)時u+、u-對地電阻相同，∴平衡電阻R2=R1//RFu+u–

結論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同?！遳i

加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關，與運放本身參數無關。③Auf≥1，不能小于1。④u-=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現象。

當R1=或RF

=0時，uo=ui

，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–

由運放構成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–

左圖是一電壓跟隨器，電源經兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：11.3.2加法運算∵虛短u-=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii1ii2ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–∵虛斷，i–=0

∴

ii1+ii2=if

)(22F11FiiiiouRRuRRu+-=11.3.3減法運算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：常用做測量放大電路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。分析方法2：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––11.3.4積分運算電路由虛短及虛斷性質可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uc+–

當電容CF的初始電壓為uc(t0)時，則有若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uit0積分飽和線性積分時間線性積分時間輸出電壓隨時間線性變化-UOMuot0+UOMui=Ui

>0

ui=Ui

<0

采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故u0是時間t的一次函數，從而提高了它的線性度。tCRUiF1-=11.3.5微分運算電路uot0t0uiifi1由虛短及虛斷性質可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–11.4.2

電壓比較器功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數模轉換、數字儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，以及波形產生及變換等場合。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。11.4運算放大器在信號處理方面的應用理想運放工作在非線性區(qū)的特點：①輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

當u+>u－

時，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虛短”現象

②i+=i－0仍存在“虛斷”現象電壓傳輸特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器

可見，在ui

=UR

處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。閾值電壓（門限電平）：輸出躍變所對應的輸入電壓。uiuooURURuouiR2++–R1+–++––當u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR

時，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR時，uo

=–

Uo

(sat)uit00uot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuooURURui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuooUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sa