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第十六章集成运算放大器第十六章集成运算放大器§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集成电路把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,组成一个不可分的整体分立电路由各种单个元件连接起来的电子电路16.1.1集成运算放大器的特点1.体积小,重量轻,功耗低2.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接,各级间多采用直接耦合3.集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的,元器件参数的一致性和对称性好,输入级都采用差分放大电路4.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接5.二极管多用三极管的发射结代替16.1集成运算放大器的简单介绍16.1.2电路的简单说明运算放大器方框图输入级：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分放大器。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。偏置电路:为各级电路提供稳定和合适的偏置电流,由镜像恒流源等电路组成,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输入级中间级输出级UEE+UCCu+uou–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2ISF007的内部原理图集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信号传输方向输出端实际运放开环电压放大倍数(a)符号图(b)引脚图8765F0071234U-U+-UEE+UCC输出＋－u－u+uo16.1.3主要参数1.最大输出电压UOM能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压2.差模开环电压增益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.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB1.开环电压放大倍数2.差模输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化!16.1.4理想运算放大器及其分析依据ouAidr0orCMRRK理想运算放大器图形符号uo++u+u––线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区(饱和区)：u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O运算放大器的两种工作状态uo+–+u–u++–+Auo---线性区和饱和区uoAidr0ro)(uuAuuoouu0Ii放大倍数与负载无关虚开路(虚断)一、运放工作在线性区的特点虚短路uo+–+u–u++–+Auo)(uuAuuoo虚短不成立：uu0Ii虚断成立二、运放工作在饱和区的特点+–+u–u++–+Auo例:若Uo(sat)=12V，Auo=106，则ui满足什么条件时，运放处于线性区?|ui|12VAuo越大，运放的线性范围越小！99页,例16.1.1运放在线性区的应用信号的放大、运算有源滤波电路运放在饱和区的应用：电压比较器16.2运算放大器在信号运算方面的运用包括比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算特点：•运放工作在线性区，通常要引入深度负反馈•输出和输入的关系基本决定于电路的结构和参数，与运放本身的参数关系不大16.2.1比例运算作用：将信号按比例放大类型：同相比例放大和反相比例放大uo_++RFR1R2uii1if一、反相比例运算电路结构特点：信号从反相端输入，同相输入端通过电阻R2接地，反馈电阻RF引跨接在输出端和反相输入端间平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，消除静态基级电流对输出的影响。R2=R1//RF0uu1ioFuuRRuo_++RFR1R2uii1if1.电压放大倍数虚短虚断一、反相比例运算电路虚地fii11RRuuAFiouf2.电路的输入电阻ri=R13.共模电压02uu对运放的共模抑制比要求低例:电路如下图所示，已知R1=10k，RF=50k求:1.Auf、R2；2.若R1不变,要求Auf为–10,则RF、R2应为多少？uORFuiR2R1++––++–解答，请上课仔细听！二、同相比例运算电路_++RFR1R2uiuou-=u+=ui1oiiFuuuRR1(1)FoiRuuRi1ifR2=R1//RF1.电压放大倍数1iif11RRuuAFiouf二、同相比例运算电路_++RFR1R2uiuoi1iF2.电路的输入电阻3.共模电压iuuu2对运放的共模抑制比有要求ir电压跟随器_++RFR1R2uiuoiouuuu作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能更好1R0fR1ufA11RRAFuf或二、同相比例运算电路+-++15V+Uo-2R2RR例：试计算UoP102：例16.2.1解答，请上课仔细听！例：两级运算电路,R1=50KΩ,RF=100KΩ.若输入电压ui=1V,试求输出uoP102：例16.2.2解答，请上课仔细听！16.2.2加法运算作用：将若干个输入信号之和按比例放大类型：同相求和和反相求和一、反相求和运算R12_++RFR11ui2uoR2ui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要21112////FRRRR0uuFiii1211121112()FFoiiRRuuuRRi12iFi11R12_++RFR11ui2uoR2ui1特点:调节某一路信号的输入电阻，不影响其它路输入电压和输出电压的比例关系，调节方便FoiiRuRuRu122111输入和输出的关系二、同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要22211R//RR//RF-R1RF++ui1uoR21R22ui2此电路如果以u+为输入，则输出为：uRRuFo)1(1-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与ui1和ui2的关系如何？流入运放输入端的电流为0（虚断）22221211222122iiuRRRuRRRu))(1(222121212212221iiFouRRRuRRRRRu输入和输出的关系-R1RF++ui1uoR21R22ui2R´思考：求输出与输入的关系？结点电位法'2221222211111RRRRuRuuii提示：先求同相输入端的电位u+实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521R//R//RR//R//R16.2.3减法运算_++RFR1R2ui2uoR3ui1111FoiRuuR差分输入：ui1单独作用:ui2单独作用:3223iRuuuRR123FRRRR和时211FoiiRuuuR232312)1(iFouRRRRRu112323121)1(iFiFooouRRuRRRRRuuu叠加定理R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6))(////(4433643RuRuRRRuiiuu))(////(52211521RuRuRuRRRuoii))(////())(////(443364352211521RuRuRRRRuRuRuRRRiioii虚短:虚断:一般情况：643521////////RRRRRR123451234()iiiiouuuuuRRRRR结点电压法例：设计一单运放构成的加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解答，请上课仔细听！uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt：热敏电阻加减运放电路应用举例:温度测量电路P12916.2.28uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+两个同相输入运算电路差分运算电路1iauu2ibuuWbaWooRuuRRuu221)(21212iiWWoouuRRRuuuo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：)(21212iiWWouuRRRRRu)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1–+AR2R2uo+)(21212iiWWoouuRRRuu思考题：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平变换电路，将其变化范围变为0~+5V。电平变换电路A/D计算机uiuo解答，请上课仔细听！i1iFRuii1tuCioFdddtuRCuio1ui-++RR2Cuo16.2.4积分运算电路将反相比例运算电路中的RF用电容CF替代,就成为积分运算电路1.在电子开关中用于延迟2.波形变换3.A/D转换中，将电压量变为时间量4.移相积分电路应用tui0tuo0toUdtRCu01U-UomMomUTRCU1URCUTomMTM积分时限积分器从某一时刻输入一直流电压电压量变为时间量输出将反向积分经过多少时间后输出饱和?tui0tuo0输入方波如果输入是正弦波，输出波形怎样?输出是三角波输出?波形变换电路比例-积分运算电路ifi1)d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1FtuCRuRR)(fFoCuiRu常用于自动控制系统中,又称PI调节器uoCFuiR2R1++––++–RF16.2.5微分运算电路RuioFtuCiidd1Fii1tuRCuiodduit0t0uoui–++uoRR2i1iFCtuisin若输入：则：)90sin(costRCtRCuouoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分运算电路fFoiRuCRfiiituCRuddi11i)dd(i1Fi1FotuCRuRRu—PD调节器ifiRiC§16.3.1有源滤波器§16.3运放在信号处理方面的应用滤波器:利用容抗或感抗随频率而改变的特性,对不同频率的输入信号产生不同的响应。从而选出有用的信号，抑制无用的信号。无源滤波器由无源滤波器+运放构成RCRiUoU由无源元件R、C、L构成有源滤波器RR1RFC+-+iUoU有体积小、效率高、频率特性好等§16.3.3电压比较器作用：比较输入电压和参考电压的大小特点：工作于非线性区输出电压为：uo=±Uo(sat)运放开环工作或引入正反馈状态uoui0+Uom-UomUR传输特性UR：参考电压ui：被比较信号++uouiUR–当uiUR时,uo=+Uom当uiUR时,uo=-Uom一、ui从同相端输入++uouiURuoui0+Uom-UomUR当uiUR时,uo=+Uom当uiUR时,uo=-Uom二、ui从反相端输入uoui0+UOM-UOM++uoui三、过零比较器:(UR=0时)++uouiuoui0+UOM-UOM++uouitui例:利用电压比较器将正弦波变为方波uot+Uom-Uom例:电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uo的波形OiutR1R2uiuo+–+ououCDRLRP11316.3.1解答，请上课仔细听！++uiuoui0+UZ-UZ利用稳压管将输出电压限定在某一特定值uoUZ另一种形式限幅形式——将双