第7章 集成运算放大器

跳转到第一页跳转到第一页7.1集成运算放大器简介跳转到第一页7.1.1集成运算放大器概述在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成的特定功能的电子电路，称为集成电路。集成电路按集成密度可分为小规模、中规模、大规模和超大规模，按所处理的信号不同可分为数字集成电路和模拟集成电路。集成运算放大器，简称集成运放。跳转到第一页7.1.2集成运算放大器的组成集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型繁多，内部的具体电路也不尽相同，但结构上具有共同之处，通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。跳转到第一页图7-1集成运放的内部电路组成原理框图跳转到第一页集成运放的图形符号如图7-2所示，其中反相输入端用“-”号表示，同相输入端用“+”号表示。器件外端输入、输出相应地用N、P和O表示。图7-2运算放大器的图形符号跳转到第一页7.1.3集成运算放大器的主要参数集成运放的参数是反映其性能优劣的指标，是正确挑选和使用集成运放的依据。下面介绍集成运放的一些主要特性指标。1．开环差模电压放大倍数Auo2．开环差模输入电阻rid3.开环差模输出电阻ro4.共模抑制比KCMR5.最大输出峰—峰电压值跳转到第一页7.2集成运算放大器基本特性及应用跳转到第一页7.2.1．集成运算放大器基本特性1．集成运算放大器的理想特性一个理想的集成运放应具备以下主要条件：开环电压放大倍数Ao接近于无穷大开环输入电阻ri接近于无穷大开环输出电阻ro接近于零共模抑制比KCMR接近于无穷大跳转到第一页2．理想运算放大器工作在线性区的特性由于理想集成运放的开环电压放大倍数Ao趋于无穷大，因此电路中必须引入负反馈才能保证集成运放工作在线性区。这时输出电压与输入差模电压满足线性放大关系，即()ooPNuAuu跳转到第一页uo为有限值，而理想集成运放的开环电压放大倍数接近于无穷大，因而净输入电压，即0PNuuPNuu本特性称为“虚短”，如果有一个输入端接地，则另一个输入端也很接近地电位，称为“虚地”。由于理想集成运放的开环输入电阻ri接近于无穷大，因此两个输入端的输入电流就趋于零，即0PNii这一特性称为“虚断”。跳转到第一页3．理想运算放大器工作在非线性区的特性理想运算放大器工作在非线性区时，一般为开环或引入了正反馈。其特性如下：跳转到第一页7.2.2集成运算放大器的应用电路1．反相输入比例运算器与反相器反相输入比例运算器的电路如图7-3所示，其特点是反馈信号与输入信号都加在集成运算放大器的反相输入端。图中Rf为反馈电阻，R′为平衡电阻,且要求R′=R1//Rf。接入平衡电阻的目的是为了使集成运放输入级的差分放大器对称，有利于抑制零漂。跳转到第一页图7-3反相输入比例运算器跳转到第一页由图7-3可知：跳转到第一页负号表示uo和ui相位相反，因此称为反相放大器，又由于uo和ui成比例，故又称为反相比例运算放大器。若取R1=Rf=R，则比例系数为－1，电路变成为反相器。跳转到第一页例7.1在图7-3电路中，已知ui=－1V、Rf=10kΩ、R1=2kΩ，求uo。10f(1)5Voi21RuuR解：跳转到第一页2．同相输入比例运算器与电压跟随器同相输入比例运算器的电路如图7-4所示，其特点是反馈信号与输入信号都加在集成运算放大器的同相输入端。图7-4同相输入比例运算器跳转到第一页由图7-4可得：跳转到第一页由于uo和ui相位相同，因此称为同相放大器，又由于uo和ui成比例，故又称为同相比例运算放大器。若Rf=0，R1=∞则比例系数为1，电路成为电压跟随器。例7.2在图7-4电路中，已知ui=－1V、Rf=10kΩ、R1=2kΩ，求uo。10f(1)(1)(1)6Voi21RuuR解：跳转到第一页3．加法电路如果需要将两个电压ui1和ui2相加，可以利用图7-5所示电路来实现。它是在反相输入比例运算器的基础上，增加了一个输入支路组成的加法运算电路，也称反相加法器。图中同相输入端所接电阻R′必须满足平衡要求，即R′=R1//R2//Rf。跳转到第一页图7-5加法电路跳转到第一页由图7-5可知：跳转到第一页若R1=R2=Rf，则：例7.3如图7-5所示电路，已知R1=R2=Rf=10kΩ，ui1=3V，ui2=5V，求uo？解：由于R1=R2=Rf=10kΩ-uo=ui1+ui2-uo=3+5uo=8V跳转到第一页4．减法电路（1）利用差分式电路实现减法运算如图7-6所示是用来实现两个电压ui1、ui2相减的电路，其中Rf为反馈电阻，将输出信号的一部分反馈到输入端；R1、R2、R3为输入电阻；运算放大器起放大作用；ui1、ui2为两个输入电压信号，uo为输出电压。从电路结构上来看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。跳转到第一页图7-6利用差分式电路实现的减法器跳转到第一页跳转到第一页跳转到第一页（2）利于反相信号求和实现减法运算电路如图7-7所示，其中R1、R2为输入电阻；R3、R4为平衡电阻；Rf1、Rf2为反馈电阻，将输出信号的一部分反馈到输入端；两个运算放大器起放大作用；ui1、ui2为两个输入电压信号，uo为输出电压。跳转到第一页图7-7用加法电路构成减法电路跳转到第一页跳转到第一页5．积分电路将反相放大器中的反馈电阻Rf换成电容C，便可构成积分运算电路如图7-8所示。图7-8积分电路跳转到第一页跳转到第一页输出电压uo为输入电压ui对时间的积分，负号表示信号是从运算放器的反相输入端输入的。平衡电阻R2应和电阻R1相等。当输入信号ui为恒值电压时，在它的作用下，电容将以近似恒流方式进行充电，输出电压uo与时间t成近似线性关系，当积分值超出运放的线性范围时，输出电压为饱和值，不再维持与输入信号的积分关系。跳转到第一页6．微分电路将图7-8中的电阻和电容对换位置就构成了微分电路，如图7-9所示。图7-9微分电路跳转到第一页跳转到第一页可见uo正比于ui的微分。平衡电阻R1应和电阻Rf相等。当ui为恒值电压时，uo输出为尖脉冲电压。跳转到第一页7．电压比较器电压比较器的基本功能是对两个输入电压的大小进行比较，在输出端输出比较的结果。它是用集成运放开环或加正反馈来实现的，工作于非线性区。输出电压只有两种可能的数值，当uPuN时，uo=+UOM（高电平）；当uPuN时，uo=－UOM（低电平）。常用作模拟电路和数字电路的接口电路，在测量、通信和波形变换等方面应用广泛。跳转到第一页（1）任意电平电压比较器其电路如图7-10a所示。UR为已知的参考电压，加在集成运放的同相输入端，输入信号ui加在反相输入端。当uiUR时，uo=－UOM；当uiUR时，uo=+UOM，如图7-10b所示。当在反相输入端输入一个三角波信号，在同相输入端输入参考电压UR时，根据任意电平电压比较器的电压传输特性，则在输出端可以得到一个矩形波信号，如图7-10c所示。跳转到第一页图7-10任意电平电压比较器(a)原理图(b)电压传输特性(c)三角波变换为矩形波跳转到第一页（2）过零比较器当UR=0时，比较器称为过零比较器，其电路如图7-11所示。图7-11过零比较器(a)原理图(b)电压传输特性(c)正弦波变换为矩形波跳转到第一页利用过零比较器可以实现波形变换。这种比较器的优点是电路结构简单、灵敏度高，缺点是抗干扰能力差。（3）滞回电压比较器图7-12a所示为具有滞回特性的电压比较器，输出特性如图7-12b所示。输出电压uo通过R2加到同相输入端，构成正反馈。可见，滞回电压比较器是通过在电压比较器上加正反馈来实现的。跳转到第一页图7-12滞回电压比较器(a)原理图(b)输出特性跳转到第一页当输入电压ui由0V开始增加，输出电压uo为高电平UH，此时同相输入端的电压为UTH，称为上限电压，其电压为：在uiUTH时，输出电压为高电平UH，故UTH不变，输出保持高电平。随着输入电压ui逐渐上升，当uiUTH时，输出电压uo有高电平UH跳变为低电平UL，此时同相输入端的电压由UTH变为UTL，称为下限电压，其电压为：HRTH1R12UUURURR跳转到第一页当ui继续增加时，由于ui更大于UTL，输出低电平保持不变。只有当输入电压ui下降到uiUTL时，输出电压uo才有低电平UL跳变为高电平UH。滞回电压比较器当输入信号因受到干扰或其他原因发生变化时，只要变化值不超过上、下限电压范围，输出电压就不会发生变化，从而提高了电路的抗干扰努力。LRTL1R12UUURURR跳转到第一页8．方波发生器方波或矩形波电压常用于数字电路中作为信号源。由比较器再加上RC负反馈电路，便可组成方波发生器，如图7-13所示。图中双向稳压二极管对输出电压起限幅作用。跳转到第一页图7-13方波发生器(a)原理图(b)波形图跳转到第一页假设开始时，且，则参考电压：此时uNUP1，确保输出电压uo=+UZ。uo经电阻Rf2和VD2对电容C充电，使uC由零逐渐上升，当uC(t)UP1时，输出电压发生翻转，由+UZ跳变为－UZ，参考电压随之变为：2P1Z21RUURR2P2Z21RUURR跳转到第一页输出电压变为uo=－UZ，电容经过电阻Rf1和VD1开始放电，uC逐渐下降，当uC下降到UP2时，输出电压uo又由由－UZ跳变为+UZ。如此周而复始，波形如图7-13b所示。方波的周期与电容C的冲放电时间有关，估算式为：改变Rf1、Rf2、C、R1或R2，即可改变方波的周期。在振荡电路产生的周期信号中，高电平所占时间与信号周期的比值称为占空比，改变Rf1、Rf2的值可以改变占空比。22()ln(1)121RTRRCffR跳转到第一页9．三角波发生器由集成运放构成的三角波发生器如图7-14a所示。第一级A1组成电压比较器，输出电压为对称的方波信号。第二级A2组成积分器，输出电压uo为三角波信号,如图7-14b所示。跳转到第一页图7-14三角波发生器(a)原理图(b)波形图跳转到第一页设稳压管的稳压值为UZ，则电压比较器输出的高电平为+UZ，低电平为－UZ。由于三角波的输出uo是比较器的输入，所以由比较器的参考电压可以得到三角波的输出uo的幅值为：由此可见，要改变三角波的幅值，只要改变R1、R2的比值即可。1o2RuUZR跳转到第一页因为uo有0伏上升到uom所需要的时间为T/4，所以有积分电路的运算关系可得到三角波的幅值为：TT140o444UUZZudtCRRC跳转到第一页三角波的周期为：频率为：可见，频率取决于R1、R2、R4和C，而与UZ无关。4142RRCTR2414RfRRC跳转到第一页10．RC正弦波振荡器正弦波振荡电路是能够产生频率高达几百兆赫或低至几赫的正弦交流电信号的电路。它是无线电通信、广播系统的重要组成部分，也经常应用在测量、遥控和自动控制等领域。正弦波振荡电路的原理如图7-15所示。图7-15正弦波振荡电路的原理跳转到第一页从结构上来看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。它是利用反馈电压作为放大电路的输入电压，从而可以在没有外加输入信号的情况下，将直流电源提供的直流电变换成一定频率的正弦交流电信号。跳转到第一页跳转到第一页当电路与电源接通的瞬间，输入端必然会产生微小的电压变化量，它一般不是正弦量，但可以分解成许多不同频率的正弦分量，其中只有与由选频网络所决定的频率相同的正弦分量能满足自励振荡的相位条件，只要∣Ao∣∣F∣1，就会有UfUi，因而该频率的信号被放大后又被反馈电路送回到输人端，使输人端的信号增加，输出信号便进一步增加，如此反复循环下去，输出电压就会逐渐增大起来。对一般的放大电路来说，Ui较小时，晶体管工作在放大状态，∣Ao∣基本不变；Ui较大时，晶体管进人饱和状态，∣Ao∣开始减小，当∣Ao∣减小到正好满足自励振荡的幅度条件∣Ao∣∣F∣=1时，输出电压不再增加，振荡达到了稳