电工与电子技术基础-第6章 集成运算放大器

第6章集成运算放大器6.1集成运算放大器简介6.2放大电路中的负反馈6.4集成运放在信号处理方面的应用6.6集成运放在使用时的注意事项6.5集成运放在波形产生方面的应用6.3集成运放在信号处理方面的应用1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第6章集成运算放大器6.1集成运算放大器的简单介绍6.1.1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Auo高:80dB~140dBrid高:105~1011ro低:几十~几百KCMR高:70dB~130dB集成运放的符号：uo++Auou+u–。。。+UCC–UEE–+UCC–UEEuou–u+6.1.2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。6.1.3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.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB6.1.4理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo，rid，ro0，KCMR2.电压传输特性uo=f(ui)线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性uo++u+u–+UCC–UEE–饱和区O3.理想运放工作在线性区的特点因为uo=Auo(u+–u–)所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u–,称“虚短”(2)输入电流约等于0即i+=i–0,称“虚断”电压传输特性Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou–u+i+i––u+–u–uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O4.理想运放工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区6.2运算放大器在信号运算方面的运用集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。6.2.1比例运算1.反相比例运算1i1RuuiFofRuui（1）电路组成以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。（2）电压放大倍数因虚短,所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0，ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF动画6.2.1比例运算1.反相比例运算电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++–－－反馈电路直接从输出端引出—电压反馈输入信号和反馈信号加在同一输入端—并联反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈电压并联负反馈输入电阻低，共模电压0⑤电压并联负反馈，输入、输出电阻低，ri=R1。共模输入电压低。结论：①Auf为负值，即uo与ui极性相反。因为ui加在反相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。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？解：1.Auf=–RFR1=–5010=–5R2=R1RF=1050(10+50)=6.3k2.因Auf=–RF/R1=–RF10=–10故得RF=–AufR1=–(–10)10=100kR2=10100(10+100)=6.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例运算oF11uRRRu因虚断，所以u+=uii1Fo)1(uRRu（1）电路组成（2）电压放大倍数1Fiof1RRuuAuuoRFuiR2R1++––++–因虚短，所以u–=ui，反相输入端不“虚地”因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFu+u–2.同相比例运算输入电阻高共模电压=ui电压放大倍数电压串联负反馈输入信号和反馈信号分别加两个输入端—串联反馈反馈电路直接从输出端引出—电压反馈因虚短，所以u–=ui，反相输入端不“虚地”1Fiof1RRuuAui1Fo)1(uRRu反馈信号使净输入信号减小—负反馈uoRFuiR2R1++––++–动画⑤电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。结论：①Auf为正值，即uo与ui极性相同。因为ui加在同相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。当R1=且RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–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。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：负载电流的大小与负载无关。11LRuii例2：负载浮地的电压-电流的转换电路1.能测量较小的电压；2.输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流1xGRUIIGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi11iRu6.2.2加法运算电路1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0Fo2i2i1i1iRuRuRu故得)(2i2iF1i1iFouRRuRRu平衡电阻：R2=Ri1//Ri2//RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0所以ii1+ii2=if动画2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui2＝0)时，1i2i1i2iuRRRu同理，ui2单独作用时1Fo)1(uRRu?u2i2i1i1i1Fo)1(uRRRRRu1i2i1i2i1F)1(uRRRRR))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–动画方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRuuRRu)1(1Fo平衡电阻：Ri1//Ri2=R1//RFu+))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuu+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–6.2.3减法运算电路由虚断可得：2i323uRRRu由虚短可得：uu分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1=R2，R3=RF)(1i2i1FouuRRu则：如R1=R2=R3=RF1i2iouuu则：R2//R3=R1//RF输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量放大电路))1(1i1F2i3231FouRRuRRRRRu1F11io1iRRRuuu1R1iuuu动画分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。uRRu)1(1Fo2i3231F)1(uRRRRR1i1F2i3231F)1(uRRuRRRRRu+1i1FouRRuooouuuui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––6.2.4积分运算电路由虚短及虚断性质可得i1=iftuCRuCddF1ituCddoFtuCRud1iF1otuCiCddFF1i1Ruiif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有oiF1od10tutuCRuCttd1ooiF10tutuCRtt动画若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui时，则tUCRud1iF1ouitOF1iOM0CRUUt积分饱和线性积分时间线性积分时间–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui0ui=–Ui0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。输出电压随时间线性变化Ui–Ui将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1电路的输出电压)d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1FtuCRuRR)(fFoCuiRu上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。6.2.5微分运算电路Foi1ddRutuCtuCRuddi1Foifi1由虚短及虚断性质可得i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui动画比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRuCRfiiituCRuddi11i)dd(i1Fi1FotuCRuRRu—PD调节器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC6.3运放在信号处理方面的应用6.3.1有源滤波器滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。优点：体积小、效率高、频率特性好。按频率范围的不同，滤波器可