第第16章章 集成运算放大器集成运算放大器16.116.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍16.216.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用16.416.4 运算放大器在波形产生方面的运算放大器在波形产生方面的运算放大器在波形产生方面的运算放大器在波形产生方面的应用应用应用应用16.616.6 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题16.516.5 运算放大器在信号测量方面的运算放大器在信号测量方面的运算放大器在信号测量方面的运算放大器在信号测量方面的应用应用应用应用16.316.3 运算放大器在信号处理方面的运算放大器在信号处理方面的运算放大器在信号处理方面的运算放大器在信号处理方面的应用应用应用应用1. 1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；2. 2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理想理解运算放大器的电压传输特性，理解理想理解运算放大器的电压传输特性，理解理想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；运算放大器并掌握其基本分析方法；运算放大器并掌握其基本分析方法；运算放大器并掌握其基本分析方法；3. 3. 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和理解用集成运放组成的比例、加减、微分和理解用集成运放组成的比例、加减、微分和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，了解有源滤波器积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器 的工作原理；的工作原理；的工作原理；的工作原理；4. 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求本章要求第第16章章 集成运算放大器集成运算放大器16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多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。一种模拟集成电路。 集成电路集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不组成一个不可分的整体。可分的整体。 集成电路特点集成电路特点集成电路特点集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。靠性高、价格低。集成电路分类集成电路分类集成电路分类集成电路分类按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟各类型号集成芯片各类型号集成芯片16.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流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；源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感容、电感 和变压器均需外接；和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。二极管多用三极管的发射结代替。16.1.2 电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器方框图运算放大器方框图 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干输入电阻高，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扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源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。的共发射极放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载与负载相接，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。能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。 15VI3430PfR815VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的内部电路图的内部电路图 集成集成集成集成运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数(a)(b)(a) 符号符号; (b)引脚引脚8 7 6 59 F007101 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输出输出集成运放集成运放 741的的电路原理图电路原理图同相输入同相输入输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+UCCuo+- -UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C 同相输入同相输入输出输出16.1.3 主要参数主要参数 1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。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。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。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。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好愈小愈好愈小愈好 3. 输入失调电压输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB1. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 2. 开环输入电阻开环输入电阻3. 开环输出电阻开环输出电阻4. 共模抑制比共模抑制比 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，由于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用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此为此,后后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。16.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据 在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的想的运算放大器。理想化的主要条件：运算放大器。理想化的主要条件：16.1.4 16.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui u 时，时， uo = + Uo (sat) u+uu 时，时，时，时，u uo o= += +U Uo o (sat)(sat) u u+ +uu 时，时，时，时，u uo o= = U Uo o (sat)(sat) 即即即即 u ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o = = U Uo o (sat)(sat)可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2单限电压比较器：单限电压比较器：单限电压比较器：单限电压比较器： 当当 ui 单方向变化时，单方向变化时， uo 只变化一次。只变化一次。URuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat(sat) ) + +U Uo o(sat(sat) )uiuoOURui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ U Uo o(sat(sat) ) + +U Uo o(sat(sat) )uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat(sat) ) + +U Uo o(sat(sat) )uiuoOURURuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则则则 u ui i U UR R，u uo o = = U UZ ZUZ UZ电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURu ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o = = U Uo o (sat)(sat) uoRDZURuouiR2+ R1+过零电压比较器过零电压比较器过零电压比较器过零电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波URuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat(sat) ) + +U Uo o(sat(sat) )u ui iu uo oO OU UR R= 0= 0tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O O2. 2. 滞回比较器滞回比较器滞回比较器滞回比较器上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压 电路中引入正反馈电路中引入正反馈电路中引入正反馈电路中引入正反馈(1) (1) 提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；(2) (2) 输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生 在同一门限电压上。在同一门限电压上。在同一门限电压上。在同一门限电压上。RF当当 uo = + Uo(sat)， 则则 当当 uo = Uo(sat)，则，则门限电压受输门限电压受输出电压的控制出电压的控制R2 uoui+ R1+上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压 UU+ + ：u ui i 逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压UU+ +：u ui i 逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat)两次跳变之间具有迟两次跳变之间具有迟滞特性滞特性滞回比较器滞回比较器RFuoui+ R1+根据叠加原理，有根据叠加原理，有根据叠加原理，有根据叠加原理，有改变参考电压改变参考电压改变参考电压改变参考电压U UR R，可使传输特性沿横轴移动可使传输特性沿横轴移动可使传输特性沿横轴移动可使传输特性沿横轴移动。可见：可见：传输特性不再对称于纵轴，传输特性不再对称于纵轴，+URRFR2uoui+ R1+u ui iu uo oO O U Uo o(sat(sat) )+ +U Uo o(sat(sat) )电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性当参考电压当参考电压当参考电压当参考电压U UR R不等于零时不等于零时不等于零时不等于零时定义：定义：定义：定义：回差电压回差电压回差电压回差电压 与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：1. 1. 改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。2. 2. 回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力， U U越大，抗干扰越大，抗干扰越大，抗干扰越大，抗干扰 能力越强。能力越强。能力越强。能力越强。结论：结论：结论：结论：1. 1. 调节调节调节调节R RF F 或或或或R R2 2 可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。2. 2. 改变改变改变改变U UR R可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压， 但不影响回差但不影响回差但不影响回差但不影响回差 电压电压电压电压 U U。 电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。解：解：解：解：对图（对图（对图（对图（1 1） 上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压例：例：例：例：电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示， U Uo o(sat(sat) ) =6V=6V，U UR R = 5V= 5V， R RF F = 20k= 20k ，R R2 2 =1 =10k0k ，求上、下门限电压。求上、下门限电压。求上、下门限电压。求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+ + + R R1 1+ + + + + +U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+ + + R R1 1+ + + + （2 2）解：解：解：解：对图（对图（对图（对图（2 2） 例：例：例：例：电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示， U Uo o(sat(sat) ) =6V=6V，U UR R = 5V= 5V， R RF F = 20k= 20k ，R R2 2 =1 =10k0k ，求上、下门限电压。求上、下门限电压。求上、下门限电压。求上、下门限电压。（1 1）（2 2）+ +U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+ + + R R1 1+ + + + R RF FR R2 2u uo ou ui i+ + + R R1 1+ + + + （1 1）+ +U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+ + + R R1 1+ + + + （2 2）u ui iu uo oO O- -6 6-2-22 26 6 图图图图(1)(1)的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性图图图图(2)(2)的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性u uo ou ui iO O - -6 66 61.331.335.335.33R RF FR R2 2u uo ou ui i+ + + R R1 1+ + + + 例例1：图图中中所所示示为为运运放放组组成成的的过过温温保保护护电电路路，R 是是热热敏敏电电阻阻，温温度度升升高高阻阻值值变变小小。KA 是是继继电电器器，温温度度升升高高，超超过过规规定定值值，KA 动动作作，自自动动切切断断电电源源。分分析其工作原理。析其工作原理。 温度温度 超过超过 规定值，规定值，ui UR， uo= +UOM，T 导通。导通。 KA 动作，动作，切断电源。切断电源。 温度未超过规定值，温度未超过规定值，Ui UR， uo= UOM，T 截止。截止。 KA 不动作。不动作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+uiuo电压传电压传输特性输特性uoOU UOO(sat)(sat)UUOO(sat)(sat)例例2: 电路如图所示电路如图所示, ui 是是一正弦电压一正弦电压, 画出画出 uo 的波的波形形。OtU UOO(sat)(sat)UUOO(sat)(sat)解解: :运放为同相输入过零电压运放为同相输入过零电压 比较器比较器uoOtOtOtUUOO(sat)(sat)U UOO(sat)(sat)各电压波形如右图所示。各电压波形如右图所示。R1R2uiuo+CDRLR 16.5 运放在信号测量方面的应用运放在信号测量方面的应用 在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量感器将非电量感器将非电量感器将非电量( (如温度、应变、压力和流量等如温度、应变、压力和流量等如温度、应变、压力和流量等如温度、应变、压力和流量等) ) 的变的变的变的变化转换为电信号化转换为电信号化转换为电信号化转换为电信号( (电压或电流电压或电流电压或电流电压或电流) ) ，而后输入系统。但而后输入系统。但而后输入系统。但而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小很小很小很小 ( ( 一般只有几毫伏到几十毫伏一般只有几毫伏到几十毫伏一般只有几毫伏到几十毫伏一般只有几毫伏到几十毫伏) )，所以要将电，所以要将电，所以要将电，所以要将电信号加以放大。信号加以放大。信号加以放大。信号加以放大。 测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。 一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。测量放大器的原理电路测量放大器的原理电路测量放大器的原理电路测量放大器的原理电路ui1+R2+uo2uo1uoR6R6R4R4+R2R1+ui2ui+A2A1A3 +对对对对AA1 1和和和和AA2 2有有有有对对对对AA3 3有有有有 改变改变改变改变RR1 1的阻值，的阻值，的阻值，的阻值，即可调节电压放即可调节电压放即可调节电压放即可调节电压放大倍数大倍数大倍数大倍数作作 业业16.2.6 16.2 7 16.2.1116.2.14 16.3.3(B) (D) 16.3.4 16.3.5