1、第10章 集成運算放大器,10.1 集成運算放大器概述,10.2 反饋的基本概念,10.4 基本運算電路,10.5 電壓比較器,10.3 理想運算放大器,1. 了解集成運算放大器的基本組成及特點，理解集成運算放大器的電壓傳輸特性，了解其主要參數(shù)的意義。 2. 理解反饋的概念，了解反饋的判斷方法及對放大電路性能的影響。 3. 理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法，掌握集成運算放大器的反相輸入、同相輸入和差動輸入三種輸入方式。理解用集成運算放大器組成的比例、加減、積分、微分運算電路的工作原理。掌握分析電路的基本方法。 4. 了解電壓比較器的外特性。了解電壓比較器的工作原理和有關(guān)結(jié)論。,本章要求,

2、集成電路：是利用氧化、光刻、擴(kuò)散、外延等集成工藝，將整個電路的各個元件及導(dǎo)線集中制做在一小塊半導(dǎo)體芯片上，成為不可分割的整體。實現(xiàn)了材料，元件和電路的統(tǒng)一。與分立電路比較體積更小、重量更輕、功耗更低、工作更可靠。,分立電路：是由各種單個元件聯(lián)接起來的電子電路。,10.1 集成運算放大器概述,集成電路誕生于20世紀(jì)60年代，集成電路的問世，是電子技術(shù)的一個新的飛躍，到80年代已經(jīng)進(jìn)入了超大規(guī)模集成電路時代，進(jìn)入了微電子學(xué)時代，從而促進(jìn)了各個科學(xué)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。,按集成度分為小、中、大、超大規(guī)模集成電路（在幾十平方毫米的芯片上制有上百萬、千萬個元件） 。,集成電路的分類:,模擬集成電路：集成運

3、算放大器 集成功率放大器 集成穩(wěn)壓電源 集成數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器,按功能分: 模擬集成電路、數(shù)字集成電路。,按導(dǎo)電類型分: 雙極型：NPN、PNP 單極型：MOS管,應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出信號運算的界限，在信號處理、信號測量及波形產(chǎn)生等方面獲得廣泛應(yīng)用,高速運算放大器,雙列直插式,圓殼式,集成電路成品外形,集成運算放大器是一個高增益的直接耦合放大電路。,一、集成運算放大器的組成,采用差分放大電路，抑制零點漂移,ri很大,采用多極共射放大電路，獲得較大的A0,采用共集放大電路，r0小，提高帶載能力。,特點：ri很大幾十K幾M, A0很大萬幾百萬倍, r0很小幾十幾百, KCMRR 很高,集成運算放大器符號,

4、u,u+,uo,國際符號：,國內(nèi)符號：,反相輸入端,同相輸入端,輸出端,信號輸入方式,1、反相輸入：,2、同相輸入：,3、差分輸入：信號從兩端輸入,+,信號從反相輸入，則輸出信號與輸入信號反相,信號從同相輸入，則輸出信號與輸入信號同相,uo,Ao越大，線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。,二、電壓傳輸特性,因此，引入深度負(fù)反饋是集成運放實現(xiàn)線性應(yīng)用的必要條件。,1、線性區(qū):,線性區(qū),2、飽和區(qū)：,飽和區(qū),10.2 反饋的基本概念,一、反饋的概念,輸出信號,輸入信號,反饋信號,凈值信號,開環(huán)放大倍數(shù),閉環(huán)放大倍數(shù),反饋系數(shù),凡是將放大電路輸出端的信號（電壓或電流）的一部分或全部通過一

5、定的電路條件（反饋回路）以一定的方式（并聯(lián)或串聯(lián)）引回到輸入端，與輸入信號疊加，就稱為反饋。,取+ 加強凈輸入信號 正反饋 用于振蕩器,取 - 削弱凈輸入信號 負(fù)反饋 用于放大器,閉環(huán),實際被放大信號,二、反饋的類型,1、從反饋的極性分,根據(jù)反饋信號在輸入端與輸入信號比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。,串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋電壓信號與輸入信號電壓比較。,并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號電流與輸入信號電流比較。,2、從反饋的方式分,電壓反饋：反饋信號取自輸出電壓信號。 電流反饋：反饋信號取自輸出電流信號。,根據(jù)反饋所取樣的信號不同，可以分為電壓反饋和電流反

6、饋。,3、從反饋的取樣量分,4、交流反饋與直流反饋,交流反饋：反饋只對交流信號起作用。 直流反饋：反饋只對直流起作用。,若在反饋網(wǎng)絡(luò)中串接隔直電容，則可以隔斷直流，此時反饋只對交流起作用。,在起反饋作用的電阻兩端并聯(lián)旁路電容，可以使其只對直流起作用。,負(fù)反饋,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,電流串聯(lián)負(fù)反饋,電流并聯(lián)負(fù)反饋,負(fù)反饋的分類小結(jié),uo,_,+,+,A0,Rf,R1,R2,ui,RL,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,電流串聯(lián)負(fù)反饋,uo,_,+,+,A0,Rf,R1,R2,ui,電流并聯(lián)負(fù)反饋,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,+,-,設(shè)輸入電壓 ui 為正，,差值電壓 ud =ui uf,各電壓的實際方向如圖,uf

7、削弱了凈輸入電壓(差值電壓) 負(fù)反饋,反饋電壓,取自輸出電壓電壓反饋,反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較 串聯(lián)反饋,特點：輸入電阻高、輸出電阻低,1.串聯(lián)電壓負(fù)反饋,2.并聯(lián)電壓負(fù)反饋,設(shè)輸入電壓 ui 為正，,差值電流 id = i1 if,各電流的實際方向如圖,if 削弱了凈輸入電流(差值電流) 負(fù)反饋,反饋電流,取自輸出電壓電壓反饋,反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較并聯(lián)反饋,特點：輸入電阻低、輸出電阻低,3.串聯(lián)電流負(fù)反饋,設(shè)輸入電壓 ui 為正，,差值電壓 ud =ui uf,各電壓的實際方向如圖,uf 削弱了凈輸入電壓(差值電壓) 負(fù)反饋,反饋電壓,取自輸出電流 電

8、流反饋,反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較 串聯(lián)反饋,uf =Rio,4.并聯(lián)電流負(fù)反饋,設(shè)輸入電壓 ui 為正，,差值電流 id = i1 if,各電流的實際方向如圖,if 削弱了凈輸入電流(差值電流) 負(fù)反饋,反饋電流,取自輸出電流電流反饋,反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較 并聯(lián)反饋,三、運算放大器電路反饋類型的判別方法：,1. 判斷串、并聯(lián)反饋方法： 輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端（同相和反相）上的，是串聯(lián)反饋；加在同一個輸入端（同相或反相）上的，是并聯(lián)反饋。 2. 利用瞬時極性法判斷正、負(fù)反饋方法： 對串聯(lián)反饋，輸入信號和反饋信號的極性相同時，是負(fù)反饋；極性相反

9、時，是正反饋； 對并聯(lián)反饋，輸入信號和反饋信號的極性相同時，是正反饋；極性相反時，是負(fù)反饋。 3. 判斷電壓、電流反饋方法： 令輸出電壓uo=0，若反饋信號也等于零的是電壓反饋；若反饋信號不等于零的是電流反饋。 另：簡便判斷方法：反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負(fù)載電阻RL的靠近“地”端引出的，是電流反饋。,例1：,試判別下圖放大電路中從運算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。,解：,令輸出電壓uo=0，則反饋信號uf=0，所以是電壓反饋。,因輸入信號和反饋信號分別加在反相輸入端和同相輸入端上，所以是串聯(lián)反饋；,串聯(lián)電壓負(fù)反饋,在圖中標(biāo)出各點的瞬時極性及反饋信號；,

10、可見：輸入信號和反饋信號的極性相同，所以是負(fù)反饋；,例2：,試判別下圖放大電路中從運算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。,解：,令輸出電壓uo=0，而反饋信號if不等于零，所以是電流反饋。,因輸入信號和反饋信號均加在同相輸入端上，所以是并聯(lián)反饋;,在圖中標(biāo)出輸入、輸出和反饋信號的瞬時極性,并聯(lián)電流負(fù)反饋,因輸入信號和反饋信號的極性相反，所以是負(fù)反饋；,例 10.2.1 試判斷圖示電路中 Rf 所形成的反饋。,解,uf +, ud +,用瞬時極性法判斷正、負(fù)反饋：, ud = uiuf,= ui + |uf |,ui,為正反饋；, 輸出端短路時，uf =0,為電壓反饋；, 為

11、電壓串聯(lián)正反饋。,四、負(fù)反饋對放大電路性能的改善,則有：,負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。,（1）提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性,則：,負(fù)反饋對放大電路性能的改善,（2）加寬了通頻帶,(3) 改善了非線性失真：,(a) 無負(fù)反饋時,(b) 有負(fù)反饋時,（4）穩(wěn)定了輸出電壓或輸出電流,例如:射極輸出器,理解：電壓負(fù)反饋目的是阻止uo的變化，穩(wěn)定輸出電壓。,（5）改變了輸入電阻和輸出電阻,串聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻增加,并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻減小,理解：串聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中串聯(lián)了一個電阻，故輸入電阻增加。,理解：并聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中并聯(lián)了一條支路，故輸入電阻減小。,理解：電流負(fù)反饋目的是阻止io

12、的變化，穩(wěn)定輸出電流。,由于實際運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻極高，輸出電阻極低。故在分析時常采用將其近似理想化。,一、理想運放的條件,10.3 理想運算放大器,1、,2、,3、,ri,4、,二、電壓傳輸特性 uo= f (ui),線性區(qū)： uo = Ao(u+ u),非線性區(qū)： u+ u 時， uo = +UOM u+ u 時， uo = UOM,線性區(qū),理想特性,實際特性,飽和區(qū),O,1. 理想運放工作在線性區(qū)的特點,因為,所以(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,O,Ao越大，運放的線性

13、范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。,因為ri，,電壓傳輸特性,2. 理想運放工作在飽和區(qū)的特點,(1) 輸出只有兩種可能, +UOM 或UOM,(2) i+= i 0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象,當(dāng) u+ u 時， uo = + UOM u+ u 時， uo = UOM 不存在 “虛短”現(xiàn)象,三、重要結(jié)論-分析運算電路線性應(yīng)用的依據(jù),“虛短路”,“虛斷路”,10.4 基本運算電路,集成運算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。,運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸

14、入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實現(xiàn)不同的運算。,一、比例運算電路,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()。,（2）電壓放大倍數(shù),因虛短, 所以u=u+= 0， 稱反相輸入端“虛地” 反相輸入的重要特點,因虛斷，i+= i = 0 ，,所以 i1 if,因要求靜態(tài)時u+、 u 對地電阻相同， 所以平衡電阻 R2 = R1 / RF,U+,U -,虛地點,1. 反相比例運算,電壓放大倍數(shù),反饋電路直接從輸 出端引出電壓反饋,輸入信號和反饋信號加在 同一輸入端并

15、聯(lián)反饋,反饋信號使凈輸入 信號減小負(fù)反饋,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,輸入電阻低,當(dāng)R1=RF時，u0=-ui，該電路稱為反相器。, 電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低。,結(jié)論：, Auf為負(fù)值，即 uo與 ui 極性相反。因為 ui 加 在反相輸入端。, Auf 只與外部電阻 R1、RF 有關(guān)，與運放本 身參數(shù)無關(guān)。, | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。, 因u= u+= 0 ， 所以反相輸入端“虛地”。,例：電路如下圖所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：1. Auf 、R2 ； 2. 若 R1不變，要求Auf為 10，則RF 、 R2 應(yīng)為 多少？,解：1.

16、 Auf = RF R1 = 50 10 = 5,R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k,2. 因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k,2. 同相比例運算,因虛斷，所以u+ = ui,（1）電路組成,（2）電壓放大倍數(shù),因虛短，所以 u = ui ， 反相輸入端不“虛地”,因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同， 所以平衡電阻R2=R1/RF,2. 同相比例運算,輸入電阻高,電壓放大倍數(shù),電壓串聯(lián)負(fù)反饋,輸入信號和反饋信號分別 加

17、兩個輸入端串聯(lián)反饋,反饋電路直接從輸 出端引出電壓反饋,因虛短，所以 u = ui ， 反相輸入端不“虛地”,反饋信號使凈輸入 信號減小負(fù)反饋, 電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低。,結(jié)論：, Auf 為正值，即 uo與 ui 極性相同。因為 ui 加 在同相輸入端。, Auf只與外部電阻 R1、RF 有關(guān)，與運放本 身參數(shù)無關(guān)。, Auf 1 ，不能小于 1 。, u = u+ 0 ，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。,當(dāng) R1= 且 RF = 0 時，,uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。,由運放構(gòu)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。,左

18、圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時，其兩端電壓 uo不會隨之變化。,二、加法運算電路,1. 反相加法運算電路,因虛短, u= u+= 0,平衡電阻： R2= Ri1 / Ri2 / RF,因虛斷，i = 0,所以 ii1+ ii2 = if,若Ri1 =Ri2 =RF,另一方法：利用疊加原理,2. 同相加法運算電路,方法1: 根據(jù)疊加原理 ui1單獨作用(ui20)時，,同理，ui2單獨作用時,方法2：,平衡電阻： Ri1 / Ri2 = R1 / RF,u+,u+=?,也可寫出 u和 u+的表達(dá)式，利用 u= u+ 的性質(zhì)求解。,三、減法運算電路,

19、由虛斷可得：,由虛短可得：,分析方法1：,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。,常用做測量 放大電路,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+,減法運算實際是差分電路,例：測量放大器(儀用放大器),對共模信號：,uO1 = uO2 則 uO = 0,例：,u-= u+,R、RW、R三個電阻可視為串聯(lián),+,例. R1=10k , R2=20k , ui 1=-1V，ui 2=1V。求:uo,例.,uo,30k,60k,20k,20

20、k,2v,_,+,+,60k,30k,20k,uo1,uo2,30k,30k,60k,-4v,2v,例10.4.2,課堂練習(xí),四、積分運算電路,由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i1 = if,if =?,當(dāng)電容CF的初始電壓為 uC(t0) 時，則有,平衡電阻:R2 = R1,若輸入信號電壓為恒定直流量，即 ui= Ui 時，則,積分飽和,線性積分時間,線性積分時間,Uo(sat),ui = 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 uo 是時間 t 的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。,輸出電壓隨時 間線性變化,Ui,Ui,五、微分運算電路,由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i1 = if,Ui,Ui,微分時間常數(shù),平衡電阻: R2 = Rf,10.5 電壓比較器,電壓比較器的功能： 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)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