第16章 电工学集成运算放大器

电工学集成运算放大器

第16章 集成运算放大器 16章16.1 16.2 集成运算放大器的简单介绍

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 使用运算放大器应注意的几个问题

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第16章 集成运算放大器 16章本章要求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。 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， 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. 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、 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， 的工作原理。 的工作原理。 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。

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16.1 集成运算放大器的简单介绍16.1.1集成运算放大器概述 16.1.1集成运算放大器概述集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出 集成运算放大器是一种高电压增益、 电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多， 电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一 但结构具有共同之处，一般由四部分组成。 样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。

集成电路的几种外形

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输入级一般是差动放大器， 输入级一般是差动放大器，利用其对称特性可以提高整 一般是差动放大器 个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、同 个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、 相输入端两个输入端,且输入电阻高； 相输入端两个输入端,且输入电阻高； 中间级的主要作用是提高电压增益， 中间级的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电 的主要作用是提高电压增益 路组成， 路组成，或采用带恒流源的共发射极放大电路构成 ； 输出级一般由电压跟随器或互补功率放大电路所组成， 输出级一般由电压跟随器或互补功率放大电路所组成， 一般由电压跟随器或互补功率放大电路所组成 以降低输出电阻，提高带负载能力， 以降低输出电阻，提高带负载能力，能输出足够大的电压和 电流。 电流。 偏置电路是为各级提供稳定和合适的偏置电流。 偏置电路是为各级提供稳定和合适的偏置电流。 是为各级提供稳定和合适的偏置电流 此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。 此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。

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16.1.2 集成运算放大器的特点特点：高增益、高可靠性、低成本、 特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo 高: 80dB~140dB ro 低: 几十 ~ 几

百 几十 几百 rid 高: 105 ~ 1011 KCMR高: 70dB~130dB

左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图 左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出， A741集成运放有8个管脚， 从实物外形图上可看出，μA741集成运放有8个管脚，管脚 集成运放有 的排列图、电路图符号如下： 的排列图、电路图符号如下：外部接线图正电源端 空脚 输出端 调零端

+12V 7 反相输入 2 同相输入 3 1 3 4负电源端 调零电位器

集成运放的符号： 集成运放的符号：输出 6

8

7

6

5

- +

∞ +5 4

+UCC

µA741调零 端

u– 。 – 。 + + u+

Auo

。 uo

1

2

反相输入端 同相输入端

-12V

–UEE

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16.1.3 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。 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。 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。 愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 3. 输入失调电压 UIO 愈小愈好 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB 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。

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16.1.4 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) uo +Uo(sat) 理想特性O

+UCC

u– u+

– +

∞

线性区 u +– u – 饱和区 –Uo(sat)

线性区： 线性区： uo = Auo(u+– u–)

实际特性

饱和区： 饱和区： u+> u– 时， uo = +Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat)

注意： 都表示对“ 注意： u+, u– ,uo 都表示对“地”的电压 即各端的电位) (即各端的电位)

+–UEE

uo

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3. 理想运放工作在线性区的特点 因为 uo = Auo(u+– u– ) i– ∞ u– – uo 所以 差模输入电压约等于 0 + 所以(1) i+ u+ + 即 u+= u– ,称“虚短” 称 虚短” 电压传输特性 uo +Uo(sat) 线性区O

(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i– ≈ 0 ,称“虚断” 称 虚断” Auo越大，运放的 越大， 线性范围越小， 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。 其工作于线性区。

u +– u – –Uo(sat)

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4. 理想运放工作在饱和区的特点 uo 电压传输特性 +Uo(sat) 饱和区 u +– u –O

–Uo(sat) (1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或–Uo(sat) 输出只有两种可能, +U 当 u+> u– 时， uo = + Uo(sat) u+< u– 时，

uo = – Uo(sat) 虚短” 不存在 “虚短”现象 (2) i+= i– ≈ 0,仍存在“虚断”现象 仍存在“虚断”

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16.2 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、 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， 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、 行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反 对数、乘法和除法等运算。 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 运算放大器工作在线性区时， 度负反馈。所以， 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。 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， 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。 实现不同的运算。

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16.2.1

比例运算动画

(2)电压放大倍数 ) 因虚断，i+= i– = 0 , 虚断， 所以 i1 ≈ if ui u i = u uo i1 = f RF R1 + uo – 因虚短, 所以 –=u+= 0, 虚短 所以u , 称反相输入端“ 称反相输入端“虚 地”— 反相输入的重要 式中负号表示 特点输出电压与输 入电压的相位 相反

1. 反相比例运算 (1)电路组成 ) if RF + ui – i1 R1 i–u– u+

– +

∞

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