大二电工学运算放大器课件解读.ppt

1、3 3 集成运算放大器集成运算放大器3.1 3.1 集成运算放大器集成运算放大器3.2 3.2 运算放大器的分析方法运算放大器的分析方法3.3 3.3 基本运算电路基本运算电路3.3.1 3.3.1 比例运算电路比例运算电路3.3.2 3.3.2 求和运算求和运算电路电路3.3.3 3.3.3 积分运算电路积分运算电路3.3.4 3.3.4 微分运算微分运算电路电路3.4 3.4 运算放大器在其他方面的应用运算放大器在其他方面的应用内容简介内容简介1 本章要求本章要求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。2.2.理解运算放大器的电压传输特性，和

2、理想理解运算放大器的电压传输特性，和理想 运算放大器的分析方法。运算放大器的分析方法。3.3.掌握用集成运放组成的比例、加减、微分和掌握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。积分运算电路的工作原理。4.4.了解运放在线性和非线性方面的其它应用。了解运放在线性和非线性方面的其它应用。2 3.1 3.1 集成运算放大器集成运算放大器3.1.13.1.1集成电路概述集成电路概述 集成电路是应用半导体的制造工艺，把整个电集成电路是应用半导体的制造工艺，把整个电路，包括晶体管、电阻等元件及联线都制造在一块路，包括晶体管、电阻等元件及联线都制造在一块半导体基片上，形成的不可分割的固体

3、快。它从根半导体基片上，形成的不可分割的固体快。它从根本上动摇了原来电子电路的概念，实现了元件、电本上动摇了原来电子电路的概念，实现了元件、电路和系统的结合。集成电路显示出许多分立件电路路和系统的结合。集成电路显示出许多分立件电路无法比拟的优点，它体积小、重量轻、功耗小、性无法比拟的优点，它体积小、重量轻、功耗小、性能好，由于外部引线大为减少，减少了故障，提高能好，由于外部引线大为减少，减少了故障，提高了可靠性。了可靠性。3集成电路的分类：集成电路的分类：按功能集成电路可分为数字集成电路和模拟集成按功能集成电路可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类，本章所讲集成运算放大器是模拟集成电电路两大类

4、，本章所讲集成运算放大器是模拟集成电路的一种。在第路的一种。在第5 5章数字电路中，将介绍几种数字集章数字电路中，将介绍几种数字集成电路。成电路。集成运算放大器特点：集成运算放大器特点：集成运算放大器是一种采用多级直接耦合的高放集成运算放大器是一种采用多级直接耦合的高放大倍数的放大电路，它既能放大缓慢变化的直流信号，大倍数的放大电路，它既能放大缓慢变化的直流信号，又能放大交流信号。用运算放大器及其反馈网络，可又能放大交流信号。用运算放大器及其反馈网络，可以组成多种运算电路，模拟数学运算，还广泛用于信以组成多种运算电路，模拟数学运算，还广泛用于信号处理、波形发生等电路中。号处理、波形发生等电路中

5、。4集成电路的学习方法集成电路的学习方法:集成电路是一种元器件，对使用者来说集成电路是一种元器件，对使用者来说主要的不是像分立件电路那样去了解内部电主要的不是像分立件电路那样去了解内部电路细节，而是了解各种型号的功能、外部引路细节，而是了解各种型号的功能、外部引线、及主要技术指标和如何使用。线、及主要技术指标和如何使用。53.1.2 3.1.2 典型集成运算放大器典型集成运算放大器A741A741分析分析A741A741是属于第二代集成电路中有代表性的产品它内部有是属于第二代集成电路中有代表性的产品它内部有1919个晶体管，个晶体管，2 2个二极管，个二极管，9 9个电阻，电路由四部分组成：个

6、电阻，电路由四部分组成：输入级、偏置电路、中间放大级、输出级。输入级、偏置电路、中间放大级、输出级。输入级输入级T1T8中间级中间级T13T16T17输出级输出级T14T15T18T19偏置电路偏置电路T9T126 输入级采用带恒流源的差动放大电路，输入电阻输入级采用带恒流源的差动放大电路，输入电阻高；输出级采用互补对称电路，输出电阻低，带负载高；输出级采用互补对称电路，输出电阻低，带负载能力强。整个电路差模电压增益高，共模抑制比高。能力强。整个电路差模电压增益高，共模抑制比高。A741A741的外部接线图及管脚图：的外部接线图及管脚图：调零电位计调零电位计A741A7411 2 3 41 2

7、 3 4 8 7 6 58 7 6 5A741A741为为8 8脚双脚双列直插式芯片，列直插式芯片，脚为空脚。脚为空脚。反相输入端反相输入端（）（）（）同相输入端同相输入端输出端输出端15V15V15V15V3 31 15 54 46 67 72 2A741A74173.1.3 3.1.3 主要技术指标主要技术指标 1.1.开环差模电压增益开环差模电压增益 Aod 指无反馈电路时的差模电压放大倍数。指无反馈电路时的差模电压放大倍数。Aod=|Uo/(U+-U-)|，Aod 愈高，所构成的运算电路越愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高，一般稳定，运算精度也越高，一般Aod很大约为很大约为

8、 104106,也用也用 Aod=20lg|UO/(U+-U-)|表示，约为表示，约为80120db。2.差模输入电阻差模输入电阻rid rid 一般非常大，在兆欧级一般非常大，在兆欧级。3.输出电阻输出电阻ro ro一般很小，为几十一般很小，为几十几百欧姆。几百欧姆。84.共模抑制比共模抑制比KCMRR5.KCMRR=|Aod/Aoc|，式中式中Aoc为共模放大倍数。为共模放大倍数。KCMRR越大，识别差模信号的能力越强，抑制共模信号越大，识别差模信号的能力越强，抑制共模信号的能力越大。也表为的能力越大。也表为 KCMRR(db)=20lg|Aod/Aoc|。5.最大输出电压最大输出电压Uo

9、pp 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，又称为饱和电压。又称为饱和电压。93.2 3.2 运算放大器的分析方法运算放大器的分析方法3.2.1 3.2.1 理想运算放大器理想运算放大器 在一般分析计算中，都将集成运算放大器看成理在一般分析计算中，都将集成运算放大器看成理想运算放大器，即将集成运算放大器的各项技术指标想运算放大器，即将集成运算放大器的各项技术指标理想化。即认为：理想化。即认为：1 1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数 Aod ；2）差模输入电阻差模输入电阻 rid ；3）输出电阻输出电阻 ro 0；4）共模抑制比共模抑制比 K

10、CMRR 10理想运算放大器的图形符号理想运算放大器的图形符号“-”为反相输入端；为反相输入端；“+”为同相输入端；为同相输入端；“”表示开环电压放大倍数满足理想化条件；表示开环电压放大倍数满足理想化条件；这里省略了其这里省略了其它引线，而只画它引线，而只画出了两个输入端出了两个输入端和一个输出端，和一个输出端，其中：其中：“”表示运放输入。表示运放输入。+uouu+i+i 11运放的三种工作方式运放的三种工作方式 1 1）当信号从同相输入端对公共地端输入时，输出）当信号从同相输入端对公共地端输入时，输出电压与输入电压同相，电压与输入电压同相，同相输入方式；同相输入方式；2）当信号从反相输入端

11、对公共地端输入时，输出）当信号从反相输入端对公共地端输入时，输出电压与输入电压反相，电压与输入电压反相，反相输入方式；反相输入方式；3）当信号同时从同相输入端和反相输入端对公共）当信号同时从同相输入端和反相输入端对公共地端输入时，输出电压相位由两个输入电压综合决定，地端输入时，输出电压相位由两个输入电压综合决定，差动输入方式。差动输入方式。123.2.2 3.2.2 运算放大器的电压传输特性和两运算放大器的电压传输特性和两个工作区域个工作区域 输出电压输出电压u uo o与输入电压与输入电压(u u+-u u-)之间关系的特性曲线之间关系的特性曲线 u uo o=f f(u u+-u u-)，

12、称为电压传输特性。称为电压传输特性。u+u uo+UoppUopp O线性区线性区饱和区饱和区131.运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点当当|uo|Uopp时，输入电压和输时，输入电压和输出电压有线性关系：出电压有线性关系：(1）由于开环差模增益）由于开环差模增益 Aod ，而输出电压而输出电压uo为为有限值，有有限值，有u+-u-0，(2)由于差模输入电阻由于差模输入电阻 rid ,输入电流约等于输入电流约等于 0+uouu+i+i u+u uoUopp O线性区线性区uo=Aod（u+u)+Uopp理想运放工作在线性区有两个理想运放工作在线性区有两个重要特点：重要特点：即即 u+

13、=u-，即即 i+=i-0，14运放工作在线性区的条件是必须引入负反馈：运放工作在线性区的条件是必须引入负反馈：这是由于，当这是由于，当|uo|Uopp时，运放工作在线性区，输时，运放工作在线性区，输入电压和输出电压有线性关系：入电压和输出电压有线性关系：uo=Aod（u+u)由于由于Aod，在无负反馈（开环）情况下，只要在无负反馈（开环）情况下，只要 u+-u-有一点点输入，有一点点输入，uo就会达到正饱和就会达到正饱和+UOPP 或负饱或负饱和和-UOPP。由于干扰的影响，很难使运放在开环时工作由于干扰的影响，很难使运放在开环时工作在线性区。引入负反馈，可减少净输入电压在线性区。引入负反馈

14、，可减少净输入电压 u+-u-,使使uo u 时，时，uo=+Uopp u+t1时，时，uo=-UOPP=-10V。583.3.4 微分运算电路微分运算电路dtduCt dudCiicc11 t dudCRiRuFFi1Fo 因因u-=0,ic=if,uoificC1uiR2RF+uitOuotO动画动画1.ui=+Uit=0时时很大很大dtduiuo产生较大跃变产生较大跃变随着电容随着电容C的充电的充电uo 衰减为衰减为059 微分运算电路微分运算电路tuCRuddi1Fo ifi1uoC1uiR2RF+uitOuotO动画动画2.ui=-UI60比例比例-微分运算电路微分运算电路上式表明：

15、输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中，控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作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。用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu uoC1uiR2RF+R1ifiRiC61i3i1ii+uoR3uiR2R1+R4CiCi4另一种比例微分电路另一种比例微分电路33113,RiuRuiici dtduCiiiicc 334dtdiCRi333 dtduCRRRuii131 4433RiRiuo dtd

16、uCRRRuRRuRRiii1431413 dtduCRRRuRRRii143143 62uitOuotO比例微分电路阶跃输入时的波形比例微分电路阶跃输入时的波形iuRRR143 633.4 运算放大器在其他方面的应用运算放大器在其他方面的应用 运算放大器组成的运算电路工作在线性区，以完成运算放大器组成的运算电路工作在线性区，以完成摸拟信号的数学运算，在电子技术及工业控制中，还有摸拟信号的数学运算，在电子技术及工业控制中，还有许多其他应用。这里例举一些信号处理、波形发生等应许多其他应用。这里例举一些信号处理、波形发生等应用电路，在这些电路中，运放有的工作在线性区，有的用电路，在这些电路中，运放

17、有的工作在线性区，有的工作在饱和区。工作在饱和区。3.4.1 电压比较器电压比较器电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。由此来判断输入信号的由此来判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。64电压比较器的电压传输特性电压比较器的电压传输特性UZ UZuoRDZURuouiR2+R1+图中图中UR为比较电压，由于运为比较电压，由于运放工作在开环状态，当放工作在开环状态，当ui略大略大于于UR时，时，uo立即变为负饱和立即变为负饱和值值-UOPP，当，当ui略小于略小于UR时，时，uo立即变为正饱和值立即变为正饱和值+UOPP。uiUR时，时，uo=

18、UOPP电压传输特性电压传输特性uiuoO +UOPP UOPPUR(uo)652vuitOOuot 6v 6vt1t2例：设例：设ui为峰值为为峰值为4V，周周期为期为T=80ms的三角波，的三角波，比较电压比较电压UR=2V，稳压管稳压管的稳定电压的稳定电压UZ=6V，试试画出输出电压波形。画出输出电压波形。8040(ms）4v解：解：ui2V时时,uo=UZ=6V，ui+UT,uo=-UZ,u+=-UT,电容开始反向充电，电容开始反向充电，uouc00tt-UT+UT+UZ-UZt1t2t3T输出方波的周期为输出方波的周期为:)1ln(221RRCRTF 当当 uc=u-UT,uo=+U

19、Z 电路产生自激振荡，输出方波。电路产生自激振荡，输出方波。动画动画733.4.4 三角波发生器三角波发生器R3 两级输出电压两级输出电压通过通过R2和和R3反馈到反馈到A1的同相端。的同相端。uo1通过通过R2产生电压产生电压正反馈。受正反馈正反馈。受正反馈影响，影响，uo1输出方波输出方波A1为比较器，为比较器，输出方波；输出方波；A2为积分器，为积分器，对方波积分，对方波积分，输出三角波。输出三角波。ZoUu 1A2对对uo1进行积分，进行积分，输出三角波输出三角波 dtuRCuoo1174动画动画ttuo1uo00+UZ+UZ-UZ-UZt1t2t3工作过程：工作过程：电路通电后，电路

20、通电后，uo1和和uo输出随机，输出随机，设设t=0 时时uo1为正，由于正反馈为正，由于正反馈作用，很快达到正饱和，作用，很快达到正饱和，uo1=+UZ,A2进行反向积分，进行反向积分，uo下降下降(设设t=0,uo=0),当当t=t1 时时 uo=-UZ;若若R2=R3，则此时两输出端反馈到则此时两输出端反馈到A1同相端的电压之同相端的电压之和为零，只要和为零，只要uo再下降一点，由于正反馈作用，再下降一点，由于正反馈作用，A1立刻立刻翻转，翻转，uo1=-UZ,A2开始反向积分开始反向积分(t1 t2);当当t=t2时，时，uo=+UZ，由于正反馈作用，由于正反馈作用，A1再次翻转，再次翻转，uo1=+UZ;t2t3 ,A2 再次反向积分，重复上述过程。再次反向积分，重复上述过程。75R3+UZ+UZ-UZ-UZt1t2t3ttuo1uo00可以证明电路的可以证明电路的自激振荡周期为自激振荡周期为T=4RCT振荡频率为：振荡频率为：RCf41 改变改变RC可以调节频率；可以调节频率；改变改变R2和和R3可改变方波可改变方波和三角波的对称性。和三角波的对称性。动画动画7677