第12章集成运算放大器

发布时间：2024-11-04

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第12章集成运算放大器 12章12.1 12.2 12.3 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

运算放大器在信号处理方面的应用 12.4 运算放大器在波形产生方面的应用 12.5 使用运算放大器应注意的几个问题

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第12章集成运算放大器 12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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12.1 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级直接耦合放大电路。是发展最早、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。

12.1.1 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 rid 高: 105 ~ 1011 几十几百 ro 低: 几十 ~ 几百 KCMR高: 70dB~130dB 集成运放的符号：集成运放的符号：+UCC Auo

u– 。 u+ 。

– + +–UEE

。 uo

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12.1.2 电路的简单说明反相输入端 +UCC 输出端

u– u+同相输入端

uo–UEE

输入级中间级输出级输入级：输入电阻高，输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，信号，都采用带恒流源的差放。中间级：要求电压放大倍数高。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。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，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。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。总目录章目录返回上一页下一页

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12.1.3 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。总目录章目录返回上一页下一页

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12.1.4 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 饱和区 +Uo(sat) 理想特性O

+UCC

u– u+

– +

∞

线性区 – u u+ – 饱和区 –Uo(sat)

实际特性

线性区：线性区： uo = Auo(u+– u–) 非线性区：非线性区： u+> u– 时， uo = +Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat)总目录章目录返回上一页下一页

+–UEE

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3. 理想运放工作在线性区的特点 u– u+ i– ∞ – + i+ + O

因为 uo = Auo(u+– u– ) uo 所以差模输入电压约等于 0 所以(1) 即 u+= u– ,称“虚短” 称虚短” (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。总目录章目录返回上一页下一页

电压传输特性 uo +Uo(sat) 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”总目录章目录返回上一页下一页

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12.2 运算放大器在信号运算方面的应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，运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。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。总目录章目录返回上一页下一页

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12.2.1 比

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

(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 R 1

因虚短, 所以 –=u+= 0, 虚短所以u , R2 i+ 称反相输入端“ 称反相输入端“虚地”— 反相输入的重要以后如不加说明，输入、以后如不加说明，输入、特点输出的另一端均为地(⊥ 。输出的另一端均为地 ⊥)。因要求静态时u 因要求静态时 +、 u– 对地电阻相同，地电阻相同，所以平衡电阻 R2 = R1 // RF 总目录章目录返回上一页下一页总目录章目录返回上一页

+ uo –

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结论：结论：① Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加为负值，极性相反。在反相输入端。在反相输入端。有关， ② Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。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”。所以反相输入端虚地” 反相输入端“

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例：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ,RF = 50 k 。电路如下图所示，求：1. Auf 、R2 ; 2. 若 R1不变，要求 uf为 – 10,则RF 、 R2 应为多少？不变，要求A 应为多少？ , RF + ui – R1 R2 – +∞

解：1. Auf = – RF R1 + + R2 = R1 RF

= –50 10 = –5

uo –

=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 总目录章目录返回上一页下一页

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2. 同相比例运算 (1)电路组成 ) RF R1 u ∞ – – + + R2 u+

(2)电压放大倍数 ) 因虚断，所以u+ = ui 虚断，所以 R 1 u = uo R + RF 1 虚短，因虚短，所以 u– = ui , 反相输入端不“虚地” 反相输入端不“虚地” R uo = (1+ F )ui R 1

+ ui –

+ uo –

因要求静态时u 因要求静态时 +、u 对地电阻相同，电阻相同，所以平衡电阻R 平衡电阻 2=R1//RF

uo R A f = = 1+ F u ui R 1总目录章目录返回上一页下一页

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结论：结论：① Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加为正值，极性相同。在同相输入端。在同相输入端。 ② Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本有关，身参数无关。身参数无关。 ③ Auf ≥ 1 ,不能小于 1 。 ④ u– = u+ ≠ 0 ,反相输入端不存在“虚地”现象。反相输入端不存在“虚地”现象。

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, 当 R1= ∞ 或 RF = 0 时， uo = ui , Auf = 1, 称电压跟随器。称电压跟随器。 RF 由运放构成的电压跟 R1 ∞ ∞ 随器输入电阻高输

入电阻高、随器输入电阻高、输出 – – + + + + 电阻低， + uo + 电阻低，其跟随性能比 uo + + R2 ui射极输出器更好。 – – – 射极输出器更好。 ui – 例1: : 7.5k +15V 左图是一电压跟随器，左图是一电压跟随器， ∞ 电源经两个电阻分压后加 – 15k + 在电压跟随器的输入端， + 在电压跟随器的输入端， + 当负载R 变化时， RL uo 当负载RL变化时，其两端 15k 不会随之变化。电压 uo不会随之变化。 – 总目录章目录返回上一页下一页

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例2:负载浮地的电压-电流的转换电路负载浮地的电压IG iL RL R1 ∞ i1 R1 – ∞ + – + + + + + R2 Ux R2 ui – – 流过电流表的电流 Ux u ui IG = iL = i1 = = R R R 1 1 1 1. 能测量较小的电压；能测量较小的电压；负载电流的大小 2. 输入电阻高，对被输入电阻高，与负载无关。与负载无关。测电路影响小。测电路影响小。总目录章目录返回上一页下一页

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