页数：73页文件大小：1.42 MB来源： 电工与电子技术基础ppt课件
本课件介绍集成运算放大器的内部结构、主要技术指标与理想运放的虚短、虚断分析方法，重点讲解比例、加减、积分微分等信号运算电路，有源滤波、采样保持与电压比较等信号处理电路，以及正弦波、方波发生等波形产生电路，最后说明选型、调零与保护等使用问题。
集成运算放大器：第7章集成运算放大器。
§7.1 集成运算放大器的简单介绍：§7.1集成运算放大器的简单介绍运算放大器简称运放是一种用集成电路工艺制成的多端元件。集成电路:它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合分类:模拟集成电路、数字集成电路、小、中、大、超大规模集成电路。
集成运算放大器的简单介绍
集成运算放大器的简单介绍（续）：1、运放构成输入级：由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。中间级：共射放大电路。用于电压放大。输出级：互补对称电路。降低输出电阻，提高带载能力。偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态输入级中间级偏置电路输出级输入端工作点。4输出端§7.1集成运算放大器的简单介绍。
集成运算放大器的简单介绍（续）：电路的简单说明-UEEuo－反相端uu＋同相端T3+UCCT4T5T1T2IS中间级输出级输入级5§7.1集成运算放大器的简单介绍。
集成运算放大器的简单介绍（续）
集成运算放大器的简单介绍（续）：运算放大器F007的封装图和管角符号运放管脚功能介绍Pin1,Pin5:调零端。Pin2:反相输入端。Pin3:同相输入端。Pin4:负电源接入端。Pin6:电压输出端。Pin7:正电源接入端。Pin8:未用。§7.1集成运算放大器的简单介绍。
实际运放的输入输出特性：82、实际运放的输入输出特性：-VccVccuduo注：运放的开环增益非常大，一个微小的输入电压就足以使运放工作到饱和区。因此，为使运放工作在线性区，必须引入负反馈。47开环电压放大倍数高(10-10)；输入电阻高（约几百KΩ）；输出电阻低（约几百Ω）；漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低。uo_+Δ∞+u-u+§7.1集成运算放大器的简单介绍运算放大器的电路符号。
集成运算放大器的简单介绍（续）
集成运算放大器的简单介绍（续）：大，所以输入电压。
集成运算放大器的简单介绍（续）
集成运算放大器的简单介绍（续）：(5)输入偏置电流IiB—当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流的平均值，其值愈小愈好。一般在零点几微安级。(6)最大共模输入电压UiCM—运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备。如超出这个电压，运放的共模抑制能力就大为下降，甚至造成器件损坏。12§7.1集成运算放大器的简单介绍。
运放在信号运算方面的应用：运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积分与微分等简单运算，还能完成对数与反对数以及乘除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用叠加原理。在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题：如何保证运放工作在线性区?我们知道：Auo→∞，即当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大电路的性能，所以——解决之道是：在电路中引入深度负反馈。§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）
运放在信号运算方面的应用（续）
运放在信号运算方面的应用（续）
运放在信号运算方面的应用（续）
运放在信号运算方面的应用（续）：18+uo=ui-uii+=0UR1R2U2RL若令Rf=0，R1=∞，此时电路变为电压跟随器。在电路中起隔离作用如：图中由R1和R2构成的分压电路中，开路电压oc112R2U=UR+R2oc<UL接负载电阻R后U§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：19UR1R2U2RUo如果通过电压跟随器接入负载电阻RL，由于运算放大器输入电阻趋于∞，则12R2LU2=Uoc=R+RU1即负载电阻的作用被隔离了，因此，电压跟随器在实际电路中起隔离作用此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：负载电流的大小与负载无关。L1Ri=i=-u-例7.2.2:负载浮地的电压-电流的转换电路(1)能测量较小的电压；(2)输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流G1iR=ux11R=-ui∞R1R2RLiifiui+-∞1RR2RLiiGiuX+-§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：例7.2.3:图示电路，求uo∞R1R2ui1∞i2u∞R34Ruouo1uo2R1R2∞R34Rouuo1uo2§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：n134121)URR(1+1+=uo1+uo2R1R2R+Ro112()uuRR+o2Un1=+1+11R1R2R3+R4o34u=R4Un1R+RR12RR3R4o1uo2uo22u+-§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：233、反相加法器uo∞++-i13R13R2ifRfi12R12i11R11ui2ui3ui1u+≈u-=0i31112130i1i2uu)RRRu=-(RFu+RF+RFi11+i12i1ui11R=i3131311uRi=i21212+i13=ifuRi=ffRi=-uo)oi1i2i31Ru=-Rf(u+u+u()foi1i2i31RRu=-u+u+u加法电路当R11=R12=R13=R1当R1=Rf§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：24i1uo∞++-R3R2i1R1减法电路ifRFui24、减法器当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，可u进行减法运算11Fu-uu-=ui1-i1R1=ui1-i1oRR+RF3Foi2i11231RRu=(1+R)u-RuRR+R323ui2R+u=R+Ruf1i2i1A=RFuo=Ru-u当R1=R2,RF=R3R1=RF当uo=ui2-ui1oi2i11Ru=RF(u-u)§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：方法2：利用叠加原理求解o1i2123Ru+u′′=(1+F)uR=(1+RF)R3RR+Roi11Ru′=-RFuoooi2i11231R3Ru=u′+u′=(1+RF)u-RFuRR+Rui1uo∞++-R3R2i1R1减法电路ifRFui2减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：265、积分运算F1F11uo=-uc=-C∫ifdt=-RC∫uidtu-≈0i1uo∞++-R2CFi1R1积分电路ifuc1f1Ri=i=uiuiUo-UtUo(sat)-Uo(sat)ot将反相比例运算电路中的反馈元件R用电容C代替，就uFF成为积分电路当输入信号为阶跃电压时，uR1CFuo=-ito(sat)1FiRCU±U0≤t≤§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：27tuo0应用举例1：(1)输入方波，输出是三角波。(2)如果输入是正弦波，输出波形怎样?ocfiF1F1udtu=-u=-1idt=-C∫RC∫uituot§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用应用举：：将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。
运放在信号运算方面的应用（续）：296、微分运算ui1uo∞++-R2C1i1微分电路ifucRF微分运算是积分的逆运算，111dtdti=Cduc=Cdui当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。微分电路稳定性不高，用得较少。(波形如右图)dudtuo=-ifRF=-i1RF=-RFC1iuootuiUot即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：上图是在控制系统中使调节过程加速的比例—微分调节器（PD调节器）。11Rdtif=iR+iC=ui+CduioiF11Rdtu=-(RFu+RCdui)应用举例：uo=-RFifuiuo∞++-R2C1icRFiRR1§7.2运放在信号运算方面的应用。
运放在信号运算方面的应用（续）：∞++-R2iR对数电路iDuDR7、对数运算电路在反相比例运算电路中，将反馈电阻用二极管代替，可构成对数运算电路由虚短和虚断，当ui>0时RiD=iR=ui当二极管两端的压降uD较大时，流过二极管的电流为UT)i=Ie(uDDSoDu=-uiTSuIRu=-Uln而可得o。
运放在信号运算方面的应用（续）：=-RIe(uDoRDS8、指数运算电路uiuo∞++-R2指数电路iDuDiRR将对数运算电路中的二极管和电阻互换，可得指树运算电路当ui>0时，输出电压为应当指出的是二极管中的反向饱和电流IS和温度电压当量UT都是温度的函数。所以，上述对数和指数运算电路的温度稳定性很差，实用的电路必须加以温度补偿。
运放在信号运算方面的应用（续）
运放在信号运算方面的应用（续）：.2.5:负电阻变换器解：根据KVL方程I1R1+I2R2=0U1=U2Reqeq12222221IRIRIRRR=U1=U1=-R1×U1=-R1×U2=-R1R(-R2)IU1I1I2I1I2R1R2R+-U2。
运放在信号运算方面的应用（续）：.2.6:列节点电压方程解：iU1R2R3R4RR5R6oUII-I+56561111-U-U+(+)U=IRn1Rn3RRn4n3n4466(1RRR+1)U-1U=0n1n2n45251R1R2RRRR(1+1+1)U-1U-1U=Uin1n2223RRR-1U+(1+1)U=0补充：n2n3U=U。
运放在信号处理方面的应用：运算，还能完成信号滤波、采样保持及比较等处理工作。1、有源滤波器滤波器是一种选频电路——选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。
运放在信号处理方面的应用（续）：uiuo∞++-RC有源低通滤波器ucRFR1(1)有源低通滤波器。1jωCjωC1×R+U·iU·+=U·c==i1+jωRCU·o1R+U·=(1+RF)U·=1+RF/R1=1+RF/R11+jωRC1+jω/ω0T(jω)=U·oU·i1RC12πRCω0=或f0=()23701+RRT(jω)=F11+ω/ω§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：AufAuf02Auf0oω0ω幅频特性R1T(jω)=1+RF22AR1+RFT(jω)=1=uf0当ω→∞时当ω=0时0当ω=ω时T(jω)=038§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：当ω>ω0时，|T(jω)|衰减很快显然，电路能使低于ω0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于ω0的信号不易通过，衰减很大，称一阶有源低通滤波器。为了改善滤波效果，使ω>ω0时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。uiuo∞++-RCRFR1RC39§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：R1R1jωRCω1+RF1+RF=1+11-jω0U iRωCR-jU +=1U iRR1U o=(1+F)U +称为截止角频率RC10式中:ω=iRFuCR+ΔR1–∞++uo–+–设输入为正弦波信号，则有40(2)有源高通滤波器。故：U o=§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用若频率：，则电路的传递函数。
运放在信号处理方面的应用（续）：中。uiuo∞++-RC采样保持电路ucR1S控制信号ouiuo采样保持t42输入输出波形2、采样保持电路当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。
运放在信号处理方面的应用（续）：理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo(sat)或–Uo(sat)当u+>u－时，uo= +Uo(sat)u+<u－时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象2.i+=i－≈0uou+–u––Uo(sat)仍存在“虚断”现象+Uo(sat)O饱和区44电压传输特性§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)(1)基本电压比较器uiuoOURURR2+–∞+ΔR1+uo–+ui+––运放处于开环状态当u+>u–时，uo=+Uo(sat)u+<u–时，uo=–Uo(sat)即ui<UR时，uo=+Uo(sat)ui>UR时，uo=–Uo(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。45§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用电压传输特性：tUROuot+Uo(sat)O–Uo(sat)t1t2当ui单方向变化，uo只变化一次。uiURuoR2+–∞+ΔR1+–+ui+–––Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR§7.3运放在信号处理方面的应用电压传输特性。
运放在信号处理方面的应用（续）：47ui>UR，uo=+Uo(sat)ui<UR，uo=–Uo(sat)URuoR2+–∞+ΔR1+–+ui+––uiuoR2+–∞+ΔR1+–+UR+–––Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：URR2++–∞ΔR1+uo–+ui+––uiR2++–∞ΔR1+uo–+UR+––t48+Uo(sat)O–Uo(sat)o输入信号接在反相端输入信号接在同相端tUROuot+Uo(sat)O–Uo(sat)ut1t2§7.3运放在信号处理方面的应用ui。
运放在信号处理方面的应用（续）：49(2)输出带限幅的电压比较器UZ–UZ电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui<UR，uo=UZui>UR，uo=–UZuiuoOURui<UR时，uo'= +Uo(sat)ui>UR时，uo'=–Uo(sat)oRDZURuoR2++∞u'–ΔR1+–+ui+––§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：50(3)过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波RUR2+–∞+ΔR1+uo–+ui+––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoORU=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）
运放在信号处理方面的应用（续）：ui上门限电压U'+：ui逐渐增加时的门限电压下门限电压U"+：ui逐渐减小时的门限电压uoO–Uo(sat)+Uo(sat)U+′U+′uituotU+′OU+′+Uo(sat)ORF+–∞+ΔR1+uo–+ui–Uo(sat)电压传输特性52–§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：根据叠加原理，有o(sat)RRR2RF(±U)R2+RFU+R2+RFu=可见：传输特性不再对称于纵轴，U+′∫U+′UR–RF+R2+–∞+ΔR1+uo–+ui–改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。53uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)U+′电压传输特性U+′当参考电压UR不等于零时§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）
运放在信号处理方面的应用（续）
运放在信号处理方面的应用（续）：例：电路如图所示，±Uo(sat)=±6V，UR= 5V，RF=20kΩ，R2=10kΩ，求上、下门限电压。解：对图（2）（1）（2）102010×(-6)V=1.33V10+20×5+10+20=10+20×5+×6V=5.33V10+2020++U′U′=UR–RF+R2ui∞–++Δ+uo–+–RFR2ui∞–++ΔR1R1+uo–+–§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）
运放在信号处理方面的应用（续）：例7.3.2：图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。分析其工作原理。温度未超过规定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不动作。温度超过规定值，ui>UR，uo=+UOM，T导通。KA动作，切断电源。R1R2URRR4KA+UCCT+–+uiuoR3§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在信号处理方面的应用（续）：电压传输特性uouiOUO(sat)–UO(sat)例7.3.3:电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uo的波形。uitUO(sat)–UO(sat)解:运放为同相输入过零电压比较器O59tOtOuo′tuo′O–UO(sat)uoUO(sat)R1R2uiuoCuo′u′oDRLR∞–++§7.3运放在信号处理方面的应用。
运放在波形产生方面的应用：2UR=±R2+R1双向稳压管,起输出限幅作用R1和R2构成正反馈电路反相输入端的电压起限流的作用u−=uc电容两端电压的变化是电RF和C构成负反馈电路容通过电阻RF的充放电实现的u-,u+通过比较的大小可得出输出电压。
运放在波形产生方面的应用（续）：61URR2RFuouCR1R3DZT1ttoZu+U-UZ矩形发生器的波形uc+UR-URT2§7.4运放在波形产生方面的应用。
运放在波形产生方面的应用（续）：62T=T1+T2tRC-uc(t)=uc(∞)+ uc(0+)-uc(∞) e电容充放电过程，uc的响应规律为周期与频率2122RR T=T+T=2RFCln 1+ 1 矩形波的周期矩形波的频率f=1T充放电时间常数相同：τ=RFC在充电过程中RZcZZ12R2UR2c+u(0)=-U=-R1+R2u(∞)=+Uuc(t1)=UR=UR+RZc2RZR2UR2Uc+Ru(0)=U=R1+R2uc(∞)=-UZu(t)=-U=-R1+R2在放电过程中§7.4运放在波形产生方面的应用。
运放在波形产生方面的应用（续）：2、三角波发生器组成积分电路组成比较器R2RFR1uo1DZR5R4CFuouc63R6R3§7.4运放在波形产生方面的应用。
运放在波形产生方面的应用（续）：ZR1ou=R2U当+-u=u=0电路工作稳定后,当uo1=-UZo12Z12uR1R2R+R(-U)+R+Ru=+1R2RFR1uo1DZR5R4CFuoucR6R3Z+UZ-Uuo1从64§7.4运放在波形产生方面的应用。
运放在波形产生方面的应用（续）：ZR1ou=-R2U当u+1=u-1=0电路工作稳定后,当Zu=+UoZuR1o1R2R2+R1U+R2+R1u=+1uo1-UZ+UZ从R2RFR1uo1DZR5R4CFuouc65R6R3§7.4运放在波形产生方面的应用。
运放在波形产生方面的应用（续）：+UZ-UZRR1-2UZRR12UZ+1RT=4R2R4CF如何计算周期?T2Z2T2Z1UR1RR4CF0Udt=2∫-t66tuo1ou三角波发生器的波形§7.4运放在波形产生方面的应用。
使用运算放大器应注意的几个问题：1、选用元件集成运算放大器的分类按技术指标分按内部电路分通用型高速型低功耗型大功率型高精度型等双极型(有晶体管组成)按每一集成片中运算放大器的数目分单极型(有场效应管组成)单运放双运放四运放67§7.5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（续）：根据实际要求选用运算放大器。选好后,根据管脚图和符号图连接外部电路,包括电源、外接偏置电阻、外接消振电路及调零电路等。2、消振3、调零:应在闭环状态下调零.方法一:输入为零,调节调零按钮使输出为零;方法二:加一定输入,调节调零按钮使输出为理想值;§7.5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（续）：694、保护(1)输入端保护当输入端所加的差模或共模电压过高时会损坏输入级的晶体管。在输入端接入反相并联的二极管将输入电压限制在二极管的正向压降以下。_+Δ∞+RFR1R2uiuoD1D2§7.5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（续）：70_+Δ∞+(2)输出端保护为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护。RFR1R2uiuoDZ11DZ22R3将两个稳压管反向串联，将输出电压限制（UZ+UD)在的范围内。§7.5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（续）：_Δ∞+uo+-E(3)电源保护为了防止正负电源接反,可用二极管保护+E§7.5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（续）：5、扩大输出电流_+Δ∞+RFR1R2uiuo+UCC-UCCT2RBT1D1D2RB§7.5使用运算放大器应注意的几个问题。
本章小结：本章小节1在分析和设计运算应用电路时，常将其视为理想运算放大器，理想运放是将集成运放的各项技术指标理想化后得到的。2理想运放工作在线性区时存在两个重要特性，即虚短和虚断。3本章介绍了几种基本的运算电路，包括比例运算电路、求和运算电路、积分电路、微分电路、对数电路和指数电路。4本章介绍了运放在信号处理方面的应用，包括有源滤波电路和电压比较电路。5波形发生电路包括矩形波发生器和三角波发生器。
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