本章要求一、了解集成運算放大器主要參數的意義二、掌握運算放大器的電壓傳輸特性，掌握理想運算放大器的基本分析方法三、掌握比例、加、減、微分和積分運算電路的原理了解有源濾波器的工作原理。四、掌握電壓比較器的工作原理和應用。第三章集成運算放大器第一節集成運算放大器簡介一、集成運算放大器電路的特點uP輸入級中間級輸出級偏置電路uNuO輸入級：采用差動放大電路，以提高輸入電阻，減小零點漂移和抑制干擾信號。u+輸入級中間級輸出級偏置電路u-uO中間級：主要進行電壓放大，一般由共發射極放大電路構成。輸出級：采用互補對稱功放電路或射極輸出器，以便輸出足夠大的電流和功率，

并降低輸出電阻，提高帶負載能力。偏置電路：一般是由恒流源電路組成，為電路提供穩定和合適的靜態工作點。集成運算放大器的特點高增益、高可靠性、低成本、小尺寸二、集成運算放大器的符號、引腳符號：Auo

高:80dB～140dB,即104～107rid

高:105～1011ro低:幾十～幾百KCMR高:70dB～130dB引腳三、主要參數1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2.開環差模電壓電壓放大倍數Auo

運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數。

Auo愈高構成的運算電路越穩定，精度也越高6.共模輸入電壓范圍UICM

運放所能承受的共模輸入電壓最大值。7.共模抑制比KCMR愈小愈好3.輸入失調電壓UIO4.輸入失調電流IIO5.輸入偏置電流IIB四、理想運算放大器及其分析依據1．理想運算放大器的慨念開環差模電壓放大倍數無窮大Auo

，差模輸入電阻無窮大

rid，開環輸出電阻為零ro0，共模抑制比無窮大

KCMR2．運算放大器傳輸特性

+Uo(sat)–Uo(sat)線性區理想特性實際特性飽和區O

u+–u–

uo線性區：uo

=

Auo(u+–u–)非線性區：u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

+Uo(sat)–Uo(sat)線性區理想特性實際特性飽和區O

u+–u–

uo理想運算放大器3.理想運放工作在線性區的兩條分析依據1)因Auo→∞，而輸出電壓uo是一個有限的數值++∞uou–u+i+i––uo

=

Auo(u+–

u–

)稱為“虛短”。2)rid→∞，且u+－u-≈0輸入電流近似為0，即i+=i–0，稱“虛斷”

Auo越大，線性范圍越小，

必須加負反饋才能使其工作于線性區。4.理想運放工作在飽和區

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現象當u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

不存在“虛短”現象

例3-1F741運算放大器的正、負電源電壓為±15V，開環差模電壓放大倍數Auo=2×105，輸出飽和電壓±Uo(sat)=±13V。輸入電壓分別為：(1)u+=15μV,u-＝-10μV;(2)u+

＝-5μV,u-＝10μV；(3)u+

＝0V,u-

＝＋5V;(4)u+

＝5mv,u-＝0V，求輸出電壓及其極性。解：兩輸入端的電壓差超過65μV,輸出電壓就達到正或負的飽和值。(1)(2)(3)(4)uo

=

Auo(u+–

u–

)u+=15μV,u-＝-10μV;(2)u+

＝-5μV,u-＝10μV

(3)u+

＝0V,u-

＝＋5V;(4)u+

＝5mv,u-＝0V，第二節集成運算放大器在運算方面的應用集成運算放大器引入適當的負反饋，可使輸出和輸入之間具有某種函數關系，如比例、加法、減法、積分、微分、對數與反對數、乘除等運算。一、比例運算1．反相輸入比例運算電路輸入、輸出另一端均為地,“、+、-”可略。uoRFuiR2R1++––++–R2=R1//RFifiii–i+uoRFuiR2R1++–反相比例運算

因u–=u+=0因i+=i–=0所以iiif

閉環電壓放大倍數：反相比例運算uoRFuiR2R1++––++–－－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—并聯反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋電壓并聯交直流負反饋反饋類型？例3-2電路如圖所示，試分別計算開關S斷開和閉合時的電壓放大倍數Auf。1.當S斷開時：解：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif2.當S閉合時：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif2．同相輸入比例運算電路uoRFuiR2R1++–R2=R1//RFifi1閉環電壓放大倍數:因i+=i–=0i+=i–=0同相比例運算電壓串聯交直流負反饋輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端—串聯反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋uoRFuiR2R1++––++–反饋類型？uiuoRFR3R2++–R1同相比例運算即R1=，RF

=0，Auf=1

，

uo=ui

，

稱電壓跟隨器。uoui++–uo++–15k15k+15V

7.5k例3-3試計算圖示電路中uo的大小。解：由于

uo只與電源電壓和分壓電阻有關，而與負載電阻大小和運放的參數無關。

同相比例運算的特例例3-4如圖所示電路，已知RF＝100kΩ，

R1＝50kΩ，輸入電壓ui＝3sinωtV，求電壓放大倍數和輸出電壓uo。uoRFuiR2R1++–解：電壓放大倍數二、加法運算

1.反相加法運算電路R2=Ri1

//Ri2

//Ri3//RFii3ii1if因u–=u+=0因虛斷，i–=i+=0

當Ri1=Ri2=Ri3=RF時，uoui1RFui3Ri1Ri3++–R2ui2Ri2ii2例3-5一個測量系統的輸出電壓和某些輸入信號的數值關系為uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，試選擇圖示電路中各輸入電路的電阻和平衡電阻。設RF=100kΩ。uoui1RFui3Ri1Ri3++–R2ui2Ri2解：三、減法運算ui2uoRFui1R3R2++–R1R2//R3

=R1

//RF利用疊加原理:

ui1單獨作用時反相輸入比例運算：

ui2單獨作用時，為同相輸入比例運算：u+ui2uoRFui1R3R2++–R1u+如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

輸出電壓等于兩個電壓之差。例3-6在圖示電路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求輸出電壓uo。uo1ui1++–+–uoui2RRRA1A2+RRR解：四、積分運算uoCFuiR2R1++–ifi1uC+–則i1=if

設電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有i+=i–=0當ui為階躍電壓時uitOUi積分飽和線性積分時間uotO+Uo(sat)–Uo(sat)輸出電壓隨時間線性變化

將比例運算和積分運算結合在一起，就組成比例-積分運算電路。uoCFuiR2R1++–RFifi1上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分五、微分運算uoC1uiR2RF++–由虛短及虛斷性質可得i1=ififi1uitOUi當ui為階躍電壓時

uotO第三節集成運算放大器在測量技術中的應用一、電壓源、電流源I1IFRFUOUZR2++–R1RVS＋－+US由虛短及虛斷性質可得輸出電壓可以認為是恒壓源。改變反饋電阻RF的大小，可以改變輸出電壓UO的大小。電流源ILRFUZR2++–R1RLVS＋－+USF由虛短及虛斷性質可得

IL的大小與負載RL無關，所以該電路構成電流源電路，改變RF的大小可以改變電流源的電流值。二、電壓、電流的測量IPRF++–UXRP這種毫伏表能測量1mV左右電壓，具有高靈敏度，高輸入電阻、高穩定性能等優點。例如：表頭是一塊100μA的直流微安表，RF取10Ω，則可測量的滿偏電壓UX=IPRF=1mV。以直流毫伏表為基礎，加上分壓器或分流器就可以構成多量程的直流電壓表或電流表。如果將表頭改接到一個橋式整流電路中，就可以測量交流電壓和交流電流。第四節集成運算放大器在信號處理方面的應用一、有源濾波器濾波器就是一種選頻電路。它讓一定頻段的信號通過，而抑制其余頻段的信號。常用的濾波器：低通、高通等。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。優點：體積小、效率高、頻率特性好。一、有源濾波器1.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–uiuoRFuCCR++–R1+–以頻率為變量，為通頻帶放大倍數幅頻函數：相頻函數:幅頻特性0|Auf0||Auf(j)|O幅頻函數：uoRFCR++–R1uiRC二階有源低通濾波器為使

>

0時信號衰減得更快，將兩節RC濾波串接，組成二階有源低通濾波器。二階一階幅頻特性0|Auf0||T(j)|O2.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1以頻率為變量，uiuoRFCR++–R1為通頻帶放大倍數幅頻函數：相頻函數:幅頻特性0|Auf0||Auf(j)|O控制信號二、采樣保持電路

采樣保持電路，多用于模-數轉換電路（A/D）之前。由于A/D轉換需要一定的時間，所以在進行A/D轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D轉換電路的需要。模擬開關模擬輸入信號采樣存儲電容電壓跟隨器SuC+–ui+–uo+–++–uG采樣階段：

uG為高電平，S閉合，ui對存儲電容C充電，

uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。控制信號uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–uG運放的作用？三、電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。判斷輸入信號的大小和極性。

運放工作在開環狀態（或正反饋）

運算放大器工作在飽和區。1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

當u+>u－

時，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虛短”現象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現象URuouiR2++–R1參考電壓電壓傳輸特性:

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR當u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo

=–

Uo

(sat)可見，在ui

=UR處輸出電壓uo

發生躍變。ui與uo的關系

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURuitOURt1t2Ouot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)URuouiR2++–R1當UR=0時，即輸入電壓和零電平比較，稱為過零比較器。電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0uouiR2++–R1tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O利用電壓比較器將正弦波變為方波ui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)uiuoURR2++–R1

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在同相端Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uouitOURt1t2電壓傳輸特性輸出帶限幅的電壓比較器uo'RVSuouiR2++–R1設穩壓管的穩定電壓為UZ，忽略穩壓管的正向導通壓降則ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

+UZ

–UZ電壓傳輸特性uiuoO例3-7電路如圖所示，輸入電壓ui是一正弦電壓，其周期為T，輸出端外接RC電路的時間常數RC<<，試畫出uo、uA、uL的波形。uoRVDuLuiRL++–+–CAui>0

時，uo

=+Uo

(sat)

ui

<0

時，uo

=–

Uo

(sat)

tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OuoRVDuLuiRL++–+–CAtuiOtuo+Uo(sat)–U