哈尔滨工业大学
电工学教研室
第 17章
集成运算放大电路
返回
17.1 集成运算放大器的简单介绍
17.2 运算放大器在信号运算方面的应用
17.3 运算放大器在信号处理方面的应用
17.4 运算放大器在波形产生方面的应用
17.5 运算放大器在信号测量方面的应用
17.6 运算放大器电路中的负反馈
17.7 使用运算放大器应注意的几个问题
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
返回目录
集成电路中元器件的特点
1,单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片
上、用相同工艺生产出来的,性能比较一致
2.元器件相互离得很近,温度特性较一致
3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低
都不易制造
4.电感难于制造,电容一般不超过 200pF,大电容
不易制造
返回目录
17.1 集成运算放大器的简单介绍
集成运算放大器,是一种 高放大倍数、高输入
电阻、低输出电阻 的直接耦
合放大电路电路方框图
中间级输入级 输出级
偏置电路
尽量减小零点漂移,尽量提高
KCMRR,输入阻抗 ri尽可能大
中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载能力,给出
足够的输出电流 io, 输出阻抗 ro小。
内部
电路
返回目录
集成电路的封装
双列直插式塑料封装
管脚数有 8,10,12、
14,16等种类
金属壳封装
管脚数有 8,10,12
等种类
返回目录
21 3 4 5 6 7 8
910111213141516
V
DD
V
SS
I
R
(A B)
I
R
(C D)
每两个
运放共
用一个
偏臵
电阻
四个
运放
共用
VDD,VSS

C14578外引线排列图
910111213141516
V
SS
I
R
(C D)
返回目录
F007( 5G24) 外引线图
反相
输入端
同相
输入端
输出端
A
o
1
1 5
4
3
2
6
7
+ 1 5 V
- 1 5 V
接 线 图顶 视 图
CCV?
EEV?
OUT
?IN
?IN
返回目录
ri 高,几十 k ? 几百 k?
运放的特点,理想运放:
ri ? ?
KCMRR很大 KCMMRR ??
ro 小:几十 ~ 几百 ? ro ? 0
A o 很 大,104以上 ~ 107 Ao ? ?
运放的特点和符号
运放符号:
- +

u-
u+ uo
?A0-
++-
? - +

u-
u+ uo
??
返回目录
运算放大器的传输特性
)( io ufu ?
+UO(sat)
-UO(sat)
线性区饱和区 饱和区
?? ? uu
ou
)( ?? ?? uuAu uoo线性区很
窄,所以
运放在线
性区工作,
通常引入
深度电压
负反馈
返回目录
运算放大器线性应用时的分析依据
1,差模输入电阻,两个输入端的输入电流
可认为是零,即 虚断 。
??idr
2,开环电压放大倍数 输出电压是一个
有限值,
??0uA
0
0
??? ??
u
o
A
uuu
?? ? uu 即 虚短 。
,0??u如果信号从反向端输入,同相端接地
0??u 反相端近于, 地, 电位,即 虚地 。
返回目录
运算放大器在饱和区时的情况
当 时,?? ? uu o ( s a t)U??ou
例题
?? ? uu o ( s a t)U??ou当 时,
注意, 此时输入端的输入电流也等于零
返回目录
17.2 运算放大器在信号运算方面的应用
1,比例运算
(1) 反相输入 fii ?1
0?? ?? uu
11
1 R
u
R
uui ii ??? ?
FF
f R
u
R
uui oo ??? ?
i
1
F
o uR
Ru ??
1
F
i
o
f
R
R
u
u
A u ???
R
2
R
1
R
F
u
i
u
o
1i
fi
返回目录
平衡电阻,保证输入端
对地的静态电阻相等
R
2
R
1
R
F
u
i
u
o
电路的输入电阻
1i RR ?
平衡电阻
F12 // RRR ?
返回目录
R
R2
R1
F
ui u
o
电位为零,虚地
电位为零
注意
虽然 0?? ?? uu
但不能将反相输
入端和同相输入
端直接相联或者
直接接地
返回目录
(2)同相输入
R
2
R
1
R
F
u
ou
i
iuuu ?? ?? f1 ii ?
1
F
i
o
f 1 R
R
u
uA
u ???
请思考,当 ??1R
0F ?R或
此电路 有什么特点?
例题
F
oi
F
o
f R
uu
R
uui ???? ?
1
i
1
1 R
u
R
ui ???? ?
i
1
F
o 1 uR
Ru
???
?
???
? ??
fi
1i
返回目录
???
?
???
? ????
i3
13
F
i2
12
F
i1
11
F
o uR
Ru
R
Ru
R
Ru
2,加法运算
12
i2
12 R
ui ?
11
i1
11 R
ui ?
13
i3
13 R
ui ?
131211f iiii ???
F
o
f R
ui ??
Ffo Riu ??
(1) 反相加法器
R
2
R
F
u
o
u
i1
u
i2
u
i3
R
12
R
11
R
13
11i
12i
13i
返回目录
R
2
R
F
u
o
u
i1
u
i2
u
i3
R
12
R
11
R
13
平衡电阻
F1312112 ////// RRRRR ?
加法运算电路与运算放大器本身的参
数无关,只要电阻阻值足够精确,就可
保证加法运算的精度和稳定性,
返回目录
(2) 同相加法器
R
2
R
1
R
F
u
i
u
o
R
2
R
1
R
F
u
ou
i
R
3
R
2
R
F
u
o
u
i1
u
i2
u
i3
R
12
R
11
R
13
R
1
R
F
u
ou
i1
u
i2
R
21
R
22
i2
2221
21
i1
2221
22 u
RR
Ru
RR
Ru
?????
此电路若以
?u
为输入,
则输出为:
???
?
?
???
? ??? u
R
Ru
1
F
o 1
???
?
???
?
?
?
??
?
?
?
???
? ??
i2
2221
21
i1
2221
22
1
F
o 1 uRR
Ru
RR
R
R
Ru
请想一想:外接的各电阻关系如何?
反相求和电路与同相求电路相比有什么优点?
3,减法运算
R
2
R
1
R
F
u
i
u
o
R
2
R
1
R
F
u
ou
i
R
3
R
2
R
F
u
o
u
i1
u
i2
u
i3
R
12
R
11
R
13
R
1
R
F
u
ou
i1
u
i2
R
21
R
22
R
2
R
1
R
F
u
o
u
i1
R
3
u
i2
图中电路的输入方
式也称做 差动输入
由同相输入及反相输入
的结论,运用叠加定理
"
o
'
oo uuu ??
i2
32
3
1
F
i1
1
F
o 1 u
RR
R
R
R
u
R
R
u
??
?
?
?
??
?
?
????
i1
1
F'
o uR
Ru ??
i2
32
3
1
F"
o 1 uRR
R
R
R
u
??
?
?
?
??
?
?
??
返回目录
请思考:如何选择电阻,能得出如下结论
? ?i1i2
1
F
o uuR
Ru ??
i1i2o uuu ??
差动输入方式下的电压放大倍数
1
F
i1i2
o
uf R
R
uu
uA ?
?
?
注意,这种输入方式存在较大的共模电压,应选
用 KCMRR较大的运放,并应注意电阻阻值的选取。
例题
返回目录
4,积分运算
R
2
R
1
C
F
u
i
u
o
u
c
1
i
f1 R
u
ii ??
tu
CR
ti
C
uu d
1
d
1
i
F1
f
F
co ?? ??????
反相输入 0?
?u
虚地
例题
1i
fi
返回目录
R
2
R
1
C
F
u
i
u
o
u
c
应用举例
在电路的输入端输入方
波,输出是什么波形?
ou
iu
t
t
tu
CR
u d
1
i
F1
o ???
返回目录
ou
思考题,在图示电路中,输入电压 mV62 80s ini tu ?
试求输出电压 的幅值,并画出
ou
的波形图。
iu
t
ou
t
R
2
R
1
C
F
u
i
u
o
u
c
返回目录
5,微分电路
R
2
C
F
u
i
u
o
u
c
R
F
iFfFo iRiRu ????
t
uCRu
d
d i
1Fo ??
t
uC
t
uCi C
d
d
d
d i
111 ??
if ii ?
应用举例
fi
1i
返回目录
17.3 运算放大器在信号处理方面的应用
1,有源滤波器
滤波器就是一种选频电路,它能选出有用的信号,而抑制
无用的信号,使一定频率范围内的信号能顺利通过,衰减很
小,而在此频率范围以外的信号不易通过,衰减很大。
按滤波电路的功能分
低通滤波器 LPF
带阻滤波器 BEF
高通滤波器 HPF
带通滤波器 BPF
返回目录
)j(U i ?? )j(U o ??
传递函数:
io
i
o
i
o
U
U
)j(U
)j(U
)j(T ?????
?
?
?? ?
?
i
o
U
U)j(T ?? 幅频特性
io)( ???????
相频特性
滤波器
返回目录
( 1) 有源低通滤波器
R
R
1
R
F
u
ou
i
u
c
设输入为正弦波,可以用相量表示
0
1
F
1
F
i j1
1
j1
1
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
R
R
RC
R
R
U
U o
RC
1
0 ??
为截止频率
返回目录
若频率 ? 为变量,则该电路的传递函数
? ?
0
f0
0
1
F
i j1j1
1
)j(
)j(
j
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?? uo
AR
R
U
U
T
0
ar c t an)( ???? ??幅角为
? ?
2
0
f0
1
||
|j|
??
?
?
??
?
?
?
?
?
?
? u
A
T
返回目录
幅频特性
|)j(| ?T
O
||
2
1
f0uA
|| f0uA
0? ?
返回目录
要想使滤波效果更好,即
0?? ?
时的信号衰减得
快些,常常构成二阶有源低通滤波器 R
R
1
R
F
u
o
u
i
0?
?
|)j(| ?T
一阶
二阶
返回目录
( 2) 有源高通滤波器
R
R
1
R
F
u
ou
i
C
RC
U
U
C
R
U
?? j
1
1
j
1
1
i
i
?
??
?
?
?
?
?
?
?
??
???
?
???
? ?? U
R
RU
o
1
F1
0
1
F
1
F
i j1
1
j1
1
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
R
R
RC
R
R
U
U o
RC
1
0 ??
为截止频率
返回目录
若频率 ? 为变量,则该电路的传递函数
? ?
?
?
?
??
?
?
0
f0
0
1
F
i j1j1
1
)j(
)j(
j
?
?
?
?
?? uo
AR
R
U
U
T
?
??? 0a r c t a n)( ?幅角为
? ?
2
0
f0
1
||
|j|
??
?
?
??
?
?
?
?
?
?
? u
A
T
返回目录
幅频特性
|)j(| ?T
O ?
||
2
1
f0uA
|| f0uA
0?
返回目录
思考题,
如何组成带通滤波器?
返回目录
BPF的一般构成方法
R
2
R
1
R
F1
u
i
C u
c
R
4
R
3
R
F2
u
o
将 HPF及 LPF相串联,其条件为 LPF的通
带截止频率高于 HPF的通带截止频率。
返回目录
2,采样保持电路
在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态
R
u
o
u
i
C



















号返回目录
3,电压比较器
R
2
R
1
u
o
U
R
u
i
参考电压
运算放大器工作于开环状态
输入差模信号很小,也会使
输入电压饱和,
o(sa t)U?
o(sa t)U?
RU
iu
ou
返回目录
R
2
R
1
u
o
u
i
当 UR=0时,输入电压和零电平比较,称为过零比较器,
o(sa t)U?
o(sa t)U?
ou
iu
返回目录
在输出端加一个双向稳压管 ZD
R
2
R
1
u
o
u
i
D
Z
作双向限幅用
ZU?
ZU?
iu
ou
返回目录
限幅器
t
ui
u0
t
UZ
-UZ
R
2
R
1
u
o
u
i
D
Z
R
F
应用举例
返回目录
思考题,图示电路 电路中的运放处于线
性状态,但外围电路有非线性元件(二极
管、三极管),讨论输入与输出的关系。
R
2
R
1
u
o
u
i
R
F1
R
F2
D
ui>0时,
i
F
o uR
Ru
1
1??
ui<0时,
i
FF
o uR
RRu
1
21 //??
返回目录
滞回比较器
o ( s a t )
F2
2'' U
RR
RUu
?
?? ??
时当输出电压
o (s a t)Uu o ??
当输出电压 时
o ( s a t )
F2
2"" U
RR
RUu
?
??? ??
o( s a t)Uu o ??
o (s a t)Uu o ??当 "i ?? Uu 时,
当 'i ?? Uu 时,o ( s a t)Uu o ??
信号加到反相
输入端
引回正反馈
R
2
R
1
u
o
u
i
R
F
返回目录
滞回比较器的传输特性
uo
ui0
小于回差的干扰不会引起跳转 "' ?? ? UU 称为回差
o( sat)U?
'?U
上门限电压
o (sat)U?
"
?U
下门限电压
思考题
返回目录
17.4 运算放大器在波形产生方面的应用
1,矩形波发生电路
Z
12
2
R URR
RU
?
??
双向稳压管,起输出限幅作用
R1和 R2构成正反馈电路起限流的作用反相输入端的电压
cuu ??
电容两端电压的变化是电容
通过电阻 RF的充放电实现的
RF和 C构成负反馈电路
通过比较 ?? uu,的大小可
得出输出电压
U
R R
2
R
F
u
ou
C
R
1
R
3
D
Z
返回目录
U
R R
2
R
F
u
ou
C
R
1
R
3
D
Z
2
T
t
cu
t
ou
ZU?
ZU?
思考题:如何改变矩形波的周期 T?
矩形发生器的波形
RU?
RU?
返回目录
2,三角波发生器
组成积分
电路
组成比较器
R
2
R
F
R
1
u
o1
D
Z
R
5
R
4
C
F
u
o
u
c
R
6 R
3
返回目录
ZUR
Ru
1
2
o ?当 0
11 ?? ?? uu
电路工作稳定后,
当 Z1 Uu o ?? o
12
1
Z
12
2
1 )( uRR
RU
RR
Ru
??????
R
2
R
F
R
1
u
o1
D
Z
R
5
R
4
C
F
u
o
u
c
R
6 R
3
o1u ZU?ZU?从 返回目录
ZUR
Ru
1
2
o ??
当 011 ?? ?? uu
电路工作稳定后,
当 Z1 Uu o ?? o
12
1
Z
12
2
1 uRR
RU
RR
Ru
?????
o1u ZU?ZU?从
R
2
R
F
R
1
u
o1
D
Z
R
5
R
4
C
F
u
o
u
c
R
6 R
3
返回目录
ZU?
ZU?
ZUR
R
1
2?
ZUR
R
1
2?
1
F424T
R
CRR?
如何计算周期?
2
T
Z
1
2
2
T
0
Z
F4
2d
1
U
R
R
tU
CR
???
t
t
o1u
ou
三角波发生器的波形
返回目录
17.5 运算放大器在测量方面的应用
两个放大级,同相
输入,输入电阻很
高,电路结构对称,
可抑制零点漂移,
差动输入电路
)
2
1(
1
2
4
6
f2f1
i
o
f R
R
R
R
AA
u
u
A uuu ??????
两级总的电压放大倍数为
R
2
R
1
R
F
u
o
u
i2
u
i1
A
2
A
3
A
3
A
1
R
3
R
4
R
5
u
i
返回目录
f1d iii ??
R
2
R
1
R
F
u
i
u
o
17.6 运算放大器中的负反馈
1,并联电压负反馈
F
o
f R
ui ??
反馈电流
正比于
ou
输入信号与反馈信号在输入端相并联,并联反馈
净输入电流被削弱
负反馈
di
1i
fi
返回目录
2.串联电压负反馈
R
2
R
F
u
i
u
o
R
1
u
d
u
f
反馈电压 差值电压
fid uuu ??
反馈电压
o
1F
1
f uRR
R
u
?
? 取自输出电压
反馈信号与输入信号在输入端串联 串联反馈
反馈电压削弱
了净输入电压
负反馈
1i
fi
返回目录
3,串联电流负反馈
R
2
u
i
u
o
u
d
u
f
R
R
L
输出电压
i
L
o )1( uR
Ru ??
L
io
L
o
o R
uu
R
uui ????
R
ui i
o ?
of Riu ?
反馈电压 取自输出电流 电流反馈
反馈信号与输入信号在输入端串联 串联反馈
oi
返回目录
电流反馈
4,并联电流负反馈
f1d iii ??
净输入电流被削弱
负反馈
反馈电流
o
F
f )( iRR
Ri
?
??
输入信号与反馈信号的输入端相并联,并联反馈
R
2
R
F
u
i u
o
R
R
L
u
R
R
1
fi
1i
di oi
Ri
返回目录
运放负反馈总结
1.反馈电路直接从输出端引出的,是 电压反馈
从负载电阻的靠近, 地, 端引出,是 电流反馈
2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端上
的,是 串联反馈
加在同一个输入端上的是 并联反馈
3.反馈信号使净输入信号减小的是 负反馈
反馈信号使净输入信号增大的是 正反馈
返回目录
17.7 使用运算放大器应注意的几个问题
1,选用元件
根据实际要求来选用运算放大器,主要是根据
使用条件及运放的参数进行选择 。
2,消振
这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容
和其他寄生参数的影响,使电路产生自激振荡,即外
加消振的方法。
3,调零
由于运放内部参数不可能完全对称,输入信号
为零,输出可能不为零,为此,在使用时必须调零。
返回目录
4,保护
(1) 输入保护
输入电压将
限制在二极
管的正向压
降以下
R
2
R
1
R
F
u
i
u
o
返回目录
( 2) 输出端保护
将两个稳压管
反向串联,
将输出电压限制在
一定的范围内
R
2
R
1
u
o
u
i
D
Z
R
F
返回目录
用二个二极管
来保护,以护止
正、负电源接反, -E
R
2
R
1
u
o
u
i
+ E
( 3) 电源保护
返回目录
( 5) 扩大输出电流
互补
对称
电路
R
2
R
B
R
F
u
i
u
o
-E
C
R
1
R
B
+E
C
T2
T1
D1
D2
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集成运放的基本结构
-UEE
+UCC
uo
u+
u-
反相端
同相端
T3
T4
T5T
1 T2
IS
输入级 输出级中间级返回 返回目录
例 F007运算放大器的正、负电源电压为
± 15V,开环电压放大倍数 AU0=2?105,输出
最大电压(即 ??Uo(sat))为± 13V。 在下图电路
中分别加如下电压,求输出电压及其极性:
V;10V,15)1( ?? ???? ?? uu
V;10V,5)2( ?? ???? ?? uu
m V ;50 V,)3( ??? ?? uu
V;0m V,5)4( ??? ?? uu
- +

u-
u+ uo
??
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V65102 13 6
0
???????? ??
u
o
A
uuu解
只要两个输入端之间的电压绝对值超过 65μV,
输出电压就达到正或负的饱和值。
5VV10)1015(102 65 ?????? ?ou
V;10V,15)1( ?? ???? ?? uu
输出电压
3VV10)105(102 65 ??????? ?ou
V;10V,5)2 ?? ???? ?? uu
输出电压 3V1??ou
m V ;50 V,)3( ??? ?? uu
输出电压
3V1??ou
V;0m V,5)4( ??? ?? uu
输出电压
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例,图中同相比例运算电路,
,k10F ??R,k21 ??R
,k22 ??R,k183 ??R
V,1i ?u 求,ou
需要帮忙吗?
点击我会有新
収现 。
R
2
R
1
R
F
u
ou
i
R
3
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解,此电路为同相比例运算电路,
R
2
R
1
R
F
u
ou
i
R
3
0,9VV
182
118
32
i
3 ??????? RR
uRu
于是 5,4 VV9.0
2
101
o ????
??
?
? ??u
式 ????
?
???
? ?? u
R
Ru
1
F
o 1
中的
?u
是指加在同相
输入端的输入电压
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例:图示是集成电路的串级应用,试求输出电压
ou
R
2
R
1
R
F
u
o
u
i2
u
i1
A
1 A
2
解答
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解:
R
2
R
1
R
F
u
o
u
i2
u
i1
A
1 A
2
A1是电压跟随器,i1o1 uu ?
A2是差动运算电路,
o1
1
F
i2
1
F
o 1 uR
Ru
R
Ru ?
???
?
???
? ?? i1
1
F
i2
1
F1 u
R
Ru
R
R ?
???
?
???
? ??想一想:为什么要加 A1?
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R
2
R
F C
F
u
i
u
o
u
c
R
1
例,求图示电路的 ou 与 iu 的关系式 。
解,由电路可得,
1
i
1 R
uui ???
???? tuCRuR
RiRu d1
i
F1
i
1
F
fFo
由 0?? ?? uu f1 ii ? 得:
CfFo uiRuu ???? ?
???? tiCiR d
1
f
F
fF
此电路是由反相比例运算和积分运算两者
组合起来的,此电路也称比例-积分调节器。
ts i nu i ??
若输入:
则:
)90s i n ( ??? tRC ?
tRCu o ?c o s??
t
ui
0
t
uo
0
R
2
C
F
u
i
u
o
u
c
R
F
应用举例
o(sat)U?
o(sat)U?
"?U
'?U
uo
ui0
om
思考题,设滞回比较器的传输特性和输入电压波
形已给出,试画出它的输出电压波形。
t
iu
t
ou
结 束
第 17 章
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