第三章集成运算放大器的应用

第三章集成运算放大器的应用 3.1集成放大器基础 3.2负方馈放大器 3.3集成放大器的线性应用 3.4集成放大器应用技术

3.1.1 集成放大器概念 【集成放大器的特点】 1．电容元件是由半导体PN结形成，只有几十个微法，若需用大电容时要外结，因而集成放大器内部只能采用直接耦合放大电路； 2．集成元件虽然精度不高，但对称性好，距离近，温度性容易保持一致； 3．电阻元件有半导体电阻形成，大小一般在100Ω～30KΩ，需用大电阻时可外接，或采用半导体三极管组成的有源负载代替； 4．集成放大器工作电源电压比数字集成电路要高，一般在（10～30）V左右，双电源放大器要求正负对称电源；

3.1.2 集成放大器的结构、电路、分类及主要参数【集成放大器的结构】由输入级、中间放大级、输出级三部分组成【集成放大器的分类】分为通用型和专用型（分为高精度型、高输入阻抗型、低功耗型、高速型等。）

【集成放大器的主要参数】 （1）开环放大倍数A （2）输出失调电压UIO （3）输入失调电流IIO （4）最大输出电压UO （5）最大共模输入电压Uicmax （6）其他性能指标：差模输如电阻、输出电阻、共模抑制比、静态功耗、温度漂移等。

3.1.3 理想集成放大器及其分析重点 1．集成放大器的理想特性【集成放大器的理想参数】开环电压放大倍数A=∞ 差模输入电阻rid=∞ 输出电阻ro=0 输入偏置电流IB1=IB2=0 共模抑制比KCMR=∞ 上限频率fH=∞

2．集成放大器的分析重点 （1）线性区：虚短路原则（简称“虚短”）：反相输入端电位和同相输入端电位几乎相等，称为虚短路。即：因此有：虚断路原则（简称“虚断”）：集成放大器的差模输入电阻rid=∞，输入偏置电流i+=i-≈0称为虚断路。

（2）非线性区 当u+＞u-时uo=-UOM 当u+＜u-时uo=+UOM 此时，虚短路原则不成立，，但虚断路原则仍然成立，即有i+=i-≈0

3.2负反馈放大器 3.2.1反馈的基本概念 1．反馈：将放大电路输出信号的一部分或全部经反馈网络送回到输入端，称为反馈。 2．反馈的分类：（1）分类：正反馈和负反馈、直流反馈和交流反馈、电压反馈和电流反馈、串联反馈和并联反馈。（2）有无反馈的判别：看电路中是否存在连接输出回路和输入回路的反馈通路。

3．反馈类型的判别方法:（1）正、负反馈的判别：采用瞬时极性法。3．反馈类型的判别方法:（1）正、负反馈的判别：采用瞬时极性法。

图（a）中，在ud正方向设定情况下，有 可判断电路引入正反馈。在图（b）中，可判断电路引入负反馈。

（2）直流反馈与交流反馈的判别：反馈信号中只有直流分量，成为直流反馈；反馈信号中只有交流分量，成为交流反馈。反馈信号中既有直流分量又有交流分量，成为交直流反馈。（2）直流反馈与交流反馈的判别：反馈信号中只有直流分量，成为直流反馈；反馈信号中只有交流分量，成为交流反馈。反馈信号中既有直流分量又有交流分量，成为交直流反馈。（5）电压反馈与电流反馈的判别：通常采用负载短路法。（6）串联反馈与并联反馈的判别：根据输入信号与反馈信号的连接方式判别。

3.2.2负反馈的分析方法 在负反馈放大器中，如图所示，开环放大器的放大倍数： A=xo/xd 反馈网络中反馈系数: F= xf/xo 反馈放大器的闭环放大倍数: Af=xo/xi 反馈分析框图

化简得：

1.当1+AF>0时，。引入负反馈后，放大倍数下降，但整个闭环放大器其他性能都会得到显著改善。1.当1+AF>0时，。引入负反馈后，放大倍数下降，但整个闭环放大器其他性能都会得到显著改善。 2.当1+AF<0 时，即放大倍数增加，电路转为正反馈，使反馈放大器性能不稳定。 3.当1+AF=0 时，。既在没有输入信号（xi=0）时也产生输出信号，这种现象叫做自激振荡，简称自激。自激破坏了放大器的正常工作状态，应当设法避免。而对于振荡电路，却正是利用自激产生各种波形信号。

3.2.3负反馈放大器的四种组态1.电压串联负反馈（1）电路组成：（2）反馈特点：电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用，其过程如下：3.2.3负反馈放大器的四种组态1.电压串联负反馈（1）电路组成：（2）反馈特点：电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用，其过程如下：电压串联负反馈

根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为：

2.电压并联负反馈 （1）电路组成：（2）反馈特点：当ii一定时if愈大，反馈愈强，净输入电流id愈小，反馈效果愈好。ii要保持一定，则ii信号源内阻应很大，反馈效果才会好。电压并联负反馈

3.电流串联负反馈 （1）电路组成：电流串联负反馈

（2）反馈特点：电流负反馈具有稳定输出电流、提高输出电阻的作用。其过程如下;

4.电流并联负反馈 （1）电路组成：如图所示（2）反馈特点：由于是并联反馈，宜采用高内阻的信号源。电流并联负反馈

3.2.4 负反馈对放大器性能的影响 1.提高放大倍数的稳定性 2.改变电路的输入电阻和输出电阻（1）引入串联负反馈，增大输出电阻（2）引入并联负反馈，减小输入电阻（3）引入电压负反馈，减小输出电阻（4）引入电流负反馈，增大输出电阻

3.展宽通频带 4.减小非线性失真和抑制干扰负反馈对放大电路性能的影响与反馈深度有关

5.负反馈的应用原则 （1）若要稳定放大器的静态工作点，应引入直流负反馈，若需改变其动态性能指标，应引入交流负反馈。（2）若要稳定输出电压，应引入电压负反馈，若要稳定输出电流，应引入电流负反馈。（3）若要提高输入电阻，应采用串联负反馈，反之，引入并联负反馈。（4）若要降低输出电阻，应采用电压负反馈，反之，引入电流负反馈。

3.2.5集成放大器组成的三种基本实用放大器 1.反相比例放大器反相比例放大

根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：闭环电压放大倍数为：当时， , 即，该电路就成了反相器。

2.同相输入比例运算电路 同相比例放大

同反相输入比例运算电路一样根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，闭环电压放大倍数为：可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于1。

电压跟随器：当或时， 即: 电压跟随器

3.差分放大器 差分放大器

（1）加法运算电路 若 ,则：可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法运算关系。

若：（断开），则： 若：，且,则：若：，则：（2）减法运算电路由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。

3.3集成放大器的线性应用 3.3.1集成放大器在模拟运算中的应用 1.加法运算电路（1）反相输入加法运算电路: 反相加法

（2）同相输入加法运算电路 其中；同相加法

2.减法运算电路 第一级为反相放大器，第二级为反相输入加法运算电路。完成ui2与ui1的相减运算。

【例 1】试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以下运算关系：

解：由题中给出的运算关系可知ui3与uo反 相，而ui1和ui2与uo同相，故可用反相加法运算电路将ui1和ui2相加后，其和再与ui3反相相加，从而可使ui3反相一次，而ui1和ui2反相两次。根据以上分析，可画出实现加减运算的电路图，如下图所示。

完成例题函数关系的电路图

由图可得：

根据题中的运算要求设置各电阻阻值间的比例关系： ，，，

各电阻的阻值分别为：

平衡电阻R3、R6的值分别为：

3.积分和微分运算电路 （1）积分运算电路输出电压与输入电压对时间的积分成正比。

（2）微分运算电路 输出电压与输入电压对时间的微分成正比。

【例2】　利用积分电路将方波变成三角波时间常数t= R1Cf= 0.1 ms

设 uC(0) = 0 =5V = -5V

3.3.2集成放大器在信号测量中的应用 集成运放具有灵敏度、准确度高，线性好，输入电阻高等特点被用在各种信号测量电路中，由其在精密微信号测量方面有广泛的应用。

1．直流电压、电流、电阻测量：直流电压 表、电流表、欧姆表 2. 测量放大器：对微弱信号进行放大 3. 光电测量电路：将光电器件转换的电信、号进行放大 4. 温度的测量：将温度传感器转换的电信号进行放大 5. 精密整流：将较小的整流信号放大。

3.4集成放大器应用技术 1．集成放大器的选择（1）集成放大器的型号及性能参数（2）负载的性质（3）精度要求（4）环境条件

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