集成运算放大器的积分、微分电路和非线性应用

第5章集成运算放大电路（上一章介绍的用三极管、场效应管等组成的放大电路称为分立元件电子电路。

）集成电路：如果在一块微小的半导体基片上，将用晶体管（或场效应管）组成的实现特定功能的电子电路制造出来，这样的电子电路称为集成电路。

（集成电路是一个不可分割的整体，具有其自身的参数及技术指标。

模拟集成电路种类较多，本章主要介绍集成运算放大电路。

）本章要求：（1）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、微分和积分运算电路的工作原理。

（4）理解电压比较器的工作原理和应用。

5.1集成运算放大器简介5.1.1集成运算放大器芯片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、应用最广泛的一种模拟集成电路。

集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。

集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。

早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。

现在，运放的应用已远远超过运算的范围。

它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。

1、集成电路的概念（1）集成电路：禾U用半导体的制造工艺，把晶体管、电阻、电容及电路连线等做在一个半导体基片上，形成不可分割的固体块。

集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。

（2）集成电路分类：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路，小、中、大、超大规模集成电路。

①模拟集成电路：以电压或电流为变量，对模拟量进行放大、转换、调制的集成电路。

（可分为线性集成电路和非线性集成电路。

）②线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成线性关系的电路，如集成运算放大器。

③非线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成非线性关系的电路，如集成稳压器。

（3）线性集成电路的特点①电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。

②输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。

第三章集成运放电路填空题1、（3-1，低）理想集成运放的A ud=，K CMR=。

2、（3-1，低）理想集成运放的开环差模输入电阻ri=，开环差模输出电阻ro=。

3、（3-1，中）电压比较器中集成运放工作在非线性区，输出电压Uo只有或两种的状态。

4、（3-1，低）集成运放工作在线形区的必要条件是___________ 。

5、（3-1，难）集成运放工作在非线形区的必要条件是__________，特点是___________，___________。

6、（3-1，中）集成运放在输入电压为零的情况下，存在一定的输出电压，这种现象称为__________。

7、（3-2，低）反相输入式的线性集成运放适合放大(a.电流、b.电压) 信号，同相输入式的线性集成运放适合放大(a.电流、b.电压)信号。

8、（3-2，中）反相比例运算电路组成电压（a.并联、b.串联）负反馈电路，而同相比例运算电路组成电压（a.并联、b.串联）负反馈电路。

9、（3-2，中）分别选择“反相”或“同相”填入下列各空内。

（1）比例运算电路中集成运放反相输入端为虚地，而比例运算电路中集成运放两个输入端的电位等于输入电压。

（2）比例运算电路的输入电阻大，而比例运算电路的输入电阻小。

（3）比例运算电路的输入电流等于零，而比例运算电路的输入电流等于流过反馈电阻中的电流。

（4）比例运算电路的比例系数大于1，而比例运算电路的比例系数小于零。

10、（3-2，难）分别填入各种放大器名称（1）运算电路可实现A u＞1的放大器。

（2）运算电路可实现A u＜0的放大器。

（3）运算电路可将三角波电压转换成方波电压。

（4）运算电路可实现函数Y＝aX1＋bX2＋cX3，a、b和c均大于零。

（5）运算电路可实现函数Y＝aX1＋bX2＋cX3，a、b和c均小于零。

11、（3-3，中）集成放大器的非线性应用电路有、等。

12、（3-3，中）在运算电路中，运算放大器工作在区；在滞回比较器中，运算放大器工作在区。

第一章常用半导体器件1-1 晶体二极管二．判断题1．在外电场作用下，半导体中同时出现电子电流和空穴电流。

（T）2．P型半导体中，多数载流子是电子，少数载流子是空穴。

（F）3．晶体二极管有一个PN结。

所以有单向导电性。

（T）4．晶体二极管的正向特性也有稳压作用。

（T）5．硅稳压管的动态电珠愈小，则稳压管的稳压性能愈好。

（T）6．将P型半导体和N型半导体用一定的工艺制作在一起，其叫界处形成PN结。

（T）7．稳压二极管按材料分有硅管和锗管。

（F）8．用万用表欧姆挡的不同量程去测二极管的正向电阻。

其数值是相同的。

（F）9．二极管两端的反向电压一旦超过最高反向电压，PN结就会击穿。

（F）10．二极管的反向电阻越大，其单向导电性能就越好。

（T）11．用500型万用表测试发光二极管，应该R*10k挡。

（T）1-2 晶体三极管二．判断题1．晶体三极管的发射区和集电区是由同一类半导体（N型或P型）构成的，所以发射极和集电极可以相互调换使用。

（F）2．三极管的放大作用具体体现在Ic=ßIb。

（T）3．晶体三极管具有能量放大作用。

（F）4．硅三极管的Icbo值要比锗三极管的小。

（T）5．如果集电流Ic大于集电极最大允许电流Icm时，晶体三极管可顶损坏。

（F）6．晶体二极管和三极管都是非线性器件。

（T）7．3CG21管工作在饱和状态时，一定是Ube<Uce.（T）8．某晶体三极管的Ib=10μA时。

Ic=044mA;当Ib=20μA时。

Ic=0.89mA,则它的电流放大系数ß=45。

（T）9．因为三极管有两个PN结，二极管有一个PN结。

所以用两个二极管可以连接成一个三极管。

（F）10．判断题1-2-1所示各三极管的工作状态（NON型为硅管。

PNP 型为锗管）。

a)(放大)；b)(饱和)；c)(截止)；d)(放大)11．复合管的共发射极电流放大倍数ß等于两管的ß1，ß2之和。

运算放大器基本原理及应用一． 原理(一） 运算放大器 1.原理运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。

在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。

运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。

图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。

如图2所示。

U -对应的端子为“-”，当输入U -单独加于该端子时，输出电压与输入电压U -反相，故称它为反相输入端。

U +对应的端子为“＋”，当输入U +单独由该端加入时，输出电压与U +同相，故称它为同相输入端。

输出：U 0= A(U +-U -) ； A 称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。

在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数。

2.理想运放在线性应用时的两个重要特性输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud （U +－U －）,由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。

即U +≈U －，称为“虚短”。

由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

3. 运算放大器的应用 (1)比例电路所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。

(a) 反向比例电路反向比例电路如图3所示，输入信号加入反相输入端:图3反向比例电路电路图对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为：为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R ’＝R 1 // R F 。

集成运算放大器的基本运算电路集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。

当外部接入不同的线性或非线性元器件组成负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。

在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。

基本运算电路（1)反相比例运算电路电路如图1所示，对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为uO＝-ui图1 反相比例运算电路为了减小输入偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1||RF。

(2)同相比例运算电路图2是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为)ui当R1→∞时，uO=ui，即得到如图3所示的电压跟随器。

图中R2=RF，用以减小漂移和起保护作用。

一般RF取10KΩ，RF太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。

图2 同相比例运算电路图3 电压跟随器(3)反相加法电路电路如图4所示。

图4 反相加法运算电路输出电压与输入电压之间的关系为uO=()R3=R1||R2||RF (4) 减法运算电路对于图5所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=RF时，有如下关系式uO=(ui2-ui1)图5 减法运算电路(5)积分运算电路反相积分电路如图6所示。

在理想化条件下，输出电压uo等于uo(t)= —式中“—”号表示输出信号与输入信号反相。

uc(o)是t=0时刻电容C两端的电压值，即初始值。

图6 积分运算电路如果ui(t)是幅值为E的阶跃电压，并设uc(o)=0，则—即输出电压uo(t)随时间增长而线性下降。

显然时间常数R1C的数值大，达到给定的uo值所需的时间就长。

积分输出电压所能达到的最大值受集成运放最大输出范围的限制。

在进行积分运算之前，首先应对运放调零。

为了便于调节，将图中K1闭合，通过电阻R2的负反馈作用帮助实现调零。

但在完成调零后，应将K1打开，以免因R2的接入造成积分误差。

K2的设置一方面为积分电容放电提供通路，同时可实现积分电容初始电压uc(o)=0。

第四章集成运算放大器的应用§4-1 集成运放的主要参数和工作点= 1、理想集成运放的开环差模电压放大倍数为 Aud=∞，共模抑制比为 KCMR ∞，开环差模输入电阻为 ri= ∞，差模输出电阻为 r0=0 ，频带宽度为 Fbw=∞。

2、集成运放根据用途不同，可分为通用型、高输入阻抗型、高精度型和低功耗型等。

3、集成运放的应用主要分为线性区和非线性区在分析电路工作原理时，都可以当作理想运放对待。

4、集成运放在线性应用时工作在负反馈状态，这时输出电压与差模输入电压满足关系；在非线性应用时工作在开环或正反馈状态，这时输出电压只有两种情况；+U0m 或 -U0m 。

5、理想集成运放工作在线性区的两个特点：（1） up=uN ，净输入电压为零这一特性成为虚短，（2） ip=iN，净输入电流为零这一特性称为虚断。

6、在图4-1-1理想运放中，设Ui=25v,R=Ω，U0=,则流过二极管的电流为 10 mA ，二极管正向压降为 v。

7、在图4-1-2所示电路中，集成运放是理想的，稳压管的稳压值为，Rf=2R1则U0=-15 V。

二、判断题1、反相输入比例运算放大器是电压串联负反馈。

（×）2、同相输入比例运算放大器是电压并联正反馈。

（×）3、同相输入比例运算放大器的闭环电压放大倍数一定大于或等于1。

（√）4、电压比较器“虚断”的概念不再成立，“虚短”的概念依然成立。

（√）5、理想集成运放线性应用时，其输入端存在着“虚断”和“虚短”的特点。

（√）6、反相输入比例运算器中，当Rf=R1，它就成了跟随器。

（×）7、同相输入比例运算器中，当Rf=∞，R1=0，它就成了跟随器。

（×）三、选择题1、反比例运算电路的反馈类型是（B ）。

A.电压串联负反馈B.电压并联负反馈C.电流串联负反馈2、通向比例运算电路的反馈类型是（A ）。

A.电压串联负反馈B.电压并联负反馈C.电压串联正反馈3、在图4-1-3所示电路中，设集成运放是理想的，则电路存在如下关系（ B ）。