集成运放及其应用

1、1.3 求和运算电路求和运算电路1.5 对数和指数运算电路对数和指数运算电路1.1 运算放大器线性应用电路的特点运算放大器线性应用电路的特点1.4 积分和微分运算电路积分和微分运算电路1.2 比例运算放大电路比例运算放大电路本内重点讲述理想集成运放的特点、基本内重点讲述理想集成运放的特点、基本运算电路。本运算电路。重点掌握理想集成运放的重点掌握理想集成运放的特点及特点及“虚短虚短”、“虚断虚断”的概念，并的概念，并能应用这两个基本概念分析基本运算电能应用这两个基本概念分析基本运算电路；路；内容简介内容简介 满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。满足下列参数指标的运算放大器可以视为

2、理想运算放大器。 1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Avd= ，实际上，实际上Avd80dB即可。即可。 一、理想运放的性能指标一、理想运放的性能指标 2.差模输入电阻差模输入电阻Rid= ，实际上，实际上Rid比输入端外电路的电阻大比输入端外电路的电阻大23个量级即可。个量级即可。 3.输出电阻输出电阻Ro=0，实际上，实际上Ro比输入端外电路的电阻小比输入端外电路的电阻小12个个量级即可。量级即可。 5.带宽足够宽，上限截止频率带宽足够宽，上限截止频率 fH= 。 4.共模抑制比足够大，共模抑制比足够大，KCMR = 。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为实际上

3、在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。显下降即可。 6.失调电压、失调电流和温漂均为零，且无任何内部噪声失调电压、失调电流和温漂均为零，且无任何内部噪声 。 实际集成运放的特性很接近理想集成运放，我们仅仅在进实际集成运放的特性很接近理想集成运放，我们仅仅在进行误差分析时，才考虑理想化后造成的影响，一般工程计算其行误差分析时，才考虑理想化后造成的影响，一般工程计算其影响可以忽略。影响可以忽略。集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性 在线性区：在线性区：uOAo

4、d(uPuN)， Aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多的数值仅为几十一百多V。当其大于此值时，集成。当其大于此值时，集成运放的输出不是运放的输出不是UOM , 就是就是UOM ，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。（2）理想集成运放工作于线性区）理想集成运放工作于线性区 理想运放工作于线性区：理想运放工作于线性区：)(uuAuodo “虚短虚短”：运放的同相输入端和反相输入端的电位运放的同相输入端和反相输入端的电

5、位“无穷无穷”接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。uuuuuAood故所以，为有限值而, 0)(, A - - + u+ uo u- i+ i- 0,Riiuuuiid所以，为有限值因为 “虚断虚断”：运放的同相输入端和反相输入端的电流趋于运放的同相输入端和反相输入端的电流趋于0，好象断路一样，但却不是真正的断路。好象断路一样，但却不是真正的断路。 理想运放工作于线性区，因其放理想运放工作于线性区，因其放大倍数趋于无穷大，所以在输入端只大倍数趋于无穷大，所以在输入端只要加一个非无穷小的电压，其输出就要加一个非无穷小的电压，其输出就会超出其线性工作区，

6、因此，会超出其线性工作区，因此，只有电只有电路引入负反馈，才能使其工作于线性路引入负反馈，才能使其工作于线性区。区。 i- A - - + u+ uo u- i+ 反馈网络 （3）理想集成运放工作于非线性区）理想集成运放工作于非线性区 电路中没有引入负反馈或引入的电路中没有引入负反馈或引入的是正反馈，理想运放工作于非线性区。是正反馈，理想运放工作于非线性区。因其放大倍数趋于无穷大，所以输出因其放大倍数趋于无穷大，所以输出电压只有两种可能：电压只有两种可能：uuUuuUuoOMOM-0,Riiid所以，因为 uo -UOM UOM u+- u- O 比例运算电路：比例运算电路：将输入信号按比例放

7、大的电路。将输入信号按比例放大的电路。分类：分类：按输入信号加按输入信号加入不同的输入入不同的输入端分端分反向比例电路反向比例电路同相比例电路同相比例电路差动比例电路差动比例电路比例放大电路是集成运算放大电路的三种比例放大电路是集成运算放大电路的三种主要放大形式主要放大形式(1) 反相比例运算放大器反相比例运算放大器_+ + RFR1RuiuoiIiFi-i+虚地点虚地点iI=iF+ i-=iF , i- =0 i+ =0u+ =0 u=u+=0平衡电阻平衡电阻( (使输入端对使输入端对地的静态电阻相地的静态电阻相等等):R):R=R=R1 1/R/RF F2o1iRuRu F电压放大倍数电压

8、放大倍数:1F10ufRRuuA反相比例运算放大器反相比例运算放大器输入电阻输入电阻Ri=R1输入电阻输入电阻(小小):uo_+ + RFR1RPuiiIiFi-i+反馈电阻反馈电阻 运算放大器输入端无共模信号运算放大器输入端无共模信号 运算电路输入电阻较小运算电路输入电阻较小_+ + RFR1RuiuoiIiFi-i+例题例题1. R1=10k , RF=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo ，R应应为多大？为多大？Auf=-（RF/R1）=-20/10=-2uo= Auf ui=(-2)(-1)=2VR=R1/RF=10/20=6.7 k (2) 同相比例运算放大器同相

9、比例运算放大器u-= u+= uii+ =0i- =0_+ + RFR1RuiuoiFi1Auf=1+RFR1iF=i1R=RR=R1 1/R/RF F1FRuRuuiioiouRRu)1 (1F同相比例运算放大器同相比例运算放大器输入电阻：输入电阻：_+ + RFRfRPuiuo 运算放大器输入端有共模信号运算放大器输入端有共模信号 运算电路输入电阻很大运算电路输入电阻很大Ri=输入电阻输入电阻(大大):_+ + RFRfRPuiuoAuf=1+RFRf当当RF=0时时,Auf=1uo=ui(3) 电压跟随器电压跟随器此电路输入电阻大，此电路输入电阻大，输出电阻小，在电路输出电阻小，在电路中

10、作用与分离元件的中作用与分离元件的射极输出器相同，但射极输出器相同，但是电压跟随性能好。是电压跟随性能好。_+ + RFR1RuiuoiFi1例题例题2. R1=10k , RF=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo ，R应应为多大？为多大？uo= Auf ui=(3)(-1)=-3VR=R1/RF =10/20=6.7 k Auf=1+ =1+20/10=3RFR1(4) 差动放大器差动放大器_+ + RFR1R1ui1uoRFui2)(211FiiouuRRui+ =0i- =0ui1RF R1 + RF u+ =u- = u+ u- =uo R1 + ui2 RFR1

11、 + RF uo R1 + ui2 RF R1 + RF ui1RF R1 + RF =例题例题3. R1=10k , R2=20k , , ui 1=-1V=-1V， ui 2=1V =1V 。求求: :uo uo_+ + R2R1R1R2ui1_+ + ui2_+ + R2R1RPuo= (uo2- uo1)=(20/10)3-(-1) =8VR2R1uo1= ui1=-1Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3V(5) 反相求和运算：反相求和运算：_+ + RFR1R2ui2uoRui1i1i2iF虚地虚地uo =-(ui1 R1 RF +ui2 R2 RF )若若R1 =R2 =R,

12、uo = -(ui1 R RF +ui2 )取取R = R1/ R2/RFuo_+ + RFR1Rui0uu i+ =0i- =0,i1 + i2= iFui1 R1 =ui2 R2 +-uo RF (6) 同相求和运算：同相求和运算：Auf= RFR11+uo = Auf u+ =( )( + ) RFR11+R2 R1 + R2 ui1R1 R1 + R2 ui2取取R1/R2=RF/R当当R1 = R2 时时, uo = ( )(ui1 + ui2)RFR11+12RRF+u i1uoR1R2ui2-u+ _+ + RFR1Ruiuo单运放的加减运算电路单运放的加减运算电路实际应用时可适

13、当增加或减少输入端的个实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。数，以适应不同的需要。R2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521R/R/RR/R/RR2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6)(4433643RuRuR/R/Ruii uu52211RuuRuuRuuoii虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路)()111(44332211552122115RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiiiio643521R/R/RR/R/R例例4：设计一个加减运算电路，设计一个加减运算电路， RF=240k ，使使uo=10ui1+ 8u

14、i2 - 20ui3解解: (1) 画电路。画电路。系数为负的信号系数为负的信号从反相端输入，从反相端输入，系数为正的信号系数为正的信号从同相端输入。从同相端输入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3(2) 求各电阻值。求各电阻值。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3FRRRRR/3421)(332211RuRuRuRuiiiFok240FRuo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3k241Rk302Rk123Rk804R优点：优点：元件少，成本低。元件少，成本低。)(443322115RuRuRuRuRuiiiio缺点：缺点：要求要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。

15、阻值的调整计算不方。阻值的调整计算不方便。便。单运放的加减运算电路单运放的加减运算电路改进：改进：采用双运放电路。采用双运放电路。双运放的加减运算电路双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R625461213FFR/R/RR,R/R/RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo(7) 反相积分运算反相积分运算Ruii1 dtduCioC dtuRC1uioC1ii i1iCu i-+RRCuoucuc = -uoi+ =0i- =0,iC =Cducdt-Cduod

16、tuiR=u-= u+= 01) 输入为阶跃信号时的输出电压波形？输入为阶跃信号时的输出电压波形？2) 输入为方波时的输出电压波形？输入为方波时的输出电压波形？3) 输入为正弦波时的输出电压波形？输入为正弦波时的输出电压波形？波形变换波形变换移相移相线性积分线性积分应用举例：应用举例：(8) 微分运算：微分运算：u-= u+= 0RuioRdtduCiiCRCii dtduRCuio u i+uoRRiCiRCi- =0)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0tsinui 例例5：,求求uo。dtduRCuio u i+uoRR2iCiRC90(9) 对数运算电路对数运算电路(

17、10) 指数运算电路指数运算电路以上两个电路温以上两个电路温漂很严重，实际漂很严重，实际电路都有温度补电路都有温度补偿电路偿电路指数运算电路相当反对数运算电路。指数运算电路相当反对数运算电路。运算电路要求运算电路要求1.熟记前熟记前8种基本运算电路的电路图及放大种基本运算电路的电路图及放大倍数公式。倍数公式。2. 以上基本运算电路级联后输出的计算。以上基本运算电路级联后输出的计算。3. 会用会用 i- =0, i+ =0, u+ = u- 分析给定运算电分析给定运算电路的路的 放大倍数。放大倍数。数据放大器（三运放电路）数据放大器（三运放电路）+A1-+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab

18、+R1R1-+A3R2R2uo+WbaW2o1oRuuRR2uu W2i1iRuu 1o2ouu)uu(RRR21i2iWW +A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+三运放电路三运放电路(续续)i1-i2-i+ =0i- =0,u-= u+1iauu 2ibuu ,R、RW、R三个电阻可视为串联三个电阻可视为串联 1o2ouu)uu(RRR21i2iWW 三运放电路三运放电路(续续)uoR1R1+A3R2R2uo1uo2+A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+)uu(RRu1o2o12o )uu(RRR2RR1i2iWW12 uo=三运放电路是差动放大器，放大倍数可三运

19、放电路是差动放大器，放大倍数可调。调。由于输入均在同相端，此电路的输入电由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。阻高。三运放电路的特点三运放电路的特点例例6:由三运放放大器组成的温度测量电路由三运放放大器组成的温度测量电路uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+U=+5VRRRRtui ui =Rt - R2(Rt+R)URt 热敏电阻热敏电阻)uu(RRR2RR1i2iWW12 uo= ui=)uu(RRR2RR1i2iWW12 Rt - R2(Rt+R)URt=f(TC)集成化集成化:仪表放大器仪表放大器例例7. 求电压放大倍数求电压放大倍数Au=uo/ui 。i+ =0i- =0,u-= u+=0_+ + RFR1RPuiuoi1iFi-i+R2R3i2 i3uFi1 =iF = i2 +i3uiR1-uFRF=-uFRFuF -uoR2uFR3+uo = - ui R1RF + R2 +RF R2R3R1RF + R2 +RF R2R3Au= RP=R1/(RF + R2 /R3)例例8. A/D变换器要求其输入电压的幅度为变换器要求其输入电压的幅度为0+5V，现有，现有信号变化范围为信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为其变化范围变为0+5V。+5V-5