集成运算放大器的应用

1、1 14.1 模拟运算电路4.2 信号处理电路4.3 正弦波振荡器第四章 集成运算放大器的应用2 前面介绍的是分立电路，就是由各种单个元件前面介绍的是分立电路，就是由各种单个元件连接起来的电子电路。集成电路是相对于分立电路连接起来的电子电路。集成电路是相对于分立电路而言的，就是把整个电路的各个分立元件以及相互而言的，就是把整个电路的各个分立元件以及相互之间的连接在一块半导体芯片上，组成一个不可分之间的连接在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体，与由晶体管等分立元件组成的电路比较，割的整体，与由晶体管等分立元件组成的电路比较，体积更小，重量更轻，功耗更低，又由于减少了电体积更小，重量更轻，功

2、耗更低，又由于减少了电路的焊接点而提高了工作的可靠性，并且价格也较路的焊接点而提高了工作的可靠性，并且价格也较便宜。所以集成电路的问世，是电子技术的一个新便宜。所以集成电路的问世，是电子技术的一个新的飞跃，进入了微电子学时代，从而促进了各个科的飞跃，进入了微电子学时代，从而促进了各个科学领域先进技术的发展。学领域先进技术的发展。3 早期的运算放大器是用电子管组成的，早期的运算放大器是用电子管组成的，后来被晶体管分立元件运算放大器取代。随后来被晶体管分立元件运算放大器取代。随着半导体集成工艺的发展，自从着半导体集成工艺的发展，自从6060年代初第年代初第一个集成运算放大器（也称为固体组件运算一个

3、集成运算放大器（也称为固体组件运算放大器）问世以来，才使运算放大器的应用放大器）问世以来，才使运算放大器的应用远远地超出了模拟计算机的界限。远远地超出了模拟计算机的界限。4 4集成电路简介集成电路简介 集成电路是在一小块集成电路是在一小块P P型硅晶片衬底上，制成多型硅晶片衬底上，制成多个晶体管个晶体管( (或或FET)FET)、电阻、电容，组合成具有特定、电阻、电容，组合成具有特定功能的电路。功能的电路。5 5集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的高增益的直接耦合的集成的多级放大器。多级放大器。集成电路在结构上的特点1.1. 采用直接耦合方式。采用直接耦合方式。 2.2. 为克

4、服直接耦合方式带来的温漂现象为克服直接耦合方式带来的温漂现象, ,采用了采用了温度补偿的手段温度补偿的手段-输入级是差放电路。输入级是差放电路。3.3. 大量采用大量采用BJTBJT或或FETFET构成恒流源构成恒流源 , ,代替大阻值代替大阻值R ,R ,或用于设置静态电流。或用于设置静态电流。4.4. 采用复合管接法以改进单管性能。采用复合管接法以改进单管性能。 集成电路分为数字和模拟两大部分。集成电路分为数字和模拟两大部分。6 61. 元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。需要对称结构的电路。2. 集成

5、电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。以下。3. 不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。4. 只能制作几十只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。接耦合方式。如需大电容，只有外接。5. 不能制造电感，如需电感，也只能外接不能制造电感，如需电感，也只能外接集成电路的工艺特点71. 运放的电压传输特性运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。 运放的运放的AVO=104U

6、i1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。AVO越大，线性区越小，当越大，线性区越小，当AVO时，线性区时，线性区0理想运算放大器理想运算放大器82.理想运算放大器：理想运算放大器：开环电压放大倍数开环电压放大倍数 AV0=差摸输入电阻差摸输入电阻 Rid=输出电阻输出电阻 R0=093. 线性区线性区:为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法： 虚短（虚短（U+=U-） 虚断（虚断（ii+=ii-

7、=0）104. 非线性区（正、负饱和输出状态）非线性区（正、负饱和输出状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！电路中开环工作或引入正反馈！114.1.1 1 1、反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路Rp +uouiRFR1i1iff1ii 0uu，FoFof111RuRuuiRuRuuiii图4-11213R2 +R1uoRf1Rf2Rf3uii1if1if2if3of1f2f1f21f31ufiuAuR RRRRR 根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，可以推出图所示电路的闭环电压放大倍数为：图4-214例例 在图4-2所示电路中，已

8、知R1=100k，Rf1=200k，Rf2=200k， Rf3=1k，求：（1）闭环电压放大倍数Auf、输入电阻ri及平衡电阻R2；（2）如果改用图4-1的电路，要想保持闭环电压放大倍数和输入电阻不变，反馈电阻Rf应该多大？解解（1）闭环电压放大倍数为：5 .1021502005020010011f3f2f1f2f11RRRRRRAuf1516Rpui +uoRFR1i1if2 2、同、同相输入比例运算电路相输入比例运算电路17ui +uo18例例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求输出电压uo，并说明输入级的作用。ui +R2 +uoRfR1uo1解解 输入

9、级为电压跟随器，由于是电压串联负反馈，因而具有极高的输入电阻，起到减轻信号源负担的作用。且V 1o1iuu，作为第二级的输入。第二级为反相输入比例运算电路，因而其输出电压为：(V) 21100200o11ouRRuf19例例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求输出电压uo。R2 +uoRfR1uiR3解解 根据虚断，由图可得：ifuRRRuuRRRu323o1120214.1.2 1 1、加法运算电路加法运算电路i2ui2Rp +uoui1RFifR1i1R222R2 +uoRFR1ui1ui2R32 2、减法、减法运算

10、电路运算电路2323231F11Fo1iiuRRRRRuRRu减法减法运算电路：运算电路：24Rp2RP1 +uoui1RF +uo1RRR1R2ui2：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。11F22Fo12F11Fo2o1)(iiiiuRRuRRuRRuRRuuu25 R4 R3 + + uo ui2 R1 + + uo1 R2 R1 R2 ui1 A1 A2 ：电路由第一级的同相比例运算电路和第二级的减法运算电路级联而成。112o11iuRRu1221221112212211o21o1111iiiiiuuRRuRRuRRRRuRRuRRu26321o82010iiiuuuu

11、解解 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，如图所示。ui2R3 +uo1ui1Rf1R1R2R6 +uoui3Rf2R4R5A1A22722f211f1o1iiuRRuRRu34f222f111f15f2o15f234f2oiiiiuRRuRRuRRRRuRRuRRu28根据题中的运算要求设置各电阻阻值间的比例关系：15f2RR，101f1RR，202f1RR，84f2RR若选取k 100f2f1RR

12、，则可求得其余各电阻的阻值分别为：k 101R，k 52R，k 5 .124R，k 1005R平衡电阻 R3、R6的值分别为：k 5 . 2100/5/10/f1213RRRRk 10100/100/5 .12/f2546RRRR29R3 +uoui1R4 + +uo1R3ui2 +R1R2R2R4uo2A1A2A330R3 +uoui1R4 + +uo1R3ui2 +R1R2R2R4uo2A1A2A331R3 +uoui1R4 + +uo1R3ui2 +R1R2R2R4uo2A1A2A3324.1.3 1 1、积分运算电路积分运算电路uiRP +CRiCiRuo33oi1duu tRC 0o

13、io1dtCtuu tutRC 0ioo1 d ttu tutRC 34oi1duU tRC uitOUo(sat)uotO+ Uo(sat)ui = Ui 0 ui = Ui 0时，| Auf|衰减很快 显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。49 为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。50c1Fo11111jARCjRRUUAuiufRC1c：512o11uufAARC1o：c1Fo11111jARCjRRUUAuiuf52,0时时当当 ,时时当当 ff0uuAA

14、f0uA,0时时当当 f0f2uuAA2o11uufAA53 可见，电路使频率大于0 的信号通过 ，而小于0 的信号被阻止，称为有源高通滤波器。 54 将低通滤波器与高通滤波器串联，并使低通滤波器的截止频率 大于高通滤波器的截止频率 ,则构成有源带通滤波器。 其中 为上限频率， 为下限频率，通频带为：HLHLHLBW55OOO 将低通滤波器与高通滤波器并联，并使高通滤波器的截止频率 大于高通滤波器的截止频率 ,则构成有源带阻滤波器。 和 之间的信号被阻止不能通过，其他频率的信号可以通过LHHL564.2.2 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 用作比较器时，57理想运放工作在饱和区的特点理想运放工作在饱和区的特点： uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O58运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压uo达到最大值UOM。1、简单比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。 59ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR时，