第五章集成运算放大器的基本应用电路

1、第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路模拟电子电路及技术基础第五章第五章集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器。集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器。同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。5.1 集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性5.1.1

2、集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路35.1.1集成运算放大器的模型集成运算放大器的模型uid = = ui+ + - - ui- -：差模输入电压；：差模输入电压；Auo：集成运放的开环电压放大：集成运放的开环电压放大倍数；倍数；Ri：集成运放的输入电阻；：集成运放的输入电阻；Ro：集成运放的输出电阻。：集成运放的输出电阻。Ri Ro0Auo Ii+= = Ii- -0理想化理想化条件理想化条件“虚断路虚断路”第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路输入电阻，反映了集成运放输入端向输入

3、信号源索输入电阻，反映了集成运放输入端向输入信号源索取电流的能力，要求它愈大愈好；取电流的能力，要求它愈大愈好；输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的带输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的带负载能力要求它愈小愈好；负载能力要求它愈小愈好；A 愈大愈好愈大愈好第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路Ri Ro0Avo KCMR0漂移漂移0理理想想化化“虚断虚断”“虚短虚短”“虚短虚短”：Auo vid 0“虚断虚断”： Ii+= Ii-=0第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路65.1.2集成运算放大器的电压传输特性

4、集成运算放大器的电压传输特性线性放大区：线性放大区：uo = = Auo(ui+ + - - ui- -) = Auouid“虚短路虚短路”：Auo uid 0限幅区：限幅区：uo = = UCC 或或 UEE，uid 可以较大，不再可以较大，不再“虚短路虚短路”。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路7+-=iiiduuu反相电压传输特性反相电压传输特性第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路含运算放大器电路分析的方法含运算放大器电路分析的方法 节点法、回路法节点法、回路法 虚断、虚短概念虚断、虚短概念第第5 5章章 集成运算

5、放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。方法：方法：引入深度电压负反馈。这样输出电压与运放的开环放引入深度电压负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。比例运算电路比例运算电路5.2 反相比例放大器与同相比例放大器反相比例放大器与同相比例放大器第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路101)闭环增益与电压传输特性闭环增益与电压传输特性5.2.1反相比例放大器反相比例放大器0

6、 - -= =fiiIIIfiII = =0= = =+ +- -UU11RURUUIiii - -= =- -22RURUUIOOf- - - -= =- -21RURUIIOifi- -= = = =12RRUUAiOuf- -= = =5.2 反相比例放大器与同相比例放大器反相比例放大器与同相比例放大器结构特点：结构特点：负反馈引到反相负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。输入端，信号从反相端输入。输出与输入输出与输入反相反相、运算电路输入电阻运算电路输入电阻较小较小0 - -= =fiiIIIfiII = =0= = =+ +- -UU0 - -= =fiiIIIfiII = =11

7、RURUUIiii - -= =- -0= = =+ +- -UU0 - -= =fiiIIIfiII = =22RURUUIOOf- - - -= =- -11RURUUIiii - -= =- -0= = =+ +- -UU0 - -= =fiiIIIfiII = =21RURUIIOifi- -= = = =22RURUUIOOf- - - -= =- -11RURUUIiii - -= =- -0= = =+ +- -UU0 - -= =fiiIIIfiII = =12RRUUAiOuf- -= = =21RURUIIOifi- -= = = =22RURUUIOOf- - - -=

8、=- -11RURUUIiii - -= =- -0= = =+ +- -UU0 - -= =fiiIIIfiII = =利用虚短利用虚短和虚断得和虚断得第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路平衡电阻平衡电阻 R RN N与与R RP PR RN N、R RP P：令令v vi i和和v vo o为零，为零，分别分别指从指从N N（）或（）或P P（）（）端到地端到地之间的直流电阻。之间的直流电阻。R2RfR1vS2vS1vO+RpRNR3vIvO- -+RfR1AvNvPR2R2 =R1 / RfRN =RpR3 =R1 / R2 / Rf第第5 5章章 集

9、成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路122)闭环输入电阻闭环输入电阻反相比例放大器的特点：反相比例放大器的特点：(1) 信号从反相端输入，输出信号与输入信号反相；信号从反相端输入，输出信号与输入信号反相；(2) U- - = = U+ + = = 0，因为同相端电压为零，因为同相端电压为零( 接地接地) ，所以反相端呈现，所以反相端呈现“虚地虚地”特性；特性；(3) 闭环放大倍数闭环放大倍数 Auf = - = - R2 / / R1；(4) 闭环输入电阻较小，闭环输入电阻较小，Rif R1，闭环输出电阻，闭环输出电阻Rof 0。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集

10、成运算放大器的基本应用电路13【例【例5.2.1】设计一个放大器电路，要求输入电阻大于等于】设计一个放大器电路，要求输入电阻大于等于 50k，uo =-6ui。【例【例5.2.2】有一运放组成的反相比例放大器，电源电压】有一运放组成的反相比例放大器，电源电压UCC=UEE=12V，求输入信号分别为求输入信号分别为 ui1=1sint(V)和和ui2=2sint(V) 时的输出波形图。时的输出波形图。iuA1R2Rou2 k12 V12 V-16 k0ouuf8A= -iu12 V12 V-1.5 V+1.5 V-i1ui2u1V8 V12 V+12 V-o1uo2u2 V2 V-0000第第5

11、 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路14【例【例5.2.3】有一运放组成的反相比例放大器，如右图所示，电源电压UCC = | UEE | = 12 V，求输入信号分别为ui1 = 1sint (V) 和 ui2 = 2sint (V) 时的输出波形图。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路15121RRuuAiouf+ += = =0211+ +- -= =OiiduRRRuu5.2.2同相比例放大器同相比例放大器输出与输入输出与输入同相同相、运算电路输入电阻运算电路输入电阻较大较大利用虚短和虚断得利用虚短和虚断得IPNvvv=

12、= =0NNO12vvvRR-=第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路16同相比例放大器的特点：同相比例放大器的特点：(1) 信号从同相端输入，输出信号与输入信号同相；信号从同相端输入，输出信号与输入信号同相；(2) U+ = = U- - 0，反相端和同相端电压相等，反相端和同相端电压相等,即即“虚短路虚短路”；(3) 闭环放大倍数大于等于闭环放大倍数大于等于1，可以设计成电压跟随器；，可以设计成电压跟随器；121RRuuAiouf+ += = =第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路17(4) 闭环输入阻抗进一步增大，趋向

13、于理想条件，即闭环输入阻抗进一步增大，趋向于理想条件，即Rif ；(5) 闭环输出阻抗进一步减小，也趋向于理想条件，即闭环输出阻抗进一步减小，也趋向于理想条件，即Rof 0。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路185.2.3两种放大器比较两种放大器比较反相比例放大器的特点：反相比例放大器的特点：1.信号从反相端输入，输出信号与输入信号反相。共模输入为零。2.U- = U+ = 0，因为同相端电压为零(接地)，所以反相端呈现“虚地”特性。3.闭环放大倍数 。4.闭环输入电阻较小，Rif RI， 等效到运放输入端的等效电阻 。5.闭环输出电阻 Rof 0 。2f

14、1uRAR= -2101uRZA=+同相比例放大器的特点：同相比例放大器的特点：1.信号从同相端输入，输出信号与输入信号同相。共模输入不为零。2. U- = U+ 0，反相端与同相端电压相等，呈现“虚短路”特性。3.闭环放大倍数大于等于1。4.闭环输入阻抗进一步增大， Rif ，闭环输入电阻为 。5.闭环输出电阻Rof 0 。iifiURI=第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路【例【例5.2.4】电路如图所示，试问电路如图所示，试问(1) 运放运放 A1、A2 的功能各是什么？的功能各是什么？(2) 求输出电压求输出电压 与输入电压与输入电压 的关系式，即总

15、增益的关系式，即总增益 的表达式。的表达式。oUioufUUA=iU第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路20【例例 5.2.5】彰显电压跟随器的隔彰显电压跟随器的隔离离 (缓冲缓冲) 作作用。用。有一内阻有一内阻 Rs = = 100 k 的信号源，为一个负载的信号源，为一个负载 (RL = = 1 k ) 提供提供电流和电压。一种方案是将它们直接电流和电压。一种方案是将它们直接相连相连 (如图如图(a) 所示所示) ；另一种方案；另一种方案是在信号源与负载之间插入一级电压跟随器是在信号源与负载之间插入一级电压跟随器 ( 如图如图(b) 所示所示) 。试分。

16、试分析析两种方案负载两种方案负载 RL 所得到所得到的电压的电压 uL 和电流和电流 iL 。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路215.3加法器加法器5.3.1反相加法器反相加法器【例例 5.3.1】试设计一个相加器，完成试设计一个相加器，完成 uo = - = - (2ui1 + 3ui2) 的运算，并要的运算，并要求对求对ui1、ui2的输入电阻均大于等于的输入电阻均大于等于100 k 。)(i3i2i1fi33fi22fi11fo321uuuRRuRRuRRuRRuRRRR+-=-=第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用

17、电路22)(|1|1i2i113113fi213213i123123fo21uuRRRRRRRuRRRRRuRRRRRRRuRR+=+=5.3.2同相加法器同相加法器第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路235.4基本减法器及仪用放大器基本减法器及仪用放大器)(1i2i113,i213i142413o4321uuRRuRRuRRRRRuRRRR-=-+=5.4.1基本减法器电路基本减法器电路第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路24【例例 5.4.1】利用减法器电路可以构成利用减法器电路可以构成“称重放大器称重放大器” 。试问

18、，输出电压试问，输出电压 uo 与重量与重量 ( 体现在体现在 Rx 变化上变化上) 有何关系。有何关系。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路255.4.2精密相减器电路精密相减器电路-仪用放大器仪用放大器311222(1)ouiiGuRRAuuRR=+-第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路265.5积分器和微分器积分器和微分器-=ttuRCtud)(1)(io-=tuuRCtud )(1)(i2i1o差动积分器5.5.1积分器积分器第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路27【例例 5.5

19、.1】电路如图所示，当电路如图所示，当t = = t1 (1s) 时，开关时，开关 S 接接 a 点；点； 当当t = = t1 (1s) t2 (3s) 时，开关时，开关 S 接接 b 点；而当点；而当 t t2 (3s) 时，开关时，开关 S 接接 c 点。已知运点。已知运算放大器电源电压算放大器电源电压 15 V，初始电压，初始电压 uC(0) = = 0，试画出输出电压，试画出输出电压 uo(t) 的的波形图。波形图。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路28第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路295.5.2微分器微

20、分器ttuRCtud)(d)(io-=利用积分器和相加器求解微分方程利用积分器和相加器求解微分方程)()(2d)(d10d)(dioo2o2tututtuttu=+-=ttuttututtud)(2d)(d10)(d)(dooio-=ttuttuttutud)(10d)(2d)()(ooio第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路305.6 电压一电流变换电压一电流变换(V-I)和电流一电压变换和电流一电压变换(I-V)5.6.1 V-I变换器变换器2RuIiL- -= =负载电流负载电流 与负载与负载 无关，而与输入信号无关，而与输入信号 成正比成正比iuLZ

21、LI第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路315.6.2 I-V变换器变换器第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路32【例例 5.6.1】精密直流电压测量电路如图所示，一般要求电压测量仪表的输入电阻精密直流电压测量电路如图所示，一般要求电压测量仪表的输入电阻要尽量大，否则测量精度会受影响。利用同相输入且施加负反馈的运算放大器电要尽量大，否则测量精度会受影响。利用同相输入且施加负反馈的运算放大器电路输入电阻大的特点，有助于提高测量精度。由图可见，流过路输入电阻大的特点，有助于提高测量精度。由图可见，流过 的电流的电流 等于流过表

22、等于流过表头的电流头的电流 ，若电阻，若电阻 R1=100k，表头最大量程电流，表头最大量程电流IMm=100A ，则被测电压，则被测电压ui的最的最大值为大值为10 V，即，即精密直流电压测量电路精密直流电压测量电路MIIRU = =1mim+11M=100k100A=10 VRuUUURI-第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路33【例例 5.6.2】运放电路如图所示，求运放电路如图所示，求 uo 与与 ui 的关系式。的关系式。方法一：利用“虚地”、“虚断路”概念方法二：利用戴维南定理将图示电路简化i1200=MuuRR-o23234fi1(/)AuuR

23、RR RRuR+= -2344ooi341|RRRRuuuRRR+ = -+o23234fi1(/)AuuRRR RRuR+= -第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路34增益可调电路增益可调电路)RR(RRuuuAGiiuf12321021+ += =- -= =第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路3511221211Cj/RCjRZZ)j(u)j(u)j(Aiouf + +- -= =- -= = =【例例 5.6.3】将典型的反相比例放大器的将典型的反相比例放大器的R1、R2推广到一般的阻抗推广到一般的阻抗Z1、Z2，

24、如图，如图(a)所示，则会演变出许多新的电路。如图所示，则会演变出许多新的电路。如图(b)所示，就是一个比例所示，就是一个比例-积分积分-微分电路，微分电路，用于自动控制系统中的用于自动控制系统中的PID调节校正电路。调节校正电路。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路36【例例 5.6.4】运放电路如图所示，试计算运放电路如图所示，试计算uo1、uo2以及各支路电流值。以及各支路电流值。第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路37【例【例5.6.5】电路如图所示，求输出与输入的关系式】电路如图所示，求输出与输入的关系式。第第5

25、 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路385.7 对数、反对数放大器及乘除器对数、反对数放大器及乘除器5.7.1对数运算器对数运算器CoBESlnTiuuUI= -= -iC1uiiR=ioSlnTuuUI R= -C2C1C2S2BE2BE1S2S1C1S1lnlnlnATTTiiiIuuuUUUIIiI=-=-=33CC1o22i11lnATTRRURkTuuRRRRquR=+=+第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路395.7.2 反对数（指数）运算器反对数（指数）运算器BEofCTuUSuRiRiRI e=-=-=-BEiu

26、u=ioTuUSuI Re= -5.7.3 乘法器和除法器乘法器和除法器第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路405.8.1精密整流精密整流(限幅限幅)电路电路5.8 精密整流、检波（峰值检波、相敏检波）精密整流、检波（峰值检波、相敏检波）及取样保持电路及取样保持电路1.精密半波整流电路精密半波整流电路第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路412. 精密全波整流电路精密全波整流电路绝对值电路绝对值电路精密全波整流电路的传输特性及输出波形ouiu000ouiu第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电

27、路425.8.2峰值检波电路峰值检波电路第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路435.8.3相敏检波电路相敏检波电路第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路445.8.4取样保持电路取样保持电路第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路455.9.1高速电流反馈型集成运算放大器高速电流反馈型集成运算放大器5.9 特殊用途的集成运算放大器特殊用途的集成运算放大器1. 电流模集成运算放大器的基本框图与基本特性oTiTT( )( )( )1rUsRA sI ssR C=+ooTiiiiTT( )( )(

28、)( )( )(1)uUsUsRA sU sI s RRsR C=+第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路46ff 01uGRAR= +f 0ffT( )1uuAAssR C=+HTf12fC R=第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路47若干电流模运放的型号及其参数若干电流模运放的型号及其参数 型号型号参数参数AD811AD811AD844AD844AD9610AD9610OPA623OPA623OPA658POPA658POPA603OPA603MAXMAX4112/41134112/4113压摆率SR/(V/ s)180

29、0( Rf =1k )2000( Rf =0.5 )3500( Rf =1.5k )2100( Uopp = 5V )1700( Uopp = 2V )10001500/1800带宽(BW)/MHz1406080290680100600/750失调电压UIO/mV0.50.050.38551同相端输入电阻/M 1.5100.22.740.550.5反相端输入电阻/ 145020 503030低频互阻增益/ M 0.75(RL =200)3(RL =500 )1.5(RL =200 ) 0.190.40.5共模抑制比 KCMR/dB6010060 6050输出电流 IO/mA1006050701

30、2015080电源电压/V515 55155第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路48宽带、高速集成运算放大器举例宽带、高速集成运算放大器举例(一) 电压反馈型、输入输出轨对轨运算放大器OPA830第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路49(二)电流反馈型THS3120/THS3121第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路505.9.2集成仪表放大器集成仪表放大器INA128/129增益增益/(V/V)RG(INA128)/RG(INA128)/125102050100200500100020

31、00500010000NC50.00k12.50k5.556k2.632k1.02k505.1251.3100.250.0525.0110.005.001NC49.9k12.4k5.49k2.61k1k49924910049.924.99.764.87增益与电阻的对应表增益与电阻的对应表第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路51INA128/129应用举例应用举例具有右腿驱动的心电信号（ECG）放大电路INA128共模电流提供路径第第5 5章章 集成运算放大器的基本应用电路集成运算放大器的基本应用电路525.9.3增益可控集成运算放大器增益可控集成运算放大器1.可编程增益放大器可编程增益放大器-PGA103PGA103OINUGU1A0AINUDD15 VU+EE15 VU-37680.1F0.1F增益(倍数)2脚1脚A1A0100100110010无效11注：逻辑0： (-5.6V) U 0.8V；逻辑1：