集成运放的分析及应用

1、第七章第七章 集成运放的分析及应用集成运放的分析及应用7.1 7.1 理想运放模型及闭环分析理想运放模型及闭环分析7.2 7.2 基本运算电路基本运算电路7.3 7.3 电压比较器电压比较器7.4 7.4 波形发生器波形发生器 小结小结7.5 7.5 集成运放的其他应用电路集成运放的其他应用电路7.1 7.1 理想运放模型及闭环分析理想运放模型及闭环分析理想运放模型理想运放模型闭环运放的基本电路闭环运放的基本电路理想运放模型理想运放模型 理想运放的条件理想运放的条件1. 开环电压增益开环电压增益Aud=;2. 输入电阻输入电阻Rid=;3. 输出电阻输出电阻Ro=0;4.频带宽度频带宽度 F=

2、;5.共模抑制比共模抑制比CMRR=;6.失调、漂移和内部噪声为零。失调、漂移和内部噪声为零。主要条件主要条件条件较难满足，条件较难满足，可采用专用运放可采用专用运放来近似满足。来近似满足。理想运放模型理想运放模型-U-I-+U+I+Uo+-AU(U+-U-)1. 同相端与反相端呈开路状态。同相端与反相端呈开路状态。2.输出回路为一受控电压源输出回路为一受控电压源AU(U+-U-) ， 由于由于Ro=0,所以所以Uo=AU(U+-U-)理想运放的工作状态理想运放的工作状态 线性工作状态线性工作状态1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零理想运放的同相和反相输入端电流近似为零I+=I-02.

3、 理想运放的同相和反相输入端电位近似相等理想运放的同相和反相输入端电位近似相等U+=U-RidU+-U-=Uo/AU0虚断虚断虚短虚短 在分析运算放大器处于线性状态时，可把在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端两输入端视为等电位视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称，这一特性称为虚假短路，简称虚短虚短。虚地虚地 如将运放的同相端接地如将运放的同相端接地U+=0，则，则U-=0,即反相端是一即反相端是一 个不接个不接“地地”的的“地地”，称为，称为“虚地虚地”虚地点对地的电阻为虚地点对地的电阻为“0”由于理想运放的输入电阻非常高，在分析处于线性状由于理想运放的输入电阻非常高，在分析处于线性

4、状态运放时，可以把态运放时，可以把两输入端视为等效开路两输入端视为等效开路，这一特性，这一特性称为虚假开路，简称虚断。称为虚假开路，简称虚断。运放工作在闭环的工作状态运放工作在闭环的工作状态理想运放的工作状态理想运放的工作状态 饱和工作状态饱和工作状态1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零理想运放的同相和反相输入端电流近似为零2. 当当U+U-时，时，Uo为正饱和值为正饱和值 当当U+UR时，时， 输出应为负饱和值，稳压管的导通输出应为负饱和值，稳压管的导通,输出电压输出电压的幅度被限定在的幅度被限定在Uo=-UDUoRoDz当当UiUR时，输出为正饱和值，由于稳压管的稳压作用，时，输出

5、为正饱和值，由于稳压管的稳压作用， Uo=UzUDURUoUiUz输出电压被限定在输出电压被限定在 （UZ+UD)迟迟 滞滞 比比 较较 器器-+R1UiR2URUoRf引入正反馈引入正反馈起加速输出电压变化起加速输出电压变化 UoUiUomUonU2U11. 当输出当输出Uo为高电平为高电平Uo=Uom时，同相端受到时，同相端受到Uom和和UR同时作用同时作用f2R2f2om21RRURRRURU当当UiU 1时，输出将由高电平时，输出将由高电平Uom跳变到低电平跳变到低电平Uon。U 1称为上门限电压，也称正向阈值电压称为上门限电压，也称正向阈值电压迟迟 滞滞 比比 较较 器器-+R1Ui

6、R2URUoRf UoUiUomUonU2U12. 当输出当输出Uo为低电平为低电平Uo=Uon时，同相端受到时，同相端受到Uon和和UR同时作用同时作用f2R2f2on22RRURRRURU当当UiU 2时，输出将由低电平时，输出将由低电平Uon跳变到高电平跳变到高电平Uom 。U 2称为下门限电压，也称负向阈值电压称为下门限电压，也称负向阈值电压U1迟滞比较器迟滞比较器-+R1UiR2URUoRf UoUiUomUonU2U1上门限电压：上门限电压：f2Rff2om21RRURRRURU下门限电压：下门限电压：f2Rff2on22RRURRRURU21U-UU)U-U(RRRonomf22

7、门限宽度：门限宽度：1. 改变基准电压改变基准电压UR可改变上、下门限电压可改变上、下门限电压U 1、 U 2 ， 但不影响门限宽度但不影响门限宽度 U。2. 改变正反馈系数改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响将影响 U和和 U 1、 U 2 。3. UomUon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值比比 较较 器器 的的 特特 点点 工作在工作在开环开环或或正反馈正反馈状态。状态。 开关特性开关特性，因开环增益很大，因开环增益很大，比较器的输出只比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。有高电平和低电平两个稳定状态。 非线性非线性，因

8、大幅度工作，输出和输入不成线性因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。关系。 比较器主要用来对输入波形进行比较器主要用来对输入波形进行整形整形，可以，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。将不规则的输入波形整形为方波输出。正弦波变换为矩形波正弦波变换为矩形波比比 较较 器器 的的 应应 用用有干扰正弦波变换为方波有干扰正弦波变换为方波方波和三角波发生器方波和三角波发生器脉冲和锯齿波发生器脉冲和锯齿波发生器RoDz+-R1Ui1R4Uo1RfA1方波和三角波发生器方波和三角波发生器-+R2 Uo2CR3A2WA1迟滞比较器迟滞比较器,UR=0,U01= (UZ+UD)，A2积分器积分器,上下限电压

9、由上下限电压由Ui1和和Uo1共同决定共同决定输入一周期变化的信号输出输入一周期变化的信号输出U01将是一方波将是一方波输入方波信号，输出是一个三角波信号输入方波信号，输出是一个三角波信号U0 tUom1Uom2Uon2Uon1T1T2T方波和三角波发生器方波和三角波发生器U01U02Uom1=UZ+UDUon1= -(UZ+UD)RoDz+-R1Ui1R4Uo1RfA1-+R2 Uo2CR3A2W 方波和三角波发生器方波和三角波发生器f1i1ff1o11RRURRRURUA1同相端的电位同相端的电位Ui1U 稍大于零，比较器的输出将由低电稍大于零，比较器的输出将由低电平平Uon1跳变到高电平

10、跳变到高电平Uom1 。f1i1ff1on11RRURRRURU1on1fi1RURU上门限电压上门限电压=Uom2= 0Ui1U 稍小于零，比较器的输出将由高电稍小于零，比较器的输出将由高电平平Uom1跳变到低电平跳变到低电平Uon1 。f1i1ff1om11RRURRRURU1om1fi1RURU下门限电压下门限电压=Uon2= 0当当Uo1=Uon1时，时，当当Uo1=Uom1时，时，on2om2UUU)UU(R2RDZf1门限宽度门限宽度周期周期T与频率与频率ff2121RCR2RTTf21RCR4RT T1f 脉冲和锯齿波发生器脉冲和锯齿波发生器RoDz+-R1 Ui1R4Uo1Rf

11、A1-+R2 Uo2CR3A2WR22R21D1D2设计思想：设计思想：将积分器的充放电回路分开，从而改变将积分器的充放电回路分开，从而改变T1和和T2。1. 当当Uo1为正电压为正电压Uom1时，正电压时，正电压W D1给给C充电充电,积积 分时间常数分时间常数 1R21C.2.当当Uo1为负电压为负电压Uon1时，负电压时，负电压W D2给给C放充电放充电,积积 分时间常数分时间常数 2 R22C.f2211RCR2RT )RR(RC2RT2221f1T1f f2112RCR2RT 电压电压电流变换电路电流变换电路测量放大电路测量放大电路单电源供电放大电路单电源供电放大电路稳压电源稳压电源

12、电压电压电流变换电路电流变换电路 电流电流电压变换电路电压变换电路IsUo= -IsRfUoRfRP-+RLUsUo-+R1IL 电压电压电流变换电路电流变换电路IL=Us/R1测量放大电路测量放大电路 电桥放大器电桥放大器RfRRR RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。RX的阻值随被测量的变化而变，的阻值随被测量的变化而变，RX=R+ R.当当RX=R时电桥平衡，时电桥平衡，Ui=0,Uo=0当当RX产生产生 R变化时，输出电压将变化变化时，输出电压将变化 Uo， Uo正比于正比于 R。当电阻

13、当电阻RfR,且相对变化且相对变化 = R/RU-时，时，Uo为正饱和值为正饱和值 当当U+U-时，时，Uo为负饱和值为负饱和值 闭环运放的两种基本电路闭环运放的两种基本电路1. 反相放大器。它实质上是一个电压并联负反馈放大器，反相放大器。它实质上是一个电压并联负反馈放大器， 主要特点是反相输入端呈主要特点是反相输入端呈“虚地虚地”.电压增益电压增益: AUf-RfRl式中，式中， Rf是反馈电阻，是反馈电阻，R1是反相输入端电阻。是反相输入端电阻。反相放大器的反相放大器的输入电阻输入电阻rif = R1，输出电阻，输出电阻rof=0。2. 同相放大器。它实质上是一个电压串联负反馈放大器，同相放大器。它实质上是一个电压串联负反馈放大器，电压增益电压增益: AUf1+RfRl注意：式中