模拟电子技术第4章集成运算放大器的应用

1、124.1.1 比例运算电路比例运算电路作用：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。电路结构：电路结构：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这 样放大倍数与运放本身无关，只与反馈系数即外部样放大倍数与运放本身无关，只与反馈系数即外部元件有关。元件有关。4.1 信号运算电路信号运算电路30uui1= i221RuRuoi121RRuuAou1）放大倍数）放大倍数虚短虚短虚断虚断1.反相比例运算电路反相比例运算电路结构特点：结构特点：负反馈引到反相输入端，负反馈引到反相输入端，信号

2、从反相端输入。信号从反相端输入。电压并联负反馈电压并联负反馈uo_+ + R2R1RPuii1i2总电流总电流反馈电流反馈电流净输入电流净输入电流42）电路的输入电阻）电路的输入电阻ri=R1平衡电阻平衡电阻-使输入端对地的静使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。级的对称性。RP =R1 / R2uo_+ + R2R1RPuii1i2 为保证一定的输入为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，电阻，当放大倍数大时，需增大需增大R2，而大电阻的，而大电阻的精度差，因此，精度差，因此，在放大在放大倍数较大时，该电路结倍数较大时，该电路结构不再适用。构不再适用。

3、RP=R1/R25电位为电位为0，虚地，虚地 输出电阻小；共模电压为输出电阻小；共模电压为 0；“虚地虚地”是反相输入的特点。是反相输入的特点。_+ + R2R1RPuii1i23）反馈方式）反馈方式电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻很小，输出电阻很小，输入电阻也不大。输入电阻也不大。6反相比例电路的特点反相比例电路的特点1） 共模输入电压为共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。，因此对运放的共模抑制比要求低。2） 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。接近恒压源。因此带负载能力强。接近恒压源。3） 由于并联负反馈

4、的作用，输入电阻小，因此从信号由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此从信号源取的电流较大。对信号源要求较高。源取的电流较大。对信号源要求较高。5） 在放大倍数较大时，该电路结构不再适用在放大倍数较大时，该电路结构不再适用 。4）输入和输出反相。）输入和输出反相。72.同相比例运算电路同相比例运算电路_+ + R2R1RPuiuou-= u+= ui12RuRuuiioiouRRu)1 (12反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈，输入电阻高。电压串联负反馈，输入电阻高。1211RRuuAou虚短虚短虚断虚断结构特点：结构特点：负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。入端，信号从同相

5、端输入。udiuf8同相比例电路的特点同相比例电路的特点3）共模输入电压为）共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。，因此对运放的共模抑制比要求高。1）由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是）由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。因此带负载能力强。2）由于串联负反馈的作用，输入电阻大。）由于串联负反馈的作用，输入电阻大。4）输入与输出同相，放大倍数大于等于）输入与输出同相，放大倍数大于等于 1。9_+ + uiuoiouuuu此电路是此电路是电压串联负反馈电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相

6、同，但是电压跟在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。随性能好。3. 电压跟随器电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全部引输出电压全部引到反相输入端，信号从同相到反相输入端，信号从同相端输入。端输入。电压跟随器是同相电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。比例运算放大器的特例。104.1.2 加法和减法运算电路加法和减法运算电路作用：作用：将若干个输入信号将若干个输入信号之和之和或或之差之差按比例放大。按比例放大。类型：类型：同相加法与反相加法。同相加法与反相加法。电路结构：电路结构：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出

7、电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电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。压和反馈系数有关。111.1.反相加法运算反相加法运算R12_+ R2R11ui2uoRPui1 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应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。不同的需要。FPR/R/RR1211120uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_+ R2R11ui2uoRPui1可用叠加原理可用叠加原理虚地虚地132. 同相加法运算同相加法运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入

8、端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。22211R/RR/RF_R1RF+ui1uoR21R22ui214先求先求 u+ 与输出关系与输出关系 ，则有：，则有：uRRuFo)1 (1-R1RF+ui1uoR21R22ui2u+ 与与 ui1 和和 ui2 的关系如何的关系如何？)(1 (212111111211121iiFouRRRuRRRRRu流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚断）（虚断）22221211222122iiuRRRuRRRu叠加原理叠加原理15-R1RF+ui1uoR21R22ui2R 左图也是同相求和运算电路，左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端

9、的电位？如何求同相输入端的电位？提示：提示：1. 虚断：流入同相端的电流为虚断：流入同相端的电流为0。2. 节点电位法求节点电位法求u+。u+16_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1 uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：解出：3. 减法运算电路：双端输入差动放大器减法运算电路：双端输入差动放大器17_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1差动放大器放大了两个信号的差，实现了差动放大器放大了两个信号的差，实现了减法运算减法运算。该电路的特点：该电路的特点： 由于采用双端差动输入，由于采用双端差动输入，故具有高共模抑制比；故具有高共模抑制比； 但是

10、由于有并联负反馈存但是由于有并联负反馈存在，故它的输入电阻不高。在，故它的输入电阻不高。18减法运算减法运算用叠加原理求解用叠加原理求解反相比例运算反相比例运算_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1211oiRuuR 19同相比例运算同相比例运算22021121iRRu()uRRR_+ + R2R1R1ui2uoR2ui12o1(1)RuuR20ooouuu)u(uRRuRRR)RR(uRRuiiii1212221212112012o11iRuuR _+ + R2R1R1ui2uoR2ui1减法运算减法运算用叠加原理求解用叠加原理求解22021121iRRu()uRRR21)(1212ii

11、ouuRRu)u(uuii120取取R2=R1减法电路既可以得到两个信号的差，又放大两个信号的差。减法电路既可以得到两个信号的差，又放大两个信号的差。(5)(5)减法运算减法运算22例例 ： 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，现有信号，现有信号变化范围为变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路电平抬高电路A/D计算机计算机uiuouo = 0.5ui+2.5 （ V）实现此功能实现此功能的方法很多的方法很多23uo =0.5ui +2.5 V

12、=0.5 (ui +5) V_+ + 10k 20k +5V5k ui20k uo1uo_+ + 20k 20k 10k ) 5( 5 . 0) 5(20101iiouuu) 5( 5 . 020201ioouuu24i1iFRuii1dtduCioFdtuRCuio1ui-+RR2Cuo1. 反相积分运算反相积分运算由于是反相积分故为负由于是反相积分故为负4.1.3 积分和微分运算电路积分和微分运算电路25tui0tuo0toUdtRCu01U-UomMomUTRCU1URCUTomMTM积分时限积分时限 如果积分器从某一时刻输入一直流电压，如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分

13、，经过一定的时间后输出饱和。输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。恒流充电，故积分效果好。恒流充电，故积分效果好。几乎线性，不是指数充电。几乎线性，不是指数充电。26tui0tuo0输入方波，输出是三角波输入方波，输出是三角波 也可以构作同相微分和同也可以构作同相微分和同相积分电路，则输出为正，输相积分电路，则输出为正，输入与输出同相。入与输出同相。波型变换波型变换27其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。积分电路的主要用途积分电路的主要用途1.

14、 在电子开关中用于延迟。在电子开关中用于延迟。2. 波形变换。例：将方波变为三角波。波形变换。例：将方波变为三角波。3. A/D转换中，将电压量变为时间量。转换中，将电压量变为时间量。4. 移相等。移相等。28u uo oC CF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + R RF Fi if fi i1 1电路的输出电压电路的输出电压 )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR)(fFoCuiRu 上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例- -积分积分 PI 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以保证自控系统

15、的稳定性以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调整比例系数和积分时间常数，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。Foii11F1(d )Ruuu tRRC 29u= u+= 0RuioFdtduCii1Fii 1dtduRCuiouit0t0uou i+uoRR2i1iFCtuisin若输入：若输入：则：则：)90sin(costRCtRCuo2. 反相微分运算反相微分运算300tuo0tuiu i+uoRR2i1iFC反相微分运算反相微分运算dtduRCuio31上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压

16、是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中，控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。使系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu uoC1uiR2RF+ R1ifiRiC324.2.1 4.2.1 电压表电路电压表电路4.2 信号测量电路信号测量电路 1. 直流电压表电路直流电压表电路IG正比于正比于UXFXFFGRURUI虚短虚短虚断虚断_+ + RFRGF输入电阻大，输入电阻大，相当于电压表相当于电压表的内阻是的内阻是 。若：若：RF

17、=10 ，表头的满偏电流表头的满偏电流IGmax=100 A，则：满偏电压则：满偏电压 Uxmax= IGmaxRF=1mV33电路的优点：电路的优点：(1) 量程由表头的满偏电流量程由表头的满偏电流 IG 和电阻和电阻 RF 决定。决定。 RF选用小电阻，能测量较小的电压；选用小电阻，能测量较小的电压；(2) 输入电阻高，对被测电路影响小；输入电阻高，对被测电路影响小；(3) 测量值与表头内阻测量值与表头内阻RG无关，表头的互换性好；无关，表头的互换性好；(4) RF小，可以做得较精密。因此能较准确地测小，可以做得较精密。因此能较准确地测量小电压。量小电压。UX= UF=RF IG34电压表

18、扩大量程电压表扩大量程_+ + RFRGFIG1mV表头表头分压电阻的计算分压电阻的计算取取R1=100kmV1mV10211RRRmV1mV1003211RRRRR2=900k, R3=1MR1R2R31mV10mV100mV352.交流电压表电路交流电压表电路_+ + D2AavID1D4D3uxuoRF整流桥把交流变成直流整流桥把交流变成直流;ux0时，时， 电流由输出端经电流由输出端经D2、表头、表头、 D4和电阻和电阻RF入地，入地， uo0;ux0时，时， 电流经由电阻电流经由电阻RF 、 D1 、表头和、表头和D3流入输出端，流入输出端， uo 0时，时，| T(j )| 衰减很

19、快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的信的信号顺利通过，衰减很小，而使高号顺利通过，衰减很小，而使高于于 0的信号不易通过，衰减很大，的信号不易通过，衰减很大，称一称一 阶有源低通滤波器。阶有源低通滤波器。 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，时信号衰减得更快些，常将两节常将两节RC滤波环节串接起滤波环节串接起来，来，组成二阶有源低通滤波组成二阶有源低通滤波器。器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O48 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU

20、 URRU)(11Fo频频率率角角称称为为截截止止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有49 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号的信号被阻止，称为被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O50+uouiURuoui0+

21、Uo(sat)-Uo(sat)UR当当ui UR时时 , uo = -Uo(sat) 1. 任意电压比较器（单阈值比较器，任意电压比较器（单阈值比较器，UR不为零）不为零）a. 反相端输入信号反相端输入信号UR：参考电压：参考电压 ui ：被比较信号：被比较信号4.3.2 电压比较器电压比较器51uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)URUR：参考电压：参考电压 ui ：被比较信号：被比较信号 +uouiUR特点：运放处于开环状态。特点：运放处于开环状态。当当ui UR时时 , uo = +Uo(sat)当当ui 0则输出为正，反之为负。则输出为正，反之为负。ui0 时，时，D1导通导通D

22、2截止，截止，uo=0。当当ui 0 时，时，D2导通导通D1截止，截止， 反相比例。反相比例。1FoiRuuRtuituO00Um1FmRUR实际上当实际上当uo1 - uo UD (D2死区电压死区电压)时，时，D2仍截止仍截止。69则则D2只有在只有在 时导通。时导通。DiuoUuA当当uo1 - uo UD (D2死区电压死区电压)时，时，D2才导通才导通： 当当uo1 - uo UD (D2死死区电压区电压)时，时，D2仍截止仍截止，电路如上图，运放工作电路如上图，运放工作在开环状态。在开环状态。uo1=Auouiuo=0 (虚地虚地)DiuoUuA-+RFuo+R1R2uo1uiD

23、 D2 270模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 SuC+ui+uo+ 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模 - 数转换电路（数转换电路（A/D）之前。由）之前。由于于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器71 uG为高电平，为高电平， S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)， ui对存储电容对存储电容C充电，充

24、电， uo= uC = ui 。 uG为为 0， S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出输出 保持保持该阶段开始瞬间的值不变。该阶段开始瞬间的值不变。uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ uG724.4 节在第五章讲节在第五章讲73稳压管稳压管稳压电路稳压电路开关型开关型稳压电路稳压电路线性线性稳压电路稳压电路常用稳压电路常用稳压电路(小功率设备小功率设备)在小功率设备中常用的稳压电路有稳压管稳压电路、线在小功率设备中常用的稳压电路有稳压管稳压电路、线性稳压电路和开关型稳压电路等。其中稳压管稳压电路最简性

25、稳压电路和开关型稳压电路等。其中稳压管稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多，但因使用。开关型稳压电源效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。以下主要讨论学时有限，这里不做介绍。以下主要讨论线性稳压电路。线性稳压电路。74调整元件调整元件-T+_UI+UO比较放大比较放大基基 准准取取 样样URFUO+_C2RL调整元件调整元件T-与负载串联，通过全部负载电流。调整元与负载串联，通过全部负载电流。调整元件可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联。件可以是

26、单个功率管，复合管或用几个功率管并联。比较放大器比较放大器-可以是单管放大电路，差动放大电路，可以是单管放大电路，差动放大电路，集成运算放大器。集成运算放大器。基准电压基准电压-可由稳压管稳压电路组成。可由稳压管稳压电路组成。取样电路取样电路-取出输出电压取出输出电压UO的一部分和基准电压相比的一部分和基准电压相比较。因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电较。因调整管与负载接成射极输出器形式，为深度串联电压负反馈，故称之为压负反馈，故称之为串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路。751. 串联式直流稳压电路的基本形式串联式直流稳压电路的基本形式 由于采用了射极由于采用了射极输出器，所以带

27、负载输出器，所以带负载的能力增强。的能力增强。Uo=UZ -UBETUORL+UZUIiRiZiL两个主要缺点：两个主要缺点：(1) 稳压效果不好，稳压效果不好，输出电压受稳压管影响。输出电压受稳压管影响。(2) 输出电压不可调。输出电压不可调。 改进的方法：改进的方法： 在稳压电路中引入带电在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。压负反馈的放大环节。762. 改进的串联型稳压电源改进的串联型稳压电源UoVB2UBE2( = VB2-UZ）VC2Uo当当 UI 增加或输出负载变化使增加或输出负载变化使 Uo升高时升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIVB2C2利用

28、电压负反馈稳定输出电压利用电压负反馈稳定输出电压a. 稳压原理稳压原理77b.输出电压可调输出电压可调 22221BEZWWOUURRRRRU R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2 2221minBEZWWOUURRRRRU 2221maxBEZWOUURRRRU （滑动头调至（滑动头调至最下端最下端）（滑动头调至（滑动头调至最上端最上端）分立元件温度分立元件温度稳定性差稳定性差78a .稳压原理稳压原理UIUOUCEU0当当UI增加或输出电流减小使增加或输出电流减小使U0升高时升高时UFUIUCER1R2UFUZ+-RLUO +-R3RPRP1RP2R1R2+-UB+-UBIC3. 采用集成运放的串联型稳压电路采用集成运放的串联型稳