第5章集成运放电路及其应用

1、新世纪高职高专教材编审委员会组编主编王成安孟晓明（基础篇）（第三版）第第5 5章章 集成运放电路及其应用集成运放电路及其应用5.15.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.25.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用第第5 5章章 集成运放电路及其应用集成运放电路及其应用集成运放是模拟电子技术中应用最广泛的集成电路之一。它的应用可从两个方面讨论，一是线性运用，二是非线性运用。在线性运用方面，有比例运算电路、加法和减法运算电路、微分和积分运算电路，还有已经超出运算范畴的有源滤波电路和精密整流电路；在非线性运算方面，重点分析了电压比较器，它是模拟电路和数

2、字电路的接口，广泛应用于自动控制和测量系统中，用来实现越限报警、模/数转换以及诸如矩形波、锯齿波等各种非正弦信号的产生及变换等。章首导言5.1基本运算放大电路基本运算放大电路运算放大器最早应用于模拟信号的运算，至今，信号的运算仍是集成运放的一个重要而基本的应用领域。在各种运算电路中，要求电路的输出和输入的模拟信号之间实现一定的数学运算关系，因此，运算电路中的集成运放必须工作在线性区。理想运放工作在线性区时的两个特点，即“虚短”和“虚断”是分析运算电路的基本出发点。5.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.15.1.1比例运算比例运算1.反相比例运算电路反相比例运算电路又叫作反相放大器，其电

3、路如图所示。因为集成运放的“虚断”，有：i+=i=0，又因为集成运放的“虚短”，有：u+=u=0反相比例运算电路5.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.15.1.1比例运算比例运算2.同相比例运算电路同相比例运算电路又叫作同相放大器，电路如图所示。在电路中电阻R1与RF引入深度串联电压负反馈，保证集成运放工作在线性区。R2是平衡电阻，应保证R2=R1/Rf。“虚短”和“虚断”的特点，得到：i+=i=0 ,而且： u=u+=u1 ,反相比例运算电路oFuRRRu11111uuRRRoF5.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.25.1.2加法与减法运算加法与减法运算1.加法运算在集成运

4、放的反相输入端增加若干个输入电路，则构成反相加法运算电路，如图所示。“虚短”和“虚断”的特点，可列出：由基尔霍夫节点电流定律，可得出： if=i11+i12+i1311111Ruii12212Ruii13313Ruii反相加法运算电路5.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.25.1.2加法与减法运算加法与减法运算2. 减法运算在运放的同相输入端和反向输入端同时加入两个信号，再使运放工作于线性区，就可以实现两个信号的比例减法运算，如图所示。电路的分析要用到叠加定理，表达式也比较复杂，得到：12iiouuu单运放减法电路5.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.25.1.2加法与减法运算

5、加法与减法运算2. 减法运算在实际中常常采用反向比例求和的方法来实现两个甚至是多个量的减法运算，其电路如图所示。在电路中采用两级反向比例运算电路，其表达式为：采用两级运放的减法电路21iiouuu5.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.35.1.3积分和微分运算积分和微分运算1.积分运算在反相比例运算电路中，用电容CF代替RF作为反馈元件，引入并联电压负反馈，就成为积分运算电路，如图所示。 “虚短”和“虚断”的特点，可列出：u-0再由电容量的定义，可导出：积分运算电路iiFRuii1dtuCRdtiCuuiFfFco1115.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.35.1.3积分和微

6、分运算积分和微分运算当ui为阶跃电压，如图所示时，则输出电压为：其波形如图所示，输出电压最后达到负饱和值- Uopp后不再变化。tCRUuFio1积分运算电路的阶跃响应5.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.35.1.3积分和微分运算积分和微分运算2. 微分电路微分是积分的逆运算，电路的输出电压与输入电压呈微分关系。其电路如图所示。微分运算电路5.1基本运算放大电路基本运算放大电路5.1.35.1.3积分和微分运算积分和微分运算由集成运放工作于线性区的“虚短”和“虚断”的特点，并考虑到集成运放的“”端是“虚地”，所以有：dtduRCuio可见输出电压uo与输入电压u1对时间的微分成正比关

7、系。基本微分电路由于对输入信号中的快速变化分量敏感，所以它对输入信号中的高频干扰不能有效的抑制，使电路的性能下降。5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.15.2.1测量放大器测量放大器实用的测量放大器（也称数据放大器或仪表放大器）的原理电路如图所示。当加上差模输入信号u1时，若运放A1和A2的参数对称，且R2=R3，则电阻R1的中点将为地电位，此时A1、A2的工作情况将如图所示。测量放大器电路原理图A1、A2的工作情况分析5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.15.2.1测量放大器测

8、量放大器因为： 则 同理 因此 则第一级放大器的电压放大倍数为：121211212/1RRRRuuIo1121)21 (IouRRu2122132)21 ()21 (IIouRRuRRuIIIoouRRuuRRuu)21 ()(21 (12211221122121RRuuuIoo5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.15.2.1测量放大器测量放大器AJ3为差分输入比例放大电路，在设计中，通常取R4=R5，R6=R7，则可得到表达式：46021RRuuuoo因此，该测量放大器总的电压放大倍数为：)21 (12462121RRRRuuuuuu

9、uuAIoooooIou测量放大器的输入电阻为idodiRARRRR)21 ( 22115.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器滤波器的作用是允许信号中的某一部分频率的信号通过，而将其他频率的信号加以衰减，使其不能通过。按其工作频率的不同，滤波器可分为：低通滤波器：允许低于某一频率的信号通过，将高于此频率的信号衰减。高通滤波器：允许高于某一频率的信号通过，将低于此频率的信号衰减。带通滤波器：允许在某一频带范围内的信号通过，将此频带以外的信号衰减。带阻滤波器：将某一频带范围内的信号衰减，允许此频带以外的信号通过。5.2

10、集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器1.无源滤波器利用电阻、电容等无源器件可以构成简单的滤波电路，称为无源滤波器。无源滤波器及其幅频特性5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器无源滤波电路主要存在如下问题：(1)电路的增益小，最大仅为1。(2)带负载能力差。如在无源滤波电路的输出端接上一个负载电阻RL，其截止频率和增 益均随RL的变化而变化。为了克服上述缺点，可将RC无源网络接至集成运放的输入端，组成有源滤波电路。5.2集成运放组成的运算电路

11、在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器2有源滤波电路(1)有源低通滤波电路有源低通滤波电路5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器2有源滤波电路(1)有源低通滤波电路有源低通滤波电路的幅频特性5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器为了使幅频特性更接近于理想特性，可以再增加一级RC 网络，组成如图所示的电路，这种电路也叫做二阶有源低通滤波电路。二阶有源低通滤波电路5.2集成运放组成的运算电

12、路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器有源高通滤波电路2有源滤波电路(2) 有源高通滤波电路5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器有源高通滤波器的幅频特性2有源滤波电路(2) 有源高通滤波电路5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器二阶有源高通滤波电路2有源滤波电路(2) 有源高通滤波电路5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25

13、.2.2滤波器滤波器带通滤波电路和带阻滤波电路的组成原理图2有源滤波电路(3) 有源带通滤波电路和有源带阻滤波电路5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.25.2.2滤波器滤波器有源带通滤波电路和有源带阻滤波电路的典型电路2有源滤波电路(3) 有源带通滤波电路和有源带阻滤波电路5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.35.2.3精密整流电路精密整流电路1.精密半波整流电路精密半波整流电路如图所示，可以将其看成是一个包括整流二极管在内的反向比例放大器。精密半波整流电路5.2集成运放组成的运

14、算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.35.2.3精密整流电路精密整流电路当输入信号ui大于零时，集成运放的输出小于零，二极管VD2导通，集成运放的输出电压被钳位在-0.7V左右。这时整流二极管VD1反偏截止，电路的输出电压uo等于零。当输入信号ui小于零时，集成运放的输出大于零，二极管VD1导通、VD2截止，VD1和R2构成放大器的反馈通路，组成了反向比例放大器。由“虚地”的概念，可得到输出电压为：iouRRu125.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.35.2.3精密整流电路精密整流电路2.精密全波整流

15、电路精密全波整流电路如图所示。此电路由集成运放A1构成的精密半波整流电路和集成运放A2构成的反向输入比例求和电路组成。精密全波整流电路5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.35.2.3精密整流电路精密整流电路在输入信号的正半周，AJ1的输出为-2ui，在 AJ2的输入端与ui求和（注意AJ2的比例系数为1 ），则AJ2的输出为：uo=- (-2 ui+ ui) = ui在输入信号的负半周，AJ1没有输出，AJ2只有一个信号输入为- ui，经过AJ2到相后，AJ2的输出为：uo= ui由此可见，电路实现了全波整流输出，在信号特别微弱时，这种

16、电路对提高仪器检测信号的灵敏度有很重要的意义。5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.45.2.4电压比较器电压比较器1. 基本电压比较器图是基本电压比较器的电路和其电压传输特性。基本电压比较器电路及其电压传输特性5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.45.2.4电压比较器电压比较器由集成运放的特点，可以分析出：当输入信号Ui小于比较信号UR时，有：Uo=+Uopp当输入信号Ui大于比较信号UR时，有：Uo=-UoppUopp是集成运放工作于非线性区时的输出电压最大值。5.2集成运放组

17、成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.45.2.4电压比较器电压比较器当比较电压UR=0时，即输入电压和零电平进行比较，此时的电路称为过零电压比较器，其电路和传输性如图所示。当输入信号ui为正弦波电压时，则输出信号uo为矩形波电压，如图所示，电路实现了波形变换的功能。过零电压比较器过零电压比较器将正弦5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.45.2.4电压比较器电压比较器输出电压限制在某一特定值，与接在输出端的数字电路的电平配合，电压比较器的输出端与反相输入端之间跨接一个双向稳压管DZ，作双向限幅用，

18、电路和电压传输特性如图所示。有限幅输出的过零电压比较器5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.45.2.4电压比较器电压比较器2迟滞电压比较器基本电压比较器电路简单，但除了用于纯粹的电压比较外，几乎没有实用价值。迟滞电压比较器电路迟滞电压比较器的电路如图所示。在电路中，引入了一个正反馈，使集成运放工作在非线性区，电路的输出只有两个值（高电平或低电平）。5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.45.2.4电压比较器电压比较器当输入电压Ui很低没有达到比较电平(又叫做门限电压)时，集成运放A输出为：随着输入电压的增加，当Ui达到门限电压UTH+时，即：此时电路的输出电压为： 随着输出电压的改变，门限电压也随之发生改变，门限电压变为：ZoUuZREFTHURRRURRRU212211ZoUu)(212211ZREFTHURRRURRRU5.2集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用集成运放组成的运算电路在实际工程中的应用5.2.45.2.4电压比较器电压比较器若干扰信号正好处在这两个门限电压之间，则因为电路