CH4-集成运算放大器及其应用

1、电工电子技术电工电子技术第一篇第一篇电工电子技术电工电子技术首首 页页差分差分输入级输入级中间放大级中间放大级输出级输出级uiu0 集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：运放的输入级。利运放的输入级。利用差分电路的对称用差分电路的对称特性可提高整个电特性可提高整个电路的共模抑制比和路的共模抑制比和电路性能。电路性能。中间级的主要作中间级的主要作用是提高电压增用是提高电压增益。一般由多级益。一般由多级放大电路组成。放大电路组成。输出级常用电压跟输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低随器组成，以降低输出电阻，提高带输出电阻，提

2、高带负载能力。负载能力。 集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流。4.1.1 集成运算放大器组成电工电子技术电工电子技术首首 页页A741集成运放的8个管脚排列图如下：12438765调零端调零端 反相输入端反相输入端 同相输入端同相输入端 负电源端负电源端 调零端调零端 输出端输出端 正电源端正电源端 空脚空脚 4.1.2 A741集成运放电工电子技术电工电子技术首首 页页反相输入端A741集成运放图形符号U0U+U-A741集成运放外部接线图同相输入端12V12V输出端子调零电位器调零电位器 管脚管脚1和和5分别与调零电位分别与调零电位器的两个

3、固定端相连器的两个固定端相连 调零电位器的可调调零电位器的可调端与管脚端与管脚4相连相连6513724电工电子技术电工电子技术首首 页页(1)开环电压放大倍数Au0 其数值很高，一般约为104107。该值反映了输出电压U0与输入电压U和U之间的关系。(2)差模输入电阻ri运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。(3)闭环输出电阻r0 由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。(4)最大共模输入电压Uicmax4.1.3.

4、集成运放的主要技术指标电工电子技术电工电子技术首首 页页 为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：开环电压放大倍数Au0=差模输入电阻ri=输出电阻r0=0共模抑制比KCMR=4.1.4. 理想集成运放及其传输特性电工电子技术电工电子技术首首 页页集成运放的电压传输特性理想特性理想特性ui(mV)0u0(V)实际特性实际特性集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系 可以看出，当集成运放工作在线性区(+U0M U0M)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态，使输出电

5、压保持稳定。)(Au00UUU电工电子技术电工电子技术首首 页页集成运放工作在线性区的特点由)(Au00UUU因Au0=，所以可导出0Au00UUU运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明 ，UU即理想运放的两个输入端电位相等。 两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。 又由于理想运放的差模输入电阻ri=，所以 i+=i-=0这种现象称为“虚断”。 “虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结论。电工电子技术电工电子技术第一篇第一篇uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)饱和区饱和区O电工电子技术电工电子技术首首 页页 集成运放的应用

6、分为线性应用和非线性应用两大类。1. 集成运放的线性应用负号说明输负号说明输入输出反相入输出反相由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”F011 RuiRuifi，由图可知fii 1所以F01RuRuiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u= u+=0整理后可得i1F0uRRu输出与输入输出与输入的比例值的比例值4.2 集成运放的应用(1)反相比例运算电路电工电子技术电工电子技术首首 页页反相比例运算电路中，R2是平衡电阻，其值应选择符合F12/ RRR (2)同相比例运算电路由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=uiFi011 RuuiRuifi，由图可知fi

7、i 1所以F01RuuRuiiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u= u+=ui整理后可得i1F0)1 (uRRu输出与输入输出与输入的比例值的比例值 显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。为提高电路的对称性，与反相比例运算电路相同，R2=R1/RF电工电子技术电工电子技术首首 页页同反相输入比例运算电路一样，为了提高差动电路的对称性，平衡电阻F1p/ RRR 。闭环电压放大倍数为：1Fo1RRuuAiuf可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于 1。当0fR或1R时 ，iuuo， 即1ufA，这时输出电压跟随输入电压作相同的变化，称为电压跟随器。u

8、i +uo电工电子技术电工电子技术首首 页页uo + )f12=(f11ui1ui2 若若 R11 = R12 = R1，则：则：uo=f1(ui1 + ui2) 若若 R11 = R12 = Rf ，则：则： uo=(ui1 + ui2) 平衡电阻平衡电阻: : R2 = R11 / R12 / Rf返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页uo+R12RfR2R11ui1ui2加法运算电路加法运算电路 (3)加法运算电路加法运算电路电工电子技术电工电子技术第一篇第一篇? u)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1

9、+ R1+动画动画电工电子技术电工电子技术首首 页页(4) 减法运算电路减法运算电路R3uo+R1RfR2ui1ui2返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页减法运算电路减法运算电路 RfR1 ) u0= (1 +R3R2+R3ui2 ui1f1平衡电阻平衡电阻: : R2 / R3= R1 / Rf电工电子技术电工电子技术首首 页页 例例1 两级运算电路如图两级运算电路如图 所示。所示。(1)试推导试推导 uo 与与 ui1、ui2、ui3 的运算关系；的运算关系；(2) 若若: R1= R2= Rf1= 30 k，R3 = R4 = R5 = R6 =Rf2 = 10 k

10、， ui1= 0.1 V，ui2= 0.2 V，ui3=0.3 V，求，求 uo 的值。的值。uo +R2Rf1R3R1ui1ui2R6+R4Rf2R5ui3 + uo 解解 (1)uo =(f11ui1 +f12ui2 )第一级运算为加法运算：第一级运算为加法运算：返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页 例例1 的电路的电路 电工电子技术电工电子技术首首 页页uo=Rf2R4 ) (1+R6R5+R6ui3= uo f24Rf2R4 ) (1+R6R5+R6ui3f11ui1 +f12ui2 )+f24(2)uo= ui3 + ui2 + ui1=(0.3 + 0.2 +

11、 0.1) V = 0.6 V+R2Rf1R3R1ui1ui2R6+R4Rf2R5ui3 + uo uo 返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页 例例1的电路的电路 电工电子技术电工电子技术首首 页页Rp2RP1 +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)(iiiiuRRuRRuRRuRRuuu电工电子技术电工电子技术首首 页页电工电子技术电工电子技术首首 页页电工电子技术电工电子技术首首 页页(5) 微分运算电路微分运算电路+ uCu= u+ = 0 (虚短虚短)uC = uiif

12、 = i1i1 = CduCdtif =uoRfuo =Rf Cduidt平衡电阻平衡电阻: : R2 = Rf0uit0uot(b) 波形波形返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页图图 10.5.8 微分运算电路及其微分运算电路及其阶跃响应波形阶跃响应波形 (a) 电路电路Ui= Cduidt微分时间常数微分时间常数uo+CuiRfuu+R2i1if电工电子技术电工电子技术首首 页页 例例4 已知输入已知输入 ui 的波形如图所示，试画出输出的波形如图所示，试画出输出 uo 的的波形。设波形。设 5 Rf Ctp 。解解 uo =Rf Cduidttui0+Uitptuo

13、0t1 t2uo+CuiRfR2返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页电工电子技术电工电子技术首首 页页(6) 积分运算积分运算uo+CuiR1uu+R2i1if+ uCu = u+ = 0uC = uuo =uoif = i1 i1 =uiR1if = CduCdt =Cduodtuo =ui dt1R1C积分时间常数积分时间常数平衡电阻平衡电阻: :0uit0uotUi t1R1CUOMR2 = R1返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页(b) 波形波形图图 10.5.8 积分运算电路及其积分运算电路及其阶跃响应波形阶跃响应波形 (a) 电路电路Ui

14、电工电子技术电工电子技术首首 页页例例5 输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCu电工电子技术电工电子技术首首 页页i1uiR1URR2u0单门限电压比较器 单门限电压比较器只有一个门限电平，当输入电压达到此门限值时，输出状态立即发生跳变。 电压比较器广泛应用于模/数接口、电平检测及波形变换等领域中。uiu00U0MU0M 门限电平值门限电平值4.2.3 集成运放的非线性应用电工电子技术电工电子技术第一篇第一篇电压传输特性电压传输特性阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 uiuoOU

15、RURuouiR2+ R1+可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压动画动画电工电子技术电工电子技术首首 页页电压比较器应用实例 利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。UR=0uiu0 由于门限电压等于由于门限电压等于0，因此，因此为过零电压比较器。为过零电压比较器。ui0tu00tUCMUCM 输入电压只要到达门限电输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生压值，输出电压即可发生跳变。跳变。电工电子技术电工电子技术首首 页页滞回比较器 滞回比较器又称施密特触发器，传输过程中：当输入电压ui从小逐渐增大，或者ui从大逐渐减小时，两种情况

16、下的门限电平是不相同的，由此电压传输特性呈现“滞回”曲线的形状。电路及曲线图如下所示：uiR1R4u0R3R2DZUOMU0MUB1UB2当当ui等于或大于等于或大于UB1时时u0ui0门限电平值门限电平值当当ui小等于或小于小等于或小于UB2时时 滞回比较器可构成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生器电路，也可以实现波形变换。电工电子技术电工电子技术首首 页页滞回比较器的特点1、具有双门限UB1和UB2； 2、电路具有正反馈环节；3、电路的抗干扰能力强。滞回比较器应用实例ui (V)t010- -10tu0 (V)07- -7当门限电压为当门限电压为0.7V时时输入波形输入波形输出波形输出波形实现了波形的整形与变换电工电子技术电工电子技术首首 页页 4.2.4.集成运放的保护集成运放的保护 ）输入端保护）输入端保护 当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放,为此,可在输入端加入两个反向并联的二极管,如图6.29所示,将输入电压限制在二极管的正向压降以内。 ）输出端保护）输出