课题八 集成运算放大电路

1、课题八 集成运算放大电路学习情境1 了解集成运算放大器的基本组成、主要参数及分析方法 所谓集成电路，是相对分立电路而言的，就是把整个电路的各元器件以及相互之间的连接同时制作在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。 一、集成运算放大器的基本组成 集成运算放大器是一种集成化的半导体器件。它实质上是一个具有很高放大倍数的直接耦合的多级放大电路，可以简称为“集成运放组件”。 实际的集成运放组件有许多不同的型号，每一种型号的内部线路都不同，从使用的角度来看，我们感兴趣的只是它的参数和特性指标以及使用方法。集成运算放大器的类型很多，电路也各不相同，但从电路的角度来看，基本上都由输入级、中间级、输出级和

2、偏置电路四个部分组成，如图8-1所示。图8-1 集成运算放大器的基本放大电路 如图8-2所示为LM741集成运算放大器的外形和管脚。它有8个管脚，各管脚的用途如下： （1）输入端和输出端。 （2）电源端。 （3）调零端。 图8-2 LM741集成运算放大器的外形和管脚二、集成运算放大器的主要参数（一）最大输出电压UOPP（二）开环电压放大倍数Auo（三）输入失调电压UIO（四）输入失调电流IIO（五）开环差模输入电阻ri和输出电阻ro（六）共模抑制比KCMR（七）最大共模输入电压UiCM 三、集成运算放大器的基本分析方法 在分析集成运算放大器时，为了简化分析并突出主要性能，通常把集成运算放大器

3、看成是理想集成运算放大器。 理想集成运算放大器应当满足下列条件： 开环电压放大倍数 Auo 开环差模输入电阻 rid 开环差模输出电阻 ro 0 共模抑制比 KCMR 集成运算放大器可以工作在线性区域，也可以工作在非线性区域。理想集成运算放大器的符号如图8-3所示，集成运算放大器的开环电压放大倍数Auo很大，即使加到两个输入端的信号很小，甚至受到一些外界信号的干扰，都会使输出达到饱和，从而进入非线性状态。 在直流信号放大电路中使用的集成运算放大器是工作在线性区域的，把集成运算放大器作为一个线性放大元件应用，它的输出和输入之间应满足如下关系式： (8-1) 集成运算放大器的电压传输特性如图8-4

4、所示。 为了使集成运算放大器工作在线性区域，通常把外部电阻、电容、半导体器件等跨接在集成运算放大器的输出端，与反相输入端之间构成闭环工作状态，限制其电压放大倍数。图8-3 理想集成运算放大器的符号图8-4 集成运算放大器的电压传输特性 工作在线性区域的理想集成运算放大器有两个重要结论： （1）集成运算放大器同相输入端和反相输入端的电位相等(虚短)。 （2）集成运算放大器同相输入端和反相输入端输入电流等于零(虚断)。学习情境2 掌握基本运算电路的运算方法 运算电路是指电路的输出信号与输入信号之间存在某种数学运算关系。运算电路可实现模拟量的运算。一、比例运算电路 （一）反相比例运算电路 如图8-5

5、所示，输入信号ui经输入外接电阻R1送到反相输入端，而同相输入端通过电阻R2接地。反馈电阻RF跨接在输出端和反相输入端之间，形成电压并联负反馈。图8-5 反相比例运算电路 根据集成运算放大器工作在线性区域的两条分析依据，可知： （1）流入放大器的电流趋近于零，即 i+i-0 （2）反相输入端与同相输入端电位近似相等，即 u+u-0 得iiif+i-if所以即因此，闭环(引入反馈后的)电压放大倍数为 (8-4) 例8-1 在图8-5中，设R1=10 k，RF= 50 k，求Auf。如果ui=0.5 V，uo为多少？ 解： （二）同相比例运算电路 如图8-6所示，输入信号ui通过外接电阻R2输入送

6、到同相输入端，而反相输入端经电阻R1接地。反馈电阻RF跨接在输入端和反相输入端之间，形成电压串联负反馈。图8-6 同相比例运算电路 根据集成运算放大器工作在线性区域时的两条依据，可知： （1）反相输入端与同相输入端电压相等，即 u+u-ui （2）流入放大器的电流趋近于零，即 i+i-0则可得ii=if+i-if由图8-6可列出解得闭环电压放大倍数为 (8-5) 当R1=(断开)或RF=0时，则Auf=uo/ui=1，输出电压与输入电压始终相同，这时电路称为电压跟随器，如图8-7所示。电压跟随器放在输入级可减轻信号源的负担，放在两级电路的中间可起到隔离电路的作用。图8-7 电压跟随器 例8-2

7、 分析图8-8中输出电压与输入电压的关系，并说明电路的作用。图8-8 例8-2图 解：如图8-8所示电路中反相输入端未接电阻R1（即R1=），稳压管电压UZ作为输入信号ui加到同相输入端，该电路形式如同电压跟随器，则有 uo=ui=UZ 由于比较稳定、精确，此电路可作为基准电压源，且可以提供较大输出电流。 如图8-9所示为电子温度计原理。A1和A2分别为同相比例运算和反相比例运算电路。三极管VT为温度传感器，管子导通电压UBE随温度t线性变化，温度系数为负值，即t上升时UBE减小，这时信号源电压uS=UBE。设温度t的变化范围为-50 +50 。电容C可对交流干扰起旁路作用。图8-9 电子温度

8、计原理二、加减运算电路 （一）加法运算电路 加法运算电路的输出电压与若干个输入电压的代数和成比例。在实际应用中，常需要对一些信号进行组合处理，各个信号既要有公共的接地点，又要能够组合，实际中往往把电压信号转换成电流信号之后再进行加减。如果在反相比例运算电路的输入端增加若干输入电路，如图8-10所示，则构成反相加法运算电路。图8-10 反相加法运算电路由节点电流定律得整理得当R11=R13=R13=R1时，则上式为 (8-6)当R1=RF时，则有平衡电阻为 例8-3 一个测量系统的输出电压和一些待测量(经传感器变换为电压信号)的关系为uo=2ui1+0.5ui2+4ui3，试用集成运放构成信号处

9、理电路，若取RF=100 k，求各电阻值。 解：分析得知输入信号为加法关系，因此第一级采用加法电路，输入信号与输出信号要求同相位，所以再加一级反相器。电路构成如图8-11所示。图8-11 例8-3图推导第一级电路的各阻值：由RF=100 k得R11=50 k，R12=200 k，R13=25 k平衡电阻为Rb1=RFR11R12R13=1005020025=13 k第二级为反相电路，则有R21=RF=100 k平衡电阻为Rb2=RFR21=100100=50 k （二）减法运算电路 如果两个输入端都有信号输入，则为差分输入。差分运算在测量和控制系统中应用很多，其放大电路如图8-12所示。图8-

10、12 差分输入放大电路 根据叠加原理可知，uo为ui1和ui2分别单独在反相比例运算电路和同相比例运算电路上产生的响应之和，即 当R1=R2，R3=RF时，则有 (8-7)三、微分与积分运算电路 （一）微分运算电路 微分运算电路如图8-13(a)所示。依据u+u-0，可得 iR=uC 所以 即 (8-8) 可见uo与ui的微分成比例，因此称为微分运算电路。 在自动控制电路中，微分运算电路不仅可实现数学微分运算，还可以用于延时、定时以及波形变换，如图8-13(b)所示，当ui为矩形脉冲时，则uo为尖脉冲。图8-13 微分运算电路（a）电路；（b）波形 （二）积分运算电路 积分运算电路如图8-14

11、（a）所示。由电路可得 (8-9) 可见，uo与ui的积分成比例，因此称为积分运算电路。 若ui=-U，则由式(8-9)可得 (8-10) 此时uo与时间t成比例，其中uC(0)为电容C端电压的初始值，图8-14(b)所示为uC(0)=0时uo和ui的波形。图8-14 积分运算电路（a）电路；（b）波形 微分和积分运算电路应用很广，除了微积分运算外，还可用于延时、波形变换、波形发生、模数转换以及移相等。由于微分与积分互为逆运算，两者的应用也类似，下面仅举几个积分运算电路的应用例子： （1）延时作用。由图8-14（b）可知，如果积分运算电路输出端的负载所需驱动电压为uo=Uo，则在t=0时使ui

12、=-U，经过时间t0，输出电压uo即上升达到Uo值使负载动作。 （2）将方波变换为三角波。如果积分运算电路ui为方波，则根据式（8-9）可画出uo波形为三角波，ui和uo波形如图8-15（a）所示。 （3）移相作用。如果积分运算电路中ui为正弦波，则由式(8-9)可求得uo为余弦波，ui和uo波形如图8-15（b）所示。可见，uo超前ui 90，因此积分运算电路可对输入正弦信号实现移相。图8-15 积分运算电路的波形变换和移相作用（a）输入为方波；（b）输入为正弦波学习情境3 了解电压比较器的基本知识 电压比较器是一种用来比较输入信号ui和参考电压uR的电路。 一、过零电压比较器 参考电压为零

13、的比较器称为过零比较器(也称为“零电平比较器”)，它是最为简单的一种比较器，如图8-16所示。图8-16 过零比较器（a）电路；（b）传输特性 输入信号ui经电阻R1接至反相输入端，而同相输入端接地，有u+=0。根据前面的介绍，运放工作于非线性区时，当u+u-时，uo=+UOM；当u-u+时，uo=-UOM。显然，当ui0时 uo=-UOM （8-12） 也就是说，每当输入信号越过零时，输出电压就要发生翻转，由一个状态跃变到另一个状态（由+UOM到-UOM，或者由-UOM到+UOM）。因此，过零比较器能够实现对输入信号的过零检测。利用这一点，可以实现波形的转换。例如，输入信号是正弦波，输出信号就变成了矩形波，如图8-17所示。图8-17 过零比较器的波形二、单限电压比较器 将图8-16（a）中的同相输入端外接一参考电压UR，就构成了单限比较器，如图8-18（a）所示。这种比较器的输出电压uo其实是输入电压ui与参考电压UR比较的结果。根据前面的分析，当uiUR时 uo=-UOM （8-14）这种比较器的输出特性如图8-18（b）所示。图8-18 单限比较器（a）电路；（b