CH4-集成运算放大器及其应用

第四章集成运算放大器差分输入级中间放大级输出级ui+_u0

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。利用差分电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

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μA741集成运放的8个管脚排列图如下：μA74112438765调零端反相输入端同相输入端负电源端调零端输出端正电源端空脚4.1.2μA741集成运放反相输入端μA741集成运放图形符号∞＋＋－U0U+U-μA741集成运放外部接线图同相输入端－12V＋12V输出端子调零电位器管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连调零电位器的可调端与管脚4相连∞＋－6513724＋(1)开环电压放大倍数Au0

其数值很高，一般约为104~107。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.集成运放的主要技术指标

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：①开环电压放大倍数Au0=∞②差模输入电阻ri=∞③输出电阻r0=0④共模抑制比KCMR=∞4.1.4.理想集成运放及其传输特性集成运放的电压传输特性理想特性＋U0Mui(mV)0u0(V)线性区实际特性－U0M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饱和区

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，使输出电压保持稳定。集成运放工作在线性区的特点由因Au0=∞，所以可导出运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明，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。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

当u+>u－

时，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O

集成运放的应用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入输出反相由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”由图可知所以u+u－i1if∞＋＋－uiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u－=u+=0整理后可得输出与输入的比例值4.2集成运放的应用(1)反相比例运算电路反相比例运算电路中，R2是平衡电阻，其值应选择符合(2)同相比例运算电路由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=ui由图可知所以u+u－i1if∞＋＋－uiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u－=u+=ui整理后可得输出与输入的比例值

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电压跟随器uo

+)ＲfＲ12=－(ＲfＲ11ui1ui2▲若R11=R12=R1，则：uo=－ＲfＲ1(ui1+ui2)▲若R11=R12=Rf

，则：uo=－(ui1+ui2)▲平衡电阻:

R2=R11//

R12//Rf返回上一节下一节上一页下一页uo∞－++△R12RfR2R11ui1ui2加法运算电路(3)加法运算电路

同相加法运算电路ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–动画(4)减法运算电路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2返回上一节下一节上一页下一页减法运算电路RfR1)u0=(1+R3R2+R3ui2－ui1ＲfＲ1▲平衡电阻:

R2//

R3=R1//Rf

［例1］两级运算电路如图所示。试推导uo

与ui1、ui2、ui3的运算关系；(2)若:R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=

R6=Rf2=10kΩ，

ui1=0.1V，ui2=0.2V，ui3=0.3V，求uo

的值。uo´∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3+

uo

－［解］(1)uo´=－(Ｒf1Ｒ1ui1+Ｒf1Ｒ2ui2)第一级运算为加法运算：返回上一节下一节上一页下一页

例1的电路uo=Rf2R4)(1+R6R5+R6ui3=－uo´Ｒf2Ｒ4Rf2R4)(1+R6R5+R6ui3Ｒf1Ｒ1ui1+Ｒf1Ｒ2ui2)+Ｒf2Ｒ4((2)uo=ui3+ui2+ui1=(0.3+0.2+0.1)V=0.6V∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3+

uo

－uo´返回上一节下一节上一页下一页

例1的电路例2：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。解：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。例3：求图示电路中uo与ui的关系。(5)微分运算电路+uC－u－=u+=0(虚短)uC

=uiif=i1i1=CduCdtif=－uoRfuo

=－Rf

Cduidt▲平衡电阻:

R2=Rf0uit0uot(b)波形返回上一节下一节上一页下一页图10.5.8微分运算电路及其阶跃响应波形(a)电路Ui=Cduidt微分时间常数uo∞－++△CuiRfu－u+R2i1if

［例4］已知输入ui

的波形如图所示，试画出输出uo

的波形。设5Rf

C＜tp

。［解］uo

=－Rf

Cduidttui0+Uitptuo0t1t2uo∞－++△CuiRfR2返回上一节下一节上一页下一页(6)积分运算uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－u－

=u+=0uC

=u－－uo

=－uoif=i1

i1=uiR1if=CduCdt

=－Cduodtuo

=－∫ui

dt1R1C积分时间常数▲平衡电阻:0uit0uot－Ui

t1R1C－UOMR2=R1返回上一节下一节上一页下一页(b)波形图10.5.8积分运算电路及其阶跃响应波形(a)电路Ui例5输入方波，输出是三角波。tui0tuo0i1∞＋＋－uiR1URR2u0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。uiu00＋U0M－U0MUR

门限电平值4.2.3集成运放的非线性应用电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo

=–

Uo

(sat)可见，在ui

=UR处输出电压uo

发生跃变。参考电压动画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=0∞＋＋－uiu0

由于门限电压等于0，因此为过零电压比较器。ui0tu00t＋UCM－UCM

输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生跳变。过零电压比较器滞回比较器

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：UB∞＋＋－uiR1R4u0R3R2DZ－UOM+U0MUB1UB2当ui等于或大于UB1时abcdefu0ui0

门限电平值当ui小等于或小于UB2时

滞回比较器可