集成运算放大器

集成运算放大器1集成运算放大器的简单介绍2运算放大器在信号运算方面的应用4

运算放大器在波形产生方面的应用5使用运算放大器应注意的几个问题3

运算放大器在信号处理方面的应用1集成运算放大器的简单介绍运算放大器是电压放大器，最常见的电子器件之一。最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加法，减法等运算，因此被称为“运算放大器”。运算放大器是一个电路单元(circuitunit)。可以使用分立的器件，也可以集成在单片的半导体芯片上。741集成运算放大器是微电子工业发展历史上的一个里程碑。DIP-8型式封装741集成运算放大器1.2电路的简单说明运算放大器方框图输入级：要求输入电阻高，差分放大电路

。中间级：要求电压放大倍数高。共发射极放大电路。

偏置电路:一般由各种恒流源等电路组成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端信号传输方向输出端实际运算放大器开环电压放大倍数(a)(b)(a)符号;(b)引脚741集成运放管脚说明1.3主要参数1.最大输出电压UOM能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。2.开环电压放大倍数Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

6.最大共模输入电压UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB(1)开环电压放大倍数

(2)差模输入电阻(3)开环输出电阻(4)共模抑制比由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。1.4理想运算放大器及其分析依据在分析运算放大器时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：

u+–u–

uO1.4理想运算放大器及其分析依据线性区：uO

=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uO

=+UO(sat)

u+<u–

时，uO

=–UO(sat)

1.电压传输特性uO=f(uI)+UO(sat)–UO(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O理想运算放大器图形符号UO(sat)与运算放大器的电源电压有关,一般较电源电压低1~2V。2.理想运算放大器工作在线性区的特点因为uO

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模输入电压约等于0,即u+=u–

,称“虚短”(2)输入电流约等于0,

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。反向输入和输出建立联系。它的输出电压和输入电压的关系由电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。3.理想运算放大器工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能,+UO(sat)或–UO(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+>u–

时，uO

=+UO(sat)

u+<u–

时，uO

=–UO(sat)不存在“虚短”现象

2运算放大器在信号运算方面的应用集成运算放大器与外部电阻、电容等构成闭环电路后，能对各种模拟电压信号进行比例、加法、减法、微分、积分等运算。2.1比例运算1.反相比例运算(1)电路组成(2)电压放大倍数因虚短,

所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点。因虚断i+=i–=0iFi1i–i+所以i1iF

因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻

R2=R1//RF结论：(1)Auf为负值，即uO与uI

极性相反。因为uI加在反相输入端。(2)Auf

只与外部电阻R1、RF

有关,与运算放大器本身参数无关。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。例1:电路如下图所示,已知R1=10k,RF=50k。求:(1)Auf、R2；(2)若R1不变,要求Auf为–10,则RF

、R2应为多少？解：(1)Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k(2)因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10k=100k

R2=10100(10+100)k

=9.1k2.同相比例运算(1)电路组成因虚短，所以

u–=uI

因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻

R2=R1//RF因虚断i+=i–=0

所以i1iF

(2)电压放大倍数结论：(1)Auf为正值，即uO与uI

极性相同。因为uI加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运算放大器本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。当R1=且RF

=0时,uO=uI,Auf=1,称电压跟随器。解:由图可求得uO=7.5V,且输出电压uO只与电源电压和分压有关，其精度和稳定度较高，可作为基准电压。例：电路如图，求uO。由运算放大器构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。2.2加法运算

1.反相加法运算电路iI2iI1iF因虚短,u–=u+=0因虚断，i–=0

所以

iI1+iI2=iF

当R11=R12=R1，则上式为当R1=RF时，则平衡电阻：

R2=R11

//R12

//RF2.同相加法运算电路根据叠加原理

uI1单独作用(uI2＝0)时，同理，uI2单独作用时2.3减法运算由虚断可得：由虚短可得分析方法：

如果取

R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF输出与两个输入信号的差值成正比，可以进行减法运算。解：例1：分析同相串联的减法运算电路的输出。例2：已知ui1＝0.5V，ui2＝2V，ui3＝1V,运算放大器构成何电路，求uO、R3。解:第一级为反向加法电路,第二级为减法电路。2.4积分运算由虚短及虚断性质可得i1=iFiF=?uC+–

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有iFi1uitO积分饱和线性积分时间–UO(sat)uOtO+UO(sat)uI=UI>0

uI=–UI<0

输出电压随时间线性变化UI–UI线性积分时间线性积分时间≤≤若输入信号电压为恒定直流量，即uI=UI

时，则比例−积分运算电路电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例−积分。这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。iFi1—PI调节器uOtO2.5微分运算iFi1由虚短及虚断性质可得i1=iFuItOUI–UI由于微分电路的输出电压与输入电压的变化率成比例，而电路中的干扰信号都是迅速变化的高频信号,因此微分器抗干扰能力差。比例−微分运算电路—PD调节器iFiRiC上式表明：输出电压是对输入电压的比例−微分。控制系统中，PD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。3运算放大器在信号处理方面的应用3.1有源滤波器

滤波器是在无线电通信、测量和控制系统中常用到的一种选频电路。如传感器输出的电量信号，一般都需要经过滤波和放大再送给后续电路。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。有源滤波器：含有有源器件(运算放大器)。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。优点：体积小、效率高、频率特性好。滤波器按工作频率范围,可分为低通、高通、带通等。滤波器的功能是使指定频段的信号通过，而抑制其他频段的信号。1.有源低通滤波器设输入为正弦波信号,则有故根据同相比例运算关系称为截止角频率2.有源高通滤波器设输入为正弦波信号，则有故称为截止角频率3.2采样保持电路

采样保持电路是多用于模数转换电路(A/D)之前。

对模拟量进行瞬间采样,并把采样值保存一段时间。用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。应用：3.2采样保持电路SuC+–uI+–uO+–++–模拟开关模拟输入信号1.电路采样存储电容控制信号电压跟随器2.工作原理3.2采样保持电路1.电路采样阶段：

uG为高电平，S闭合(场效应管导通)，

uI对存储电容C充电，uO=uC

=uI。保持阶段：

uG为0，

S断开(场效应管截止)，输出保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。3运算放大器在信号处理方面的应用理想运算放大器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。

饱和区(2)i+=i－0，仍存在“虚断”现象。电压传输特性线性区3.3电压比较器功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。

电压比较器是一种模拟输入、数字输出的模拟接口电路。用途：用于越限报警、波形发生和波形变换以及模数转换等场合。

运算放大器工作在开环状态或引入正反馈。3运算放大器在信号处理方面的应用1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：UR

运算放大器处于开环状态当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uI>UR，uO=+UO(sat)uI

<UR，uO=–UO(sat)输入信号接在反相端输入信号接在同相端思考过零电压比较器输出带限幅的电压比较器UZ–UZ限幅作用设稳压管的稳定电压为UZ，则uI

<

UR，uO

=UZ

uI>UR，uO

=–UZuI<UR时，u'O

=+UO

(sat)

uI

>UR

时，u'O

=–

UO

(sat)

uO例1:电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uO

的波形。解:(1)

运算放大器为同相输入过零电压比较器。输入和输出电压波形电压传输特性(2)经RC微分电路输出正负尖脉冲。(3)二极管D和RL构成限幅电路。利用二极管的单向导电性，削去负向尖脉冲，输出仅为正向尖脉冲。例1:电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uO

的波形。输入和输出电压波形解：2.滞回比较器上门限电压下门限电压当uO

=+UO(sat)，则当uO

=–UO(sat)，则RF门限电压受输出电压的控制

电路中引入正反馈：(1)提高了比较器的响应速度。(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。上门限电压U'+：uI逐渐增加时的门限电压。下门限电压U"+：uI

逐渐减小时的门限电压。两次跳变之间具有迟滞特性所以称滞回比较器回差电压：优点：(1)改善了输出波形在跃变时的陡度。(2)回差电压提高了电路的抗干扰能力,U越大,抗干扰能力越强。调节RF

或R2可以改变回差电压的大小。跳转解：(1)

求上、下门限电压例2：电路如图所示，若RF

=20k，R2=10k，

UO(sat)

=±6V，输入电压ui=3sin314tV，试画出对应的输出电压uO

波形。下门限电压上门限电压解：(2)输出电压uO

波形例2：电路如图所示，若RF

=20k，R2=10k，

UO(sat)

=±6V，输入电压ui=3sin314tV，试画出对应的输出电压uO

波形。4