第五章集成运算放大器的基本应用电路

模拟电子电路及技术基础第五章集成运算放大器的基本应用电路

集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器。同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。5.1集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性5.1.1集成运算放大器的符号35.1.1集成运算放大器的模型uid

=ui+-

ui-：差模输入电压；Auo：集成运放的开环电压放大倍数；Ri：集成运放的输入电阻；Ro：集成运放的输出电阻。Ri→Ro→0Auo→Ii+=Ii-→0理想化理想化条件“虚断路”输入电阻，反映了集成运放输入端向输入信号源索取电流的能力，要求它愈大愈好；输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的带负载能力要求它愈小愈好；A愈大愈好Ri→Ro→0Avo→KCMR→0漂移→0理想化“虚断”“虚短”“虚短”：Auo→vid→0“虚断”：Ii+=Ii-=065.1.2集成运算放大器的电压传输特性线性放大区：uo

=Auo(ui+-ui-)=Auouid“虚短路”：Auo→uid→0限幅区：uo

=UCC或

UEE，uid

可以较大，不再“虚短路”。7反相电压传输特性含运算放大器电路分析的方法节点法、回路法虚断、虚短概念作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。比例运算电路5.2反相比例放大器与同相比例放大器101)闭环增益与电压传输特性5.2.1反相比例放大器5.2反相比例放大器与同相比例放大器结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。输出与输入反相、运算电路输入电阻较小利用虚短和虚断得平衡电阻RN与RPRN、RP：令vi和vo为零，分别指从N（－）或P（＋）端到地之间的直流电阻。R2=R1

//

RfRN=RpR3=R1

//R2//

Rf122)闭环输入电阻反相比例放大器的特点：(1)信号从反相端输入，输出信号与输入信号反相；(2)U-=U+=0，因为同相端电压为零(接地)，所以反相端呈现“虚地”特性；(3)闭环放大倍数Auf

=-R2

/R1；(4)闭环输入电阻较小，RifR1，闭环输出电阻Rof→0。13【例5.2.1】设计一个放大器电路，要求输入电阻大于等于50kΩ，uo=-6ui。【例5.2.2】有一运放组成的反相比例放大器，电源电压UCC=│UEE│=12V，求输入信号分别为ui1=1sinωt(V)和ui2=2sinωt(V)时的输出波形图。14【例5.2.3】有一运放组成的反相比例放大器，如右图所示，电源电压UCC

=|

UEE

|=12V，求输入信号分别为ui1

=1sint(V)和ui2

=2sint(V)时的输出波形图。155.2.2同相比例放大器输出与输入同相、运算电路输入电阻较大利用虚短和虚断得16同相比例放大器的特点：(1)信号从同相端输入，输出信号与输入信号同相；(2)U+

=U-

0，反相端和同相端电压相等,即“虚短路”；(3)闭环放大倍数大于等于1，可以设计成电压跟随器；17(4)闭环输入阻抗进一步增大，趋向于理想条件，即Rif

→；(5)闭环输出阻抗进一步减小，也趋向于理想条件，即Rof→0。185.2.3两种放大器比较反相比例放大器的特点：1.信号从反相端输入，输出信号与输入信号反相。共模输入为零。2.U-=U+=0，因为同相端电压为零(接地)，所以反相端呈现“虚地”特性。3.闭环放大倍数

。4.闭环输入电阻较小，Rif≈RI，

等效到运放输入端的等效电阻

。5.闭环输出电阻

Rof

→0。同相比例放大器的特点：1.信号从同相端输入，输出信号与输入信号同相。共模输入不为零。2.U-=U+≠0，反相端与同相端电压相等，呈现“虚短路”特性。3.闭环放大倍数大于等于1。4.闭环输入阻抗进一步增大，Rif→∞，闭环输入电阻为

。5.闭环输出电阻Rof

→0。【例5.2.4】电路如图所示，试问(1)运放A1、A2的功能各是什么？(2)求输出电压与输入电压的关系式，即总增益的表达式。20【例5.2.5】彰显电压跟随器的隔离(缓冲)作用。

有一内阻Rs

=100k的信号源，为一个负载(RL

=1k)

提供电流和电压。一种方案是将它们直接相连(如图(a)所示)；另一种方案是在信号源与负载之间插入一级电压跟随器(如图(b)所示)。试分析两种方案负载RL

所得到的电压uL

和电流iL

。215.3加法器5.3.1反相加法器【例5.3.1】试设计一个相加器，完成uo

=-(2ui1+3ui2)的运算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均大于等于100k。225.3.2同相加法器235.4基本减法器及仪用放大器5.4.1基本减法器电路24【例5.4.1】利用减法器电路可以构成“称重放大器”。试问，输出电压uo

与重量(体现在Rx变化上)有何关系。255.4.2精密相减器电路----仪用放大器265.5积分器和微分器差动积分器5.5.1积分器27【例5.5.1】电路如图所示，当t=

t1(1s)时，开关S接a点；当t=t1(1s)~t2(3s)时，开关S接b点；而当t>t2(3s)时，开关S接c点。已知运算放大器电源电压

15V，初始电压uC(0)=0，试画出输出电压uo(t)的波形图。28295.5.2微分器利用积分器和相加器求解微分方程305.6电压一电流变换(V-I)和电流一电压变换(I-V)5.6.1V-I变换器负载电流与负载无关，而与输入信号成正比315.6.2I-V变换器32【例5.6.1】精密直流电压测量电路如图所示，一般要求电压测量仪表的输入电阻要尽量大，否则测量精度会受影响。利用同相输入且施加负反馈的运算放大器电路输入电阻大的特点，有助于提高测量精度。由图可见，流过

的电流

等于流过表头的电流

，若电阻R1=100kΩ，表头最大量程电流IMm=100μA，则被测电压ui的最大值为10V，即精密直流电压测量电路33【例5.6.2】运放电路如图所示，求uo

与ui

的关系式。方法一：利用“虚地”、“虚断路”概念方法二：利用戴维南定理将图示电路简化34增益可调电路35【例5.6.3】将典型的反相比例放大器的R1、R2推广到一般的阻抗Z1、Z2，如图(a)所示，则会演变出许多新的电路。如图(b)所示，就是一个比例-积分-微分电路，用于自动控制系统中的PID调节校正电路。36【例5.6.4】运放电路如图所示，试计算uo1、uo2以及各支路电流值。37【例5.6.5】电路如图所示，求输出与输入的关系式。385.7对数、反对数放大器及乘除器5.7.1 对数运算器395.7.2反对数（指数）运算器5.7.3乘法器和除法器405.8.1 精密整流(限幅)电路5.8精密整流、检波（峰值检波、相敏检波）及取样保持电路1.精密半波整流电路412.精密全波整流电路——绝对值电路精密全波整流电路的传输特性及输出波形425.8.2 峰值检波电路435.8.3 相敏检波电路445.8.4 取样保持电路455.9.1 高速电流反馈型集成运算放大器5.9特殊用途的集成运算放大器1.电流模集成运算放大器的基本框图与基本特性4647若干电流模运放的型号及其参数

型号参数AD811AD844AD9610OPA623OPA658POPA603MAX4112/4113压摆率SR/(V/μs)1800(Rf=1kΩ)2000(Rf=0.5~)3500(Rf=1.5kΩ)2100(Uopp

=5V)1700(Uopp

=2V)10001500/1800带宽(BW)/MHz1406080290680100600/750失调电压UIO/mV0.50.05±0.38±551同相端输入电阻/MΩ

1.5100.22.740.550.5反相端输入电阻/Ω

145020

503030低频互阻增益/MΩ

0.75(RL=200Ω)3(RL=500Ω)1.5(RL=200Ω)

0.190.40.5共模抑制比

KCMR/dB6010060

6050输出电流

IO/mA±100±60±50±70±120±150±80电源电压/V±5~±15

±5±5±15±548宽带、高速集成运算放大器举例(一)电压反馈型、输入输出轨对轨运算放大器OPA83049(二)电流反馈型THS3120/THS3121505.9.2 集成仪表放大器INA128/129增益/(V/V)RG(INA128)/ΩRG(INA128)/Ω12510205010020050010002000500010000NC50.00k12.50k5.556k2.632k1.02k505.1251.3100.250.0525.0110.005.001NC49.9k12.4k5.49k2.61k1k49924910049.924.99.764.87增益与电阻的对应表51INA128/129应用举例具有右腿驱动的心电信号（ECG）放大电路INA128共模电流提供路径525.9.3 增益可控集成运算放大器1.可编程增益放大器-----PGA103增益(倍数)2脚1脚A1A0100100110010无效11注：逻辑0：

(-5.6V)<U<0.8V；逻辑1：

2V<U<(+V)；逻辑电平是相对于3脚的电位。增益与数字连接的关系53增益可编程仪表放大器电路542.电压控制增益放大器—VCA820/VCA822/VCA824555.10.1 运放开环应用------电压比较器5.10运放开环应用及电压比较器电压比较器及其输出波形56【例5.10.1】电路及输入信号波形

分别如图5.10.2（a）(b)所示，其中C为交流耦合（隔直）电容，试分别画出