运算放大电路2016

第7章集成运算放大器7.1

集成运算放大器的简单介绍7.2

运算放大器在信号运算方面的应用7.3

运算放大器在信号处理方面的应用★7.4

运算放大电路中的负反馈集成运算放大1.理解运算放大器的组成、电压传输特性、理想运算放大器条件、并掌握其线性区的基本分析依据。u+=u–,i+=i–0

2.理解用集成运放组成的比例、加、减运算电路的组成、工作原理，掌握平衡电阻概念。3.理解电压比较器的工作原理和应用。集成运放难点每一个集成运放运算电路的工作特点（加、减、同相比例、反向比例，特别的反号器、跟随器等）；集成运放计算电路的组成及变换形式（跟随器、反号器、和计算、差计算）；不同的线性运算电路的灵活运用。电压比较器分立元件电路:以单个元件，通过导线联接成一个完整的电路。集成电路:它把电路中全部的电阻与晶体管以及相互之间的联系同时刻制在一块半导体芯片上，使电路更加简洁、更加趋向于集成化。现在的集成电路已经发展到大规模和超大规模的集成电路。1、数字集成电路

（各种计算机及开关电路）2、模拟集成电路

（测量、自动控制、信号变换等）模拟集成电路：

包括集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成A/D与D/A转换器等等。从集成电路的功能来分，大致分为二类：7.1

集成运算放大器的简单介绍一.集成运算放大器的特点及组成集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸 集成运算放大器是具有开环放大倍数非常高,并带有深度负反馈的直接耦合放大电路。集成运算放大器方框图如图所示：+UCC–UEEuou–u+输入级中间级输出级同相输入端输出端反相输入端从方框图可知运放有四个基本部分所组成：输入级：要求放大器的输入电阻高，抗干扰性能好、能抑制零漂、能为信号提供各种输入方式，采用差动放大电路。中间级：要求电压放大倍数做的尽量的大，采用共射级电压放大器。输出级：要求输出电阻低，能提供足够大的电压和电流来推动负载。采用互补射级功率放大器。偏置电路：为以上各级提供稳定的合适的静态工作点。二、集成运放的主要参数：Auo

高:80dB~140dBrid

高:105~1011ro

低:几十

~几百KCMR高:70dB~130dB①开环电压放大倍数Auo：

差模电压开环电压放大倍数Auo要求越高越好，意味着此模块精度较高、稳定性能好。②共模抑制比:KCMRR=Ad

——

Ac

在同样的条件下，要求KCMRR越高越好，这样抑制零漂作用越强。③开环输入电阻rid:（差模输入电阻） 越大越好，约100ΜΩ。④开环输出电阻rod:(差模输出电阻)

越小越好，约20Ω。体现出带负载能力。另外：⑤最大输出电压Uopp:

在电源、负载不变情况下，输出不出现明显的失真的最大输出电压，一般小于电源电压。⑥输入失调电压Uio:

为了使输出等于零，在输入端加一个很小的补偿电压。当然这个电压应该越小越好。

可见集成运放具有开环放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低、零点漂移小、可靠性高和体积小等优点，因此在各行各业均得到广泛地应用。三.集成运算放大器符号及管脚①同相输入端（同相端）：

输入信号与输出信号相位同相。②反相输入端（反相端）：

输入信号与输出信号相位反相。任何一个集成运放模块，它的基本管脚大致有这么几个：集成运放的符号：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–③正电源端，负电源端。④输出端（信号输出端）。⑤调零端：当输入端对地短路时，通过调零电位器使输出电压等于零。集成运放的符号：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–四.理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRR2.电压传输特性uo=f(ui)线性区：uo

=

Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo

=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O理想集成运放的电路符号3.理想运放工作在线性区的特点(分析依据)因为uo

=

Auo(u+–

u–

)所以(1)差模输入电压约等于0（Auo→∞

)

即u+=u–

,称“虚短”

(2)输入电流约等于0（rid→∞）

即i+=i–0,称“虚断”：运算放大器同相端和反相端输入电流近似等于零。电压传输特性++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O注意

Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。集成运放的“虚地”概念：如图所示：在反相端通过电阻接

入信号，同相端通过

电阻接地。由于u+＝0，又u+≈

u-，所以u-

≈0。这说明反相输入端的电位也接近于零电位，但它并不是真正的零电位，这种情况称为集成运放的“虚地”概念。图3-2-4“虚地”概念ifu+u-必须掌握的要点 集成运放中的“二个依据”和一个“虚地”的概念是分析各种运算电路基本方法。4.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)(2)i+=i–0,

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)

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区7.2

运算放大器在信号运算方面的运用集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。一.比例运算1.

反相比例运算（1）电路组成

以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。简化电路（2）电压放大倍数因虚短,

所以u–=u+=0，因虚断，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

平衡电阻:保证电路平衡因要求静态时电路对称：(ui=0,uo=0)，u+、u–对地电阻相同，

所以平衡电阻R2=R1//RFifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–

结论：①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui

加在反相输入端。②Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。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”。⑤反号器：若R1=Rf，Auf=-1，uo=-ui例：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)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

（1）电路组成（2）电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++–因虚短，所以

u–=ui

，反相输入端不“虚地”

平衡电阻R2=R1//RFu+u–结论：①Auf为正值，即

uo与ui

极性相同。因为ui

加在同相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④同号器：uo=ui；当R1=且RF

=0时，当R1=且RF

=0时，uo=ui

，

Auf=1，

称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–

由运放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。uoui++––++–

左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V

7.5k例：R3RLuiR2R1+–++–iLi1举例：+uo二.加法运算电路

1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

若Ri1=Ri2=RF

uo=-(ui1+ui2)反向加法器。

若Ri1

＝Ri2

＝Ru0=Rf

—

Rui1-ui2+）(ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–三.减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：R2//R3

=R1

//RFui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析方法2：利用叠加原理

减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析：如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

输出与两个输入信号的差值成正比。ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––7.3

运放在信号处理方面的应用一.有源滤波器二.采样保持电路模拟开关模拟输入信号1.电路二采样保持电路SuC+–ui+–uo+–++–

采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间，所以在进行A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。采样存储电容控制信号电压跟随器2.工作原理

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uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+–ui+–uo+–++–三.

电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。将模拟信号变成数字信号,由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。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电压传输特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)运放处于开环状态（饱和区）1.基本电压比较器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uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t22.单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t23.过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O

带限幅器的过零比较器

为了使运放的输出电压和数字电路的电平相配合需要运放输出为一恒定的某一数值，那么只要在运放的输出端接上限幅器。（例如：采用双向稳压管组成的限幅器）四.运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。五.

运放在信号测量方面的应用

在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等)的变化转换为电信号(电压或电流