运算放大器及其应用课件

第一单元运算放大器及其应用梅山培训中心陈礼明集成电路:

将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；1.1运算放大器1.1.1运算放大器基本结构1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图输入级中间级输出级与uo反相与uo同相对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入阻抗ri尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗ro小。集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。1.开环电压放大倍数Auo无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105107之间。理想运放的Auo为。2.共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般100dB以上。1.1.2运算放大器的主要技术指标3.最大输出电压UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。4.开环差模电压增益Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。8.共模输入电压范围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5.输入失调电压UIO6.输入失调电流IIO7.输入偏置电流IIB1.1.2运算放大器的主要技术指标1.1.3通用运算放大器简介μA741(F007)——1个运放LM358——2个运放LM324——4个运放1.1.3通用运算放大器简介LM311——1个集成比较器LM339——4个集成比较器运算放大器外形图

为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。1.1.4特殊类型的运算放大器高速型和宽带型

用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357

高输入阻抗型

用于测量设备及采样保持电路中。

例如：AD549

CF155/255/355

高精度(低漂移型）

用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177

CF714

大功率型

这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12

TP1465低功耗型

用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：OP22正常工作静态功耗可低至36

W。OP290在0.8

V电压下工作，功耗为24W。CF7612在5

V电压下工作，功耗为50W。通常是根据实际要求来选用运算放大器。如测量放大器的输人信号微弱它的第一级应选用高输入电阻、高共模抑制比、高开环电压放，大倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。选好后，根据管脚图和符号图联接外部电路，包括电源、外接偏置电阻、消振电路及调零电路等。2消振通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。是否已消振，可将输入端接地，用示波器观察输出端有无自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。1选用元件1.1.5运算放大器使用时的主要事项3调零4保护调零时应将电路接成闭环。调零分两种，一种是在无输入时调零，即将两个输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。另一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。1)输入端保护3)电源保护2)输出端保护5扩大输出电流1.2运算放大器在信号运算方面的应用信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用

ri

大:几十k

几百k运放的特点KCMRR很大

ro

小：几十几百

Auo很大:104107理想运放：

ri

KCMRR

ro

0Auo

运放符号：＋－u－u+uo－＋＋

u－

u+

uoAuo理想运算放大器及其分析依据uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_++Auo例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|<12V时，运放处于线性区。线性放大区由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点理想运放的符号_++u+u-u01.2.1比例运算电路作用：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：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。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。i1=i2uo_++R2R1RPuii1i2虚短路虚开路1、反相输入结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2电位为0，虚地_++R2R1RPuii1i2反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！2、同相输入_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高虚短路虚开路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。_++uiuo此电路是电压并联负反馈，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。3、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。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++––++–负载电流的大小与负载无关。例2：负载浮地的电压-电流的转换电路1.能测量较小的电压；2.输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi11.2.2加减法运算作用：将若干个输入信号之和按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。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。1、反相求和运算R12_++R2R11ui2uoRPui1加法运算i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。2、同相求和运算-R1RF++ui1uoR21R22ui2此电路如果以u+为输入，则输出为：-R1RF++ui1uoR21R22ui2注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）-R1RF++ui1uoR21R22ui2R´左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：减法运算用叠加原理求解：_++R2R1R1ui2uoR2ui1例：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：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。解：电路由第一级的同相比例运算电路和第二级的减法运算电路级联而成。例试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以下运算关系：解

由题中给出的运算关系可知ui3与uo反相，而ui1和ui2与uo同相，故可用反相加法运算电路将ui1和ui2相加后，其和再与ui3反相相加，从而可使ui3反相一次，而ui1和ui2反相两次。根据以上分析，可画出实现加减运算的电路图，如图所示。由图可得：例：求图示电路中uo与ui的关系。i1iFui-++RR2Cuo1.2.3

PID运算积分运算tui0tuo0输入方波，输出是三角波。积分器应用tui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若输入：则：微分运算电路中的运放处于非线性状态。++Auouo运放电路中没有负反馈，运放处于非线性状态。1.3.1

电压比较器1.3运算放大器在信号比较方面的应用uoui0+Uom-UomUR传输特性UR：参考电压ui：被比较信号

++uouiUR–特点：运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+Uom当ui<UR时,uo=-Uom

1、ui从同相端输入++uouiURuoui0+Uom-UomUR当ui<UR时,uo=+Uom当ui>UR时,uo=-Uom

2、ui从反相端输入uoui0+UOM-UOM++uoui3、过零比较器:(UR=0时)++uouiuoui0+UOM-UOM++uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom++uiuoui0+UZ-UZ电路改进：用稳压管稳定输出电压。++uiuoUZRR´uoUZ电压比较器的另一种形式

——将双向稳压管接在负反馈回路上上门限电压下门限电压

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。RF当uo=+Uo(sat)，则当uo

=–Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2uoui++–R1+–+–－－1.3.2.滞回特性比较器上门限电压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uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFR2uoui++–R1+–+–根据叠加原理，有改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性当参考电压UR不等于零时定义：回差电压与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰能力越强。结论：1.调节RF

或R2可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影回差电压U。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。tuiUom-UomtuiUHUL例：迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。－++uoRR2R1ui解：对图（1）

上门限电压

下门限电压例：电路如图所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）解：对图（2）

例：电路如图所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）uiuoO-6-226图(1)的电压传输特性图(2)的电压传输特性uouiO-661.335.331.4.1正弦波发生器自激振荡条件起振过程：在无输入信号（xi=0）时，电路中的噪扰电压（如元件的热噪声、电路参数波动引起的电压、电流的变化、电源接通时引起的瞬变过程等）使放大器产生瞬间输出x'o，经反馈网络反馈到输入端，得到瞬间输入xd，再经基本放大器放大，又在输出端产生新的输出信号x'o，如此反复。在无反馈或负反馈情况下，输出x'o会逐渐减小，直到消失。但在正反馈情况下，x'o会很快增大，最后由于饱和等原因输出稳定在xo，并靠反馈永久保持下去。1.4运算放大器在波形产生方面的应用起振时必须满足：AF>1。正弦波振荡器的基本组成部分：①基本放大电路②正反馈网络③选频网络正弦波振荡器的分类：①RC正弦波振荡器②LC正弦波振荡器文氏电桥振荡器放大器的电压放大倍数为：反馈网络具有选频作用。RC反馈网络的反馈系数为：1）电路结构上下限:1.4.2矩形波发生器当uo

=+Uo(sat)时，电容充电，uC上升，电容放电，

uC下降，当uC=UR

时，uo跳变成–Uo(sat)当uC=–UR

时，uo跳变成+Uo(sat)

，电容又重新充电。放电2)工作原理RFCuC+–R1R2uo++–+–充电UR+–RFCu