《模拟电子技术基础与实验应用教程》第5章 集成运算放大器的线性运用

第5章集成运算放大器的线性应用本章小结5.1基本运算电路5.2有源滤波电路5.3集成运算放大器的频率特性5.4集成功率放大器及其应用5.5集成运放使用知识引言本章重点集成运放的应用电路；集成运放的应用知识。集成运放接入适当的负反馈就可以构成不同功能的线性应用电路，可用“虚短”“虚断”进行分析第5章集成运算放大器的线性应用5.1基本运算电路5.1.1比例运算电路5.1.2加减运算电路5.1.3微分与积分运算电路5.1.1比例运算电路一、反相比例运算电路虚断虚地为使两输入端对地直流电阻相等：R2=R1//Rf为深度电压并联负反馈，Auf=

Rf/R11输入电阻较小R

if=R1，输出电阻近似为02uIC=0

，对KCMR的要求低up=un=0虚地3特点平衡电阻RifR

if8uiR1uoRfiiuninifupR2ip二、同相比例运算电路跟随器当R1=

，Rf=0时，inupunip为深度电压串联负反馈，Auf=1+Rf/R11输入电阻大，

R

if=

；输出电阻→02uIC=ui，对KCMR的要求高，up=un=uI3特点Auf=15.1.2加减运算电路一、求和运算电路1.反相求和运算电路un电路点评反相求和运算电路调一路输入端电阻时并不影响其他路信号产生的输出值，调节方便，使用较多。若Rf=R1=R2

则uO=

(uI1+uI2)

R2//R3=R1//Rf若R2=R3=R1=Rf

，则

uO=uI1+uI2

2.同相求和运算电路up电路点评与反相求和运算电路比较，同相求和运算电路共模输入电压较高，调节不太方便，但其输入电阻大，常用于输入电阻较大的场合。R2//R3//R4=R1//Rf若R2=R3=R4，Rf=2R1

则

uO=uI1+uI2

up同相求和运算电路利用叠加定理ui2=0ui1使：ui1=0ui2使：一般R1=R

1；Rf=R

fuO=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1

)二、减法运算电路upun减法运算实际是差分电路例5.1.1

高输入电阻减法运算电路输入电阻无穷大输入电阻无穷大

例5.1.2

加减运算电路1.集成运放温度测量电路Rt为正温度系数传感器T=0℃时，uid=0，uo=0，指示0℃T=100℃时，uid=1.7V，uo=2V，指示100℃温度指示三、应用实例2.+1～—1可变增益放大电路用一个电位器可在+1～-1范围内平滑调节增益（a）α=0（b）α=0.5（c）α=13.仪用放大器高输入阻抗，高共模抑制比，调节R1，可方便改变增益同相输入同相输入差分输入uO1uO2为保证测量精度需元件对称性好u+=u-=usio=i1=us/R1特点：电压—电流转换器1输出电流与负载大小无关2电压源转换成为电流源讨论5.1.3微分与积分运算电路unR2=Rf虚地虚断RfC1=

—

时间常数例一、微分运算电路uItOuOtO二、积分运算电路=当uI=UI时，设uC(0)=0

时间常数

=

R1Cf积分电路输出电压：tuIOtuOO例：10k

10nF

时间常数

=

R1Cf=0.1ms设uC(0)=0=

5VuI/Vt/ms0.10.30.55

5uO/Vt/ms=5V5

5三、应用举例开关延迟电路电子开关当uO

6V时S闭合，tuOO6V1msuItO

3VtusO

3V例第5章集成运算放大器的线性应用5.2有源滤波电路5.2.1无源RC低通和高通滤波电路5.2.2有源低通滤波电路5.2.3有源高通滤波电路5.2.4有源带通滤波电路5.2.5有源带阻滤波电路理想滤波器的频率特性f·f·f·f·通通通阻通阻通阻阻阻低通高通带通带阻滤波电路有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。分类硬件滤波软件滤波按处理方法分无源滤波器有源滤波器按构成器件分模拟滤波器数字滤波器按所处理信号分低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器按频率特性分一阶滤波器二阶滤波器……N阶滤波器按传递函数分引入一、RC低通滤波电路1.频率特性的描述RC•••••令1/RC=

H则fH=1/2

RC•滞后••••fO|Au

|10.707O–45

–90

fHf幅频特性相频特性5.2.1无源RC低通和高通滤波电路2.频率特性的波特图f/fH0•20lg|Au

|/dB–200–45

–90

fH–400.11101000.1110f/fH频率特性波特图•–90

f0|Au

|10.7070–45

fHff

0.1fH20lg|Au|=0dBf=fH20lg|Au|=20lg0.7070=-3dBf

10fH20lg|Au|=-20lgf/fH–3dB–20dB/十倍频–

45

/十倍频•则fL=1/2

RC二、RC高通滤波电路•••令1/RC=

L超前f

10fL20lg|Au|=0dBf=fL20lg|Au|=20lg0.7071=-3dBf

0.1fL20lg|Au|=-20lgf/fHRC••波特图频率特性•90

fO|Au

|10.707O45

fLff/fLO•20lg|Au

|/dB–20O45

90

–400.11100.1110f/fL–20dB/十倍频–45

/十倍频例5.2.1求已知一阶低通电路的上限截止频率。0.01F1k

1k

1//1k

0.01F例5.2.2已知一阶高通电路的fL=300Hz，求电容C。500

C2k

戴维宁定理等效可取用标称值为0.22μF的电容—通带放大倍数···一、一阶

LPF其中，

Auf=1+Rf/R1fH=1/2

RC—上限截止频率··fH归一化幅频特性f·0-3-20dB/十倍频5.2.2有源低通滤波电路Rf8CR1R··二、二阶LPF1.简单二阶LPF通带增益：Auf=1+Rf/R1问题：在f=fH

附近，输出幅度衰减大。–40dB/十倍频-40f/fH0-10-2010-301·改进思路：在提升fH

附近的输出幅度。8CR1RCRRf···2.实用二阶LPF8CR1RfRCR··Q=1

/

(3-Auf)Q—等效品质因数-40f/fn0-3-10-2010-30Q=0.707Q=1Q=2Q=51····正反馈提升了f

n附近的

Au。Good!Auf=3时Q

电路产生自激振荡·–40dB/十倍频特征频率：当Q=0.707时，fn=fH。例5.2.3

已知R

=

160k

，C=0.01

F，R1

=

171k

，Rf=

100k

，求该滤波器的截止频率、通带增益及Q值。8CR1RfRCR··[解]Q=1/(3-Auf)=1/(3

-1.585)=0.707Q=0.707时，fn=fH特征频率：

上限截止频率：fH=99.5Hz8CR1RfRCR··通带增益：Auf=1+Rf/

R1Q=1/(3-Auf)f/fn0-3-10-2010-30-40Q=0.707Q=1Q=2Q=51·Auf=3时，Q

，电路产生自激振荡二阶低通、高通，为防止自激，应使Auf<3。5.2.3有源高通滤波电路5.2.4有源带通滤波电路构成思路：ffHffLffLfH·f0fH>fL·8CR1RfRC1R3R2·LPFBPF要求

R3C1>RC中心频率：等效品质因素：Q=1/(3-Auf)通频带：BW=f0/Q最大电压增益：Au0

=Auf/(3-Auf)=2R=C=R8CR1RfRC1R3R2··例5.2.4

已知R

=

7.96k

，C=0.01

F，R3

=

15.92k

，R1=

24.3k

，Rf=

46.2k

求该电路的中心频率、带宽BW及通带最大增益Au0。[解]Q=1/(3-Auf)=1/(3

-2.9)=10BW=f0/Q=2000/10=200HzAu0

=Auf/(3-Auf)=2.9/(3-2.9)

=29构成思路：由LPF和HPF组成，且使LPF的截止频率低于HPF的截止频率。5.2.5有源带阻滤波电路讨论何谓有源滤波电路？何谓无源滤波电路？两者相比较，前者有何优缺点？

2.试比较一阶和二阶有源低通滤波电路的幅频特性，说明二阶比一阶滤波电路性能好的原因。讨论小结1答：由电阻、电容、电感等无源元件组成的滤波器称为无源滤波电路，含有有源器件的滤波器则称为有源滤波电路。有源滤波电路通常由集成运放和RC网络构成，与无源滤波电路相比有以下优点：（1）通带内可提供增益，二阶电路在特征频率附近引入正反馈，使特征频率处衰减减小，通带内幅频特性平坦；（2）负载对滤波特性影响很小。缺点：不适宜高压、高频、大功率的场合。讨论小结2答：一阶有源滤波电路幅频特性的过渡带衰减速度为20dB/十倍，而二阶有源滤波电路过渡带衰减速度为40dB/十倍频，因此后者滤波性能较好。而且二阶有源滤波电路当选用适当Q值时，可使通带内幅频特性平坦。二阶比一阶滤波性能好的主要原因：首先是提高了RC滤波网络的阶数，使过渡带衰减速度增加；其次，引入了正反馈，使特征频率附近的衰减得到补偿，通带内幅频特性变平坦。第5章集成运算放大器的线性应用5.3集成运算放大器的频率特性5.3.1晶体管的高频特性5.3.2集成运放的频率特性及其高频参数5.3.3集成运放交流放大电路及其频率特性一、晶体管的高频等效电路5.3.1晶体管的高频特性因

值随频率升高而降低，高频下不能采用H参数等效电路。1.晶体管的混合型等效电路B

EBCrbb

rb

erb

cCb

cCb

eCb

e

：不恒定，与工作状态有关Cb

c

：几pF，限制着放大器频带的展宽BB

C••Erbb

rb

eCb

eCb

c•••••受控电流源•••三极管跨导低频电流放大系数••表示基极有效输入电压Ube对Ic的控制作用••

与频率f的关系

=0.707

0

f

o0.707

of

1fTf

—共发射极截止频率fT

—

特征频率

=1可求得：同样可求得：可见：O二、晶体管的频率参数fL=0Aud一、集成运放的频率特性未加频率补偿加频率滞后补偿5.3.2集成运放的频率特性及其高频参数1、小信号频率参数f

/

Hz20lgAud(f)

/dBfHOfT（1）开环带宽BWBW=

f

H（2）

单位增益带宽BWGBWG=

f

T运放闭环工作时，

带宽增益积=Aud

fHfH为开环增益下降3dB时的频率通用型集成运放带宽较窄(几赫兹)fT为开环增益下降至0dB(即Aud=1)时的频率带宽增益积=1

f

T=

fT=BWG=Aud

f

H

BWG=AudBWf=0，使Auf=1，f↑，Auf

降为0.707时的频率即为fT。BWG=AufBWf如741型运放:Aud

=104，BW=7Hz，Auf

=10，则BWf=7kHz0二、集成运放的高频参数2、大信号动态参数（1）转换速率SR输入输出

A741为0.5V/s高速型SR>10V/s否则将引起输出波形失真例如：则：须使：SR>2

fUom

A741，Uom=10V最高不失真频率为8kHz（2）全功率带宽BWP输出为最大峰值电压时不产生明显失真的最高工作频率3、高速宽带集成运放当

BWG>2MHz，BWP>20kHz，SR>6V/s选高速宽带运放5.3.3集成运放交流放大电路及其频率特性输入为差分电路，采用单电源时输入端静态电位不能为0；输出为OTL电路，静态输出电压为0.5VCC。为满足0输入时输入和输出端等电位，U+=U-

=UO=0.5VCC应使：交流通路Rf8uiR1uo通带内：

.8uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RRC3一、单电源反相交流放大电路例5.3.2根据元件参数求电路的fL，当运放BWG=1MHz,求电路的fH。C38uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RR10

F10

k

10

F100

k

1

k

8R1RfR4单电源10k

100k

交流通路C38uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RRR40.5VCC0.5VCC二、单电源同相交流放大电路汇集放大的功能：要求：(1)各信号源间互不影响；(2)汇集后信号间互不调制，以免出现新频率的信号。

反相输入加法电路能较好地实现低频信号的汇集放大。8ui1R1R4+VCCuoR5ui2ui3–VEER2R3R

R1=R2=R3因为：集成运放开环增益很高，在闭环增益很小时，很深的电压并联负反馈，使反相端的闭环输入电阻近似为0，各信号源间互不影响。三、应用实例第5章集成运算放大器的线性应用5.4集成功率放大器及其应用引入5.4.1 常用集成功放及其应用5.4.2 集成功放使用注意事项引入组成特点输出功率大、效率高有过流、过压、过热保护前置级、中间级、输出级、偏置电路5.4.1常用集成功放及其应用12348765引脚图1.典型应用参数：直流电源：4

12V额定功率：660mW

带宽：300kHz输入阻抗：50k

一、LM386集成功放及其应用

LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610F36k10F100F220F0.1

F810.047F+VCC62.典型应用电路输出电容(OTL)频率补偿，抵消电感高频的不良影响防止自激等调节电压放大倍数特点输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护参数直流电源：

2.5~

20V功率带宽：

100kHz

输出功率：22W(RL=4

)开环增益：80dB输入阻抗：50k

电源滤波频率补偿防自激等输出功率可大于15WR1C2220k68022FR3R2ui12435C1C7C3C4C5C61F22k220F220F0.1F45+VCC(16V)20400.01F0.1F-VEE(-16V)R4大电容滤除低频成分小电容滤除高频成分双电源(OCL)应用二、TDA2040集成功放及其应用单电源(OTL)应用：交流电压串联负反馈使U1=0.5VCCC268022FR4ui435C1C6C3C4C5C71F22

k2.2F220

F0.1

F45

+VCC(16V)0.01

FR6R522

k22k22

kR2R321R1204035430dB三、TDA1521集成功放及其应用5.4.2集成功率放大器使用注意事项集成功放种类很多，可按其典型应用电路接线即可1合理选择品种和型号2合理安装元器件及布线3按规定选用负载4合理选用散热装置第5章集成运算放大器的线性应用5.5集成运放使用知识集成运放使用知识一、集成运放类型及选择1、集成运放的类型2、集成运放的选择按制造工艺材料分双极性、CMOS、BIFET兼容型按功能分

通用性、专用型（高阻、低漂、高速、宽带、低耗、低噪、高精度等）尽量选用通用型器件，对于低频、输入幅度在数mv以上，信号源内阻及负载电阻适中，一般采用通用型；1大对于内阻很高的信号源应选用高阻型；2对于微弱信号放大，选用高精度低漂型；3工作频率比较高应采用宽带型；4输出幅度大、变化速率高，应采用高速型；5二、集成运放使用注意事项查阅手册了解引脚的排列及功能；检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电源短路；输入信号应远小于UIdM和UICM，以防阻塞或损坏器件；电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流放大需调零；为了防止公共电源来的低频和高频干扰，同时也防止本身对外界信号的干扰，集成运放电源端加接电源去耦合电容。三、集成运放外围元件的选择四、集成运算放大电路常见故障及处理方法反馈电阻值不低于1kΩ,不大于1MΩ；1辅助电路电阻元件根据应用电路的阻抗要求来选择；2决定运算关系的元件应取稳定度和精度高的元件；3交流放大电路中耦合电容的容量应按下限频率要求来确定。4故障原因

器件内部故障电路外围元件故障处理方法

先分析后动手，先断电检查后通电检查，先静态测量后动态测量，快速找出故障点。集成运算放大电路常见故障及处理方法。见书（P179）第5章集成运算放大器的线性应用小结一、集成运放信号运算电路组成集成运放、反馈电路、辅助电路等。反馈电路在输入端接于集成运放反相端；运算关系由反馈电路和辅助电路决定。（1）运