集成运算放大器的应用基础

第四节集成运算放大器的

应用基础一、理想运算放大器的特点二、负反馈是集成运放线性应用的必要条件三、运算放大器的基本电路四、集成运放的线性应用一、理想运算放大器的特点（1）开环差模电压放大倍数Aud→∞。（2）差模输入电阻Rid→∞。（3）输出电阻RO→0。（4）共模抑制比KCMRR→∞。（5）输入偏置电流IBI＝IB2＝0。（6）失调电压，失调电流及温漂为零。

二、负反馈是集成运放线性

应用的必要条件

由于集成运放的开环差模电压放大倍数很大（Aud→∞），而开环电压放大倍数受温度的影响，很不稳定。采用深度负反馈可以提高其稳定性，此外运放的开环带宽很窄，例如F007只有7Hz。无法适应交流信号的放大要求，加负反馈后可将带宽扩展（1+AF）倍，负反馈还可以改变输入、输出电阻、减小失真、提高稳定性等。所以要求集成运放工作在线性区，采用负反馈是必要条件。为了便于分析集成运放的线性应用，我们还需要建立“虚短”与“虚断”这两个概念。由于集成运放的差模输入电阻Rid→∞,输入偏置电流IB≈0，不向外部索取电流，因此两输入端电流为零。即Ii-＝Ii＋＝0，这就是说，集成运放工作在线性区时，两输入端均无电流，称为“虚断”。由于理想运放开环电压放大倍数为无穷大，最大输出电压UO＝Aud（U＋－U-）为一有限值，所以两输入端电位近似相同，即U-＝U＋。由此可见，集成运放工作在线性区时，两输入端电位相等，称为“虚短”。三、运算放大器的基本电路（一）反相输入放大电路（二）同相输入放大电路（一）反相输入放大电路1．“虚地”的概念2．电压放大倍数3.输入电阻，输出电阻图5-15所示为反相输入放大电路，输入信号经R1加到反相输入端，Rf为反馈电阻，经Rf把输出信号电压Uo反馈到反相端，构成深度电压并联负反馈。

图5-151．“虚地”的概念由于集成运放工作在线性区,U＋＝U-,Ii＋＝Ii-＝0,即流过R2的电流为零。则U＋＝0,U-＝U＋＝0,说明反相端虽然没有直接接地，但其电位为地电位，相当于接地，是“虚假接地”简称为“虚地”。“虚地”是反相输入放大电路的重要特点。2．电压放大倍数If＝＝－Ii＝＝由于Ii＋＝Ii-＝0,则If＝Ii,即

或Auf＝－＝－式中Auf是反相输入放大电路的电压放大倍数。上式表明：反相输入放大电路中，输入信号电压Ui和输出信号电压Uo相位相反，大小成比例关系，比例系数为，可以直接作为比例运算放大器。当Rf＝R1时，Auf＝－1，即输出电压和输入电压的大小相等，相位相反，此电路称为反相器。同相输入端电阻R2用于保持运放的静态平衡，要求R2＝R1∥Rf，R2称为平衡电阻

3.输入电阻由于U－＝0，所以反相输入放大电路的输入电阻为

Rif＝＝R1

由于反相输入放大电路采用并联负反馈，所以从输入端看进去的电阻很小，近似等于R1。放大器采用电压负反馈，其输出电阻很小（Ro≈0）。

（二）同相输入放大电路1．“虚短”的概念

2.电压放大倍数

3.输入电阻、输出电阻图5-16所示电路为同相输入放大电路，输入信号Ui经R2加到集成运放的同相端，Rf为反馈电阻，R2为平衡电阻（R2＝R1//Rf）。图5-161．“虚短”的概念对同相输入放大电路，U-＝U＋，相当于短路，称为“虚短”。由于U＋＝Ui，U-＝Uf，则U＋＝U-＝Ui＝Uf。If＝IR1＝

2.电压放大倍数由图5-16可见R1和Rf组成分压器，反馈电压

由于Ui＝Uf，则

由上式可得电压放大倍数

Auf＝＝1+Uf＝Uo

Ui＝Uo或Uo＝Ui＝（1+）Ui上式表明：同相输入放大电路中输出电压与输入电压的相位相同，大小成比例关系，比例系数（1+）。在图5-16中如果把Rf短路（Rf＝0），把R1断开（R1→∞），则Auf＝1。即输入信号Ui和输出信号Uo大小相等，相位相同。3.输入电阻、输出电阻由于采用了深度电压串联负反馈，该电路具有很高的输入电阻和很低的输出电阻。(Rif→∞，Ro→0)。这是同相输入式放大电路的重要特点。四、集成运放的线性应用

（一）比例运算（二）加法、减法运算(三）积分、微分运算（一）比例运算比例运算的代数方程式是y＝－x。前面介绍的反相输入式和同相输入式放大电路的输入、输出的电压的关系式分别是Uo＝（－）Ui和Uo＝（1+）Ui，其电阻之比是常数。它们的输出电压和输入电压之间是比例关系，因此能实现比例运算。调整Rf和R1的比值，就可以改变比例系数k。若取反相输入式放大电路的Rf＝R1，比例系数k＝－1，Uo＝－Ui，就实现了y＝－x的变号运算。（二）加法、减法运算加、减法运算的代数方程式是y＝k1X1+K2X2+K3X3+┉，其电路模式为Uo＝K1Ui1+K2Ui2+K3Ui3+┉，电路如图5-17所示。图中有三个输入信号加在反相输入端，同相输入端的平衡电阻R4＝R1//R2//R3//Rf，且U－＝U＋＝0。图5-17（三）积分、微分运算1.积分运算2.微分运算

1.积分运算积分运算是模拟计算机中的基本单元电路，数学模式为y＝K；电路模式为U＝K,该电路如图5-20所示。图5-20在反相输入放大电路中，将反馈电阻Rf换成电容器C，就成了积分运算电路。由于因此由上式可以看出，此电路可以实现积分运算，其中K＝－。Uc＝,Uo＝－Uc,I1＝If＝Ic＝

U0＝－2.微分运算微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的电阻，电容互换位置就可以实现微分运算，如图5-21所示。图5-21由于U＋＝0，I＝0,则因此

U0＝