《电工电子技术及应用》课件-第10章

第10章集成运算放大器10.1集成运算放大器概述10.2集成运算放大器在信号运算电路中的应用10.3放大电路中的负反馈10.4集成运算放大器在电子测量电路中的应用10.5电压比较器及其在电子控制系统中的应用10.6集成运算放大器在波形产生电路中的应用10.7集成运算放大器的使用注意事项

10.8运算放大器应用实例习题10

10.1集成运算放大器概述

集成运算放大器实质上是一个放大倍数很高、输入电阻很大、输出电阻很低的直接耦合多级放大电路。内部电路由输入级、中间级、输出级等部分组成,有很多种型号,我们在使用时重点关注它的参数和特性指标,以及使用方法。

10.1.1集成运算放大器的符号、外形与主要参数

1.集成运算放大器的符号

集成运算放大器的电路符号如图10.1.1所示。它有两个输入端:“+”为同相输入端,表示运算放大器的输出信号与该端所加信号相位相同;“-”为反相输入端,表示运算放大器的输出信号与该端所加信号相位相反。图10.1.1(a)是国家标准符号,图10.1.1(b)是国内流行符号(在大多数进口的电子设计仿真软件中也用此符号)。图10.1.1集成运算放大器的电路符号

2.集成运算放大器的外形

集成运算放大器常见的封装形式有金属圆形、双列直插式和扁平式封装,所用材料有陶瓷、金属、塑料等。如图10.

1.2所示为CF741封装及外形图。其中,每个引脚在器件中的位置、功能和用途要查阅手册或说明书才能详细了解,因此查阅器件手册和说明书是用好电子元件的必备条件。图10.1.2运算放大器封装及外形

3.集成运算放大器的常用参数

集成运算放大器的常用参数如下。

1)开环电压放大倍数Auo

开环电压放大倍数Auo是指在没有外接反馈电阻时的电压放大倍数,它体现了运算放大器的电压放大能力。此值越大越好。一般在104到107之间。

2)最大输出电压UOM

最大输出电压UOM是指能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。一般电源电压在±15V时,最大输出电压在±13V。

3)输入失调电压UIO

输入失调电压UIO是指为使输出电压为零,在输入级所加的补偿电压值。此值越小越好,一般为毫伏级。

4)输入失调电流IIO

输入失调电流IIO是指输入信号为零时,两个输入端静态电流之差。此值越小越好,一般为零点几微安培。

5)最大共模输入电压UICM

运算放大器在抑制共模信号时,对共模信号的电压是有一个范围的,如超过这个范围,那么共模抑制性能就大大下降,甚至损坏。

6)差模输入电阻Rid

差模输入电阻Rid是指运算放大器两个输入端之间的电阻。此值越大越好,一般在几百千欧姆到几兆欧姆。

10.1.2理想集成运算放大器的分析

在分析运算放大器时,为了使问题分析简化,通常把集成运算放大器看成理想运算放大器,实际的集成运算放大器也是接近理想运算放大器的。理想集成运算放大器的理想化条件是:

(1)开环电压放大倍数Aud→∞;

(2)差模输入电阻Rid→∞;

(3)输出电阻Ro

→0;

(4)共模抑制比KCMRR

→∞。

根据以上理想化条件,当运算放大器工作在线性区(另一个区是饱和区,后续内容会讲解),即输出电压随输入电压成比例变化时,可得如下结论:

(1)由于运算放大器差模输入电阻Rid→∞,所以同相输入端和反相输入端流经运算放大器的电流为零,即

i+=i-=0

由于两个输入端电流为零,与断路相似,故称为“虚断”。

(2)由于运算放大器开环电压放大倍数Aud→∞,而运算放大器的输出电压是有限的,所以有

即

式中,u+与u-分别表示同相与反相输入端的输入电压。由此可见,两个输入端好像短路,故称“虚短”。

10.2集成运算放大器在信号运算电路中的应用

10.2.1比例运算电路1.反相输入反相输入指输入信号加在反相输入端,经运算放大器处理后输出信号与输入信号相位相反。如图10.2.1所示,RF为反馈电阻,接在输出端与输入端之间。图10.2.1反相比例运算电路

根据“虚短”和“虚断”的结论可知

由图可得

因此得到

闭环电压放大倍数为

适当调整RF

和R1

的值,可得到不同的放大倍数。如果RF

=R1

,则Auf=-1,该电路就成了反相器。图中R2是平衡电阻,有稳定电路的作用,通常取R2=RF

∥R1

。

2.同相输入

同相输入指输入信号从同相端输入,如图10.2.2所示。根据“虚短”和“虚断”的结论,仿照反相比例运算放大器的分析过程,可得

闭环电压放大倍数为

适当调整

RF

和R1

的值,可得到不同的放大倍数。如果R1

=∞或

RF

=0,则

Auf=1,该电路就成了电压跟随器。图中R2是平衡电阻,有稳定电路的作用,通常取R2=

RF

∥R1

。图10.2.2同相比例运算放大电路

例10.2.1在图10.2.3所示的两级运算放大电路中,R1

=50kΩ,RF

=100kΩ,若输入电压ui

=1V,求输出电压。图10.2.3例10.2.1图

解输入级A1是电压跟随器,输出电压为1V,作为第二级A2的输入,第二级是反相比例运算电路,由式(10.2.1)可得

10.2.2加法运算电路

如果在反相输入端加多个输入信号,就可以对多个输入信号实现加法运算。如图10.2.4所示反相加法运算电路。同理,如果在同相输入端加多个输入信号,也可以对多个输入信号实现加法运算,即同相加法运算电路,此处只对反相加法运算电路进行分析,同相加法运算电路的分析过程可以仿照反相加法运算电路。图10.2.4反相加法运算电路

由“虚短”和“虚断”的概念,以及电路图可以列出

由以上分析可得

若所有电阻阻值均相等,那么

10.2.3减法运算电路

如果运算放大电路的两个输入端都有信号输入,则称为差分输入运算电路(即减法运算电路),如图10.2.5所示。差分输入运算电路在测量和控制系统中经常使用。图10.2.5减法运算电路

由图可以列出

由“虚短”的概念可得

当R3=RF,R2=R1

时,有

若R

1=RF

,则

10.2.4积分运算电路

在反相比例运算电路中,将RF用CF

来代替,就成了积分运算电路,如图10.2.6所示。与反相比例运算电路分析一样,可得

如果输入电压是恒定的电压,则输出电压

R1

和电容交换位置后,我们可以得到微分运算电路,微分运算电路的分析过程可以由“虚短”和“虚断”的概念进行分析,与前面讲述的电路分析过程相似。图10.2.6积分运算电路

例10.2.2在图10.2.6中,R1=1MΩ,CF=1μF,ui

=1V。求t分别为0s,0.2s,0.6s,1s时的输出电压各为多少。

解由式(10.2.6)可知

10.3放大电路中的负反馈

10.3.1负反馈的概念所谓反馈,就是将放大电路(或系统)输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部,通过某种电路引回到放大电路的输入端。反馈分正反馈和负反馈,若引回的反馈信号削弱了原输入信号,则为负反馈;若引回的反馈信号增强了原输入信号,则为正反馈。

图10.3.1所示为反馈放大电路的方框图。A是放大电路,F是反馈电路,符号⊕表示比较环节,为输入信号,为输出信号,为反馈信号。

图10.3.1反馈放大电路方框图

10.3.2反馈的判别方法

1.正负反馈的判别

判别正负反馈的常用方法是瞬时极性法,其步骤是:

(1)假设并标出输入端信号的瞬时极性为“+”;

(2)当集成运算放大器同相端输入的信号瞬时极性为“+”时,输出端的瞬时极性也为“+”;当集成运算放大器反相端输入的信号瞬时极性为“+”时,输出端的瞬时极性则为“-”。当信号从输出端引回到输入端时,如果减小了净输入信号,则为负反馈,反之则为正反馈。

2.电压反馈与电流反馈的判别

从放大电路的输出端看,反馈可分为电压反馈与电流反馈。

(1)若反馈信号取自输出电压的正极,则为电压反馈。

(2)若反馈信号取自输出电压的负极(靠“地”一端),则为电流反馈。

3.串联反馈与并联反馈的判别

从放大电路的输入端看,反馈可分为串联反馈与并联反馈。

(1)输入信号与反馈信号分别加在两个输入端(同相与反相)的,是串联反馈。

(2)输入信号与反馈信号分别加在同一个输入端(同相或反相)的,是并联反馈。

例10.3.1试判断图10.3.2所示电路中从A2引出到A1的反馈类型。图10.3.2例10.3.1图

解在图(a)中反馈电路从A2输出电压正极引出,故为电压反馈;反馈电压和输入电压分别加在两个输入端,故为串联反馈;反馈电压使净输入电压uD(即ui-uF)减小,故为负

反馈。

在图(b)中反馈电路从A2

输出电压负极引出,故为电流反馈;反馈电压和输入电压分别加在同一个输入端,故为并联反馈;反馈电流实际方向即图中所示,它使净输入电流iD(即ii-iF

)减小,故为负反馈。

以上是对集成运算放大电路反馈的判断,分立元件的放大电路通常也引入反馈,判别方法与上面所述类似。

(1)判读分立元件正负反馈的常用方法是瞬时极性法,其步骤是:

①假设并标出输入端(基极)信号的瞬时极性为“+”;

②发射极极性为“+”,集电极极性为“-”,并在图中标出;

③若反馈信号取出点的瞬时极性与引回点的瞬时极性相同,则为正反馈,反之为负反馈。

(2)电压反馈与电流反馈的判读与集成运算放大电路是一致的。

①若反馈信号取自输出电压的正极,则为电压反馈;

②若反馈信号取自输出电压的负极(靠“地”一端),则为电流反馈。

(3)串联反馈与并联反馈的判别方法为:

①反馈信号加在输入电压的负极是串联反馈;

②反馈信号加在输入电压的正极是并联反馈。

例10.3.2判断图10.3.3所示电路的反馈类型。图10.3.3例10.3.2图

解图(a)中RE

为反馈元件,引出点为“+”,引回到了ui的“-”,故为负反馈;反馈信号取自输出电压的负极,故为电流反馈;反馈信号引回到输入电压ui

的负极,故为串联反馈。

图(b)中RE

为反馈元件,引出点为“-”,引回到了ui

的“+”,故为负反馈;反馈信号取自输出电压的正极,故为电压反馈;反馈信号引回到输入电压ui

的正极,故为并联反馈。

10.3.3反馈对电路的作用

反馈对电路的作用主要有以下几个方面。

(1)降低放大倍数。引入负反馈后,放大电路的放大倍数会相应降低。

(2)提高放大倍数稳定性。引入负反馈后,即使出现电路参数变化和电源电压变化,放大电路的放大倍数也能稳定不变,负反馈虽然牺牲了一部分放大倍数,但换来了电路的稳定。

(3)改善失真波形。引入负反馈后,输出波形更接近输入波形,失真减小。

(4)改变放大电路输入、输出电阻。串联负反馈使输入电阻增大,并联负反馈使输入电阻减小,就如同电阻串并联结论一样。电压负反馈能稳定输出电压,使输出电阻减小,电流

负反馈能稳定输出电流,使输出电阻增大,就如同实际电压源和电流源结论一样。

10.4集成运算放大器在电子测量电路中的应用

10.4.1电压测量电路图10.4.1所示电路中,由集成运算放大器的特性可知

上式表明Ig的值与表头内阻无关,只由输入电压与R1的比值决定。当R1固定不变时,Ig与ui成比例变化,从而实现高精度测量。另外,图10.4.1所示电路是串联电流负反馈电路,输入电阻增大,可稳定输出电流,减小对被测电路影响。图10.4.1电压测量电路

10.4.2微电流测量电路

图10.4.2所示电路,u-=0V为“虚地”,ICEO为穿透电流,经分析可得

一般穿透电流为1μA左右,若RF

取2MΩ,则输出电压为2V左右。Uo

可以反映微弱电流的大小,从而实现了对微弱电流的测量。该电路是并联电压负反馈,输入电阻减小,测

量时对被测电路影响小图10.4.2微电流测量电路

10.4.3微信号放大电路

在自动控制系统和传感器测量电路中,经常要将微弱测量信号进行放大,放大电路如图10.4.3所示,是一个测量放大器。该放大器有两级,第一级由A1、A2组成。A1、A2结构对称,元件对称,具有差动放大电路的特点,可以抑制零漂。A3采用了差动输入方式,从而实现双端输入单端输出的转换。取R4=R5、R6=R7时,放大器放大倍数为图10.4.3微信号放大电路

10.5电压比较器及其在电子控制系统中的应用

电压比较器是一种对输入信号之间或输入信号与参考电压之间比较大小的一种电路,比较结果以高电平或低电平形式输出。电压比较器工作在集成运放的饱和工作区(非线性区),即u+与u-不相等。当u+>u-时,输出正饱和电压,反之输出负饱和电压。饱和电压低于电源电压。比较器电路同时也工作在开环状态下。

10.5.1电压比较器分类

1.过零比较器

参考电压为零的电压比较器称为过零比较器。如图10.

5.1(a)所示,基准电压为零,电路传输特性如图10.5.1(b)所示,输入电压过零时输出电压跳转。当基准电压不为零时,可以转为普通电压比较器,如基准电压是+5V,则输入电压过5V时输出电压跳转。图10.5.1过零比较器

2.限幅电路比较器

用双向稳压管限幅,使比较器的输出电压稳定在一定数值上,称为限幅电路比较器。如图10.5.2(a)所示电路,电压传输特性如图10.5.2(b)所示。图10.5.2限幅比较器

3.滞回比较器

以上比较器在使用过程中经常会受到干扰,当输入电压在门限电压附近上下波动时,则输出电压将在高、低电平之间反复切换,对系统产生不良影响。为了解决这个问题,可以采用滞回比较器,电路如图10.5.3(a)所示,电压传输特性曲线如图10.5.3(b)所示。图10.5.3滞回比较器

10.5.2电压比较器应用

电压比较器在控制系统中应用非常广泛,下面以监控报警系统为例进行说明。

例10.5.1图10.5.4是一个监控报警系统,需要对某一参数(如温度、压力等)进行监控时,可由传感器取得监控信号ui,UREF

是参考电压。当ui超过正常值上限UREF时,报警器亮,试说明工作原理。运放最大输出电压13V。图10.5.4例10.5.1图

解输入信号在同相输入端,参考信号在反相输入端。

当ui超过正常值上限U

REF,即ui>U

REF时,同相端电压大于反相端电压,uo=13V,此时三极管工作在饱和状态,指示灯亮。

当ui在正常范围,即ui<U

REF时,同相端电压小于反相端电压,uo=-13V,此时三极管工作在截止状态,指示灯不亮。

10.6集成运算放大器在波形产生电路中的应用

波形产生电路(也称波形发生电路)是无线通信、自动测量以及自动控制系统中不可缺少的一种电路。波形发生电路分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路。我们在此处仅讲解正弦波振荡电路。

10.6.1正弦振荡的基本知识

正弦波振荡电路是依靠电路的自激振荡产生一定幅度、一定频率的正弦信号的电路。图10.6.1为正弦振荡电路的方框图,它由放大电路和反馈网络组成。产生正弦波振荡的条件是:

写成幅值和相角的形式,为图10.6.1正弦振荡电路方框图

若选频网络由RC元件组成,则称RC振荡电路;若选频网络由LC元件组成,则称LC振荡电路。RC振荡电路一般用来产生1MHz以下的中低频信号,LC振荡电路一般用来产生1MHz以上的中高频信号。

要使电路能自行建立振荡,在电路进入稳态前还必须满足称为起振条件。电路起振后要由过渡到电路中必须包含稳幅电路。电路由过渡到的过程就是正弦振荡建立的过程。

通过以上分析得到如下结论:

(1)正弦波振荡电路是一个具有正反馈的放大电路,电路中包含选频网络和稳幅电路,选频网络决定了振荡的频率。

(2)起振后稳幅电路可以控制放大倍数和反馈系数的大小,从而控制输出信号的幅值。

10.6.2RC正弦波振荡电路

RC正弦波振荡电路如图10.6.2所示,图中RC串并联电路组成正反馈网络作为选频网络,用同相比例电路作为放大电路。图10.6.2RC正弦波振荡电路

1.选频网络的选频特性

在图10.6.2中,通过分析得

相角

2.工作原理

1)电路构成正反馈

2)电路起振

电路若要起振,要满足

可以起振。电路输出频率为

10.7集成运算放大器的使用注意事项

1.选型集成运算放大器按技术指标可分为通用型和专用型两类。按每片集成片中运算放大器数目可分为单运算放大器、双运算放大器和四运算放大器。

2.调零

由于运算放大器内部晶体管参数不完全对称,以致输入为零时,输出不为零,使用运算放大器时要外接调零电阻,图10.

7.1是LM741运算放大器的调零电路。在无输入下进行调

零,将两个输入端连接后接地,调节电位器,使输出为零。图10.7.1调零电路

3.电源保护

为了防止电源极性接反,可利用二极管单向导电性,在电源连接线中串联二极管来实现保护,如图10.7.2所示。图10.7.2电源保护电路

4.输入端保护

输入信号电压过高时会损坏运算放大器的输入级。为此,可在输入端接入反向并联的二极管,将输入信号限制在二极管压降范围内,如图10.7.3所示。

5.输出端保护

为防止输出电压过高,可利用稳压二极管来保护,如图10.

7.4所示,将输出电压限制在UD+UZ

的范围内,UZ是稳定电压,UD是正向压降。图10.7.3输入端保护电路图10.7.4输出端保护

10.8运算放大器应用实例

1.桥式传感器放大电路不少传感器本身是电桥电路(如压力传感器)或接成电桥测量电路(如应变片传感器、温度传感器、气敏传感器等),接成电桥测量电路可消除传感器的温度误差,如图10.8.1所示。图10.8.1桥式传感器电路

图10.8.2是一种用于电桥式传感器或桥式测量电路的差动放大器电路。输入信号的特点是有较小的差模信号(微伏级到毫伏级),有较大(几伏特)的共模信号。该放大器可以放大差模信号,但对于共模信号则有较大的抑制作用。图10.8.2差动放大电路

为了补偿压力传感器的电桥不平衡(有零压输出)或应变片电桥电路的起始不平衡以及运算放大器的输入失调电压,在压力传感器无压力输入时,调10kΩ电位器,使放大器输出

Uo=0即可。

为保证放大器的输出精度及共模抑制比,电阻R1~R4的精度应为1%,并采用金属膜电阻。采用电阻挑选配对工艺,其误差可进一步减小。

若要求提高输入阻抗,要么采用FET输入型放大器(如CA3140),使输入电阻增加,要么采用仪器放大器,如图10.

8.3所示。A1、A2

是同相放大器,所以它的输入阻抗很大。A3组成差动放大器,其增益为1(减法器)。此放大器的R1=R2,R3=R4=R5=R6,则其输出电压为:Uo

=(1+2R1/RW)(U2-U1

)。图10.8.3高输入阻抗放大电路

2.照明灯光电集中控制电路

图10.8.4所示为一个照明灯光电集中控制电路,该电路由三种集成电路组