7.1集成运算放大器的应用

第七章集成运算放大器的应用§1集成运放应用基础集成运放最早应用于信号的运算，它可对信号完成加、减、乘、除、对数、微分、积分等基本运算，所以称为运算放大器。目前集成运放的应用几乎渗透到电子技术的各个领域，除运算外还可以对信号进行处理、变换和测量，也可用来产生正弦信号和各种非正弦信号，成为电子系统的基本功能单元。本章先介绍运算电路，随后介绍其它应用。一、低频等效电路在电路中我们将集成运放作为一个完整的独立器件来对待。因此，计算、分析时将集成运放用等效电路来代替，由于集成运放主要应用在频率不高的场合下，所以只讨论在低频时的等效电路，如下图所示。二、理想集成运算放大电路大多数情况下，将集成运放视为理想集成运放。所谓理想集成运放，就是将集成运放的各项技术指标理想化。即：⑴开环差模电压放大倍数Aod=∞⑵输入电阻rid=∞；ric=∞；⑶输入偏置电流IB1=IB2=0；⑷失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂、IOIOdUdIdTdT均为零；⑸共模抑制比CMRR=∞；⑹输出电阻rod=0；⑺-3dB带宽fh=∞；⑻无干扰、噪声。由于实际集成运放与理想集成运放比较接近，因此在分析、计算应用电路时，用理想集成运放代替实际集成运放所带来的误差并不严重，在一般工程计算中是允许的。本章中凡未特别说明，均将集成运放视为理想集成运放来考虑。三、集成运放的线性工作区1．线性工作区放大器的线性工作区是指是指输出电压Uo与输入电压Ui成正比时的输入电压Ui的取值范围。miniU～maxiU。Uo与Ui成正比，可表示为Uo=AuUi所以uoiAUUminmin，uoiAUUmaxmax为讨论方便，我们作如下约定U+—代表运放同相端的电位U－—代表运放反相端的电位U＋－＝U＋－U－U－＋＝U――U＋其中U＋－与U－＋都是运放的差模输入电压，只是两者的规定正方向相反。当集成运放工作在线性区时，作为一个线性放大器件，它的输入信号和输出信号之间满足如下关系：Uo＝Aod(U＋－U－)＝AodU＋－2．开环与闭环的线性范围由于集成电路的开环放大倍数极大，而输出电压为有限值，故其输入信号的变化范围很小，前面我们已知，F007的开环输入信号范围为±0.1mV。这样小的线性范围无法进行线性放大等任务。所以我们说开环的线性范围太小。为了能够利用集成运放对实际输入信号(它比运放的线性范围大的多)进行放大，必须外加负反馈。这是运放线性应用电路的共同特点。3．输入端的“虚短路”对于理想运放：Aod=∞，Uo是有限值0无穷小量oodoUAUUUU这种特性称为理想运放输入端的“虚短路”虚短路—两点之间的电位差趋近于0，但不等于0，仍然有信号电压。短路—两点之间的电压等于0，输入端无信号电压。4．输入端的“虚开路”由于理想运运算放大器的输入电阻rid=∞，而加到运放输入端的电压U＋－是有限值，所以有：0无穷小量idrUII同理在共模电压Uic的作用下0无穷小量icicrUII说明理想运放的输入电流趋于0，该特性称为理想运放输入端的“虚开路”特性。若某一支路中的电流是无穷小量，则该支路就被称为是“虚开路”。四、集成运放的非线性工作区运放的非线性工作区是指其Uo与U＋－不成比例时的取值范围。即在非线性工作区Uo≠AudU＋－理想运放的Aud=∞，所以只要其输入端存在微小的信号电压，其输出电压就立即达到最高电平UOH或最低电平UOL，进入饱和状态。如上图所示，由该曲线可看出：当U＋U－时，Uo=UOH正向饱和当U＋U－时，Uo=UOL负向饱和当U＋=U－时，UOLUoUOH状态不定。只有U＋=U－时，才能发生状态转变。由于理想运放的rid=ric=∞，所以有I＋=I－=0若运放外部引入负反馈，则运放工作在线性区。若运放开环工作或引入正反馈，则运放工作在非线性区。三.集成运放的特性1.理想化条件在分析运算放大器时，一般可将它看成是一个理想运算放大器，理想化条件如图示：理想化条件主要有：开环电压放大倍数Auo→∞；差模输入电阻rid→∞；开环输出电阻ro→0；共模抑制比KCMRR→∞。图4.9理想运算放大器的图形符号集成运放有三种输入方式：差动输入、反相输入以及同相输入。三种输入方式输入电压的关系为：Ui=Ui1-Ui2式中，Ui为差动输入电压；Ui1为反相输入电压；Ui2为同相输入电压。由于运放的电压放大倍数很高，微小的输入电压就会产生极大的输出电压，但输出电压数值不会超过电源电压（一般为15V）。运放由双电源（+Ucc和-Ucc）供电，其输入—输出特性曲线如图4.10所示。该曲线可划分为三个工作区：线形放大区、正向饱和区和负向饱和区。运放工作在线性区：理想运放的差模输入电压等于零理想运放的输入电流等于零理想运放工作在饱和区（开环）：理想运放的输出电压uo只有两种可能：两个输入端的输入电流也等于零图4.10集成运放的传输特性2.理想运放的特征理想运放特征可概括为“三高一低”：差模开环电压放大倍数高（Ao→∞）；开环输入电阻高（rio→∞）；共模抑制比高（KCMR→∞）；开环输出电阻低（roo→0）。根据Ao→∞以及rio→∞可得到在线形应用时的两条重要结论：（1）虚短：因Ao→∞，Ui→0，反相输入端电位V_与同相输入端电位V+相等：V_=V+（2）虚断：因rio→∞，Ui→0，反相输入端电流I_与同相输入端电流I+都为零：I_=I+=0集成运放是多级放大器，具有极高的电压放大倍数，因而极易产生自激振荡，需外接补偿电路以消除振荡；此外，还需外接调零电路，以便在输入信号为零时将输出电压调整为零。常用的几种型号的运放采用内补偿，不需外接补偿电路，如F007、LM358、LF347等。运算放大器（简称运放）是一种高放大倍数的多级直接耦合放大器，具有可靠性高、使用方便、放大性能好（放大倍数高、频带宽、零点漂移低）的特点，广泛应用在信号的放大、运算、处理等各个方面。本章着重介绍运算放大器的基本特性和功能，了解运算放大器的广泛用途，为正确使用运算放大器提供必须的基本知识。本章是本课程的重点章节之一，应着重掌握以下内容：（1）集成运放工作在线性区和非线性区的条件和特点（2）比例运算电路的结构、特点，Uo与Ui的特点（3）求和运算电路的结构特点，分析方法（4）积分运算电路的结构，输出输入关系（5）简单电压比较强的分析方法，会计算UT，花电压传输特性，画UO波形本章内容（1）集成运放应用基础（2）运算电路（3）有源滤波电路（4）电压比较器7.1集成运放的应用基础复习：上一章介绍了集成运放的符号及集成运放的电压传输特性如图示由电压传输特性曲线知，集成运放有线性工作区和非线性工作区集成运放的最大输出电压610,12odOMAVU则最大线性输入电压为vUi1210126max，即只有vUi12时运放才工作在线性区。可见集成运放开环应用不能工作在线性区，要使集成运放工作在线性区，必需在集成运放外部电路引入负反馈。7.1.1理想运放的条件理想条件：0,0,,0,,,0ioIOicidodIUCMMRrrrA等用理想运放代替实际运放所产生的误差工程上是允许的7.1.2理想运放工作在线性区的特点在线性区)(0UUAUod00odAUUUUU虚短路0idirUUI虚开路虚短路、虚开路是分析集成运放线性应用电路的出发点。