电工学1第9章集成运放

运算放大器(模拟集成电路)实质上是高放大倍数的直接耦合放大器，简称集成运放。9.1集成运算放大器概述运算放大器可实现加、减、乘、除、对数、指数、微分和积分等运算—线性使用。集成运放还可用来进行信号的产生、放大、变换、以及电源稳压和有源滤波等。运放有同相和反相两个输入端，一个输出端，放大倍数和输入阻抗高，输出阻抗低。集成运算放大器内部通常由输入级、中间级、输出级和确定放大器工作状态的偏置电路等四部分组成。运放内部电路框图见P231图9—1。运放的图形符号如图9—2所示。(a)国标符号(b)惯用符号图9—2运算放大器电路图符号运算放大器工作在线性区时，分析依据有两条：1.差模输入电阻rid，i-=i+0(虚断)2.开放电压放大倍数Auo，u+－u-=uo/Auo0u+=u-(虚短)9.3集成运放线性应用的必要条件：引人深度负反馈9.3.1.1比例运算电路InvertingAmplifier1.反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路如图9—6所示。i1图9—6反相输入比例运算电路根据：i-=i+0（虚断）u+=u-（虚短）foifRUURUUii1;1ifOURRU1U-=09.3.1运算电路练习P238-例9-12.同相输入比例运算电路9.3.1.1比例运算电路同相输入比例运算电路如图9—8所示。图9—8同相输入比例运算电路ifi1U+=U-=Ui;110RUiifoifofRUURUUiifOURRU)1(1当R1=(断开），Rf=0（短路）时，则UO=Ui，这就是电压跟随器(VoltageFollower)。如图9－9所示。图9－9电压跟随器fii1练习P240-例9-39.3.1.2加减运算电路输出量与若干输入量之和成比例关系的电路称为加减运算电路。1.反相求和电路反相求和电路(SummingAmplifier)如图9—11所示。Uo)(2211ififOURRURRU当R1=R2=Rf=R时，则上式为：Uo=-(Ui1+Ui2)结论：加法运算电路与运算放大器本身参数无关，只要电阻值有足够精度，就可保证加法运算的精度和稳定度。图9－11反相求和运算电路9.3.1.3减法运算电路DifferenceAmplifier图9—12为减法运算电路图9—12减法运算电路由于是线性电路，故可用叠加定理进行计算。(1)Ui1作用，Ui2=0，有:111ifOURRU(2)Ui2作用，Ui1=0根据分压公式，有：2212iBURRRUBfOURRU)1(12(3)Ui1、Ui2同时作用，则：21OOOUUU11ifURR22121)1(ifURRRRR当Rf=R2,Rf=R1时，有：12iiOUUU多级放大电路（CascadedStages）[例]此图所示的两级运算电路中，R1=50k，RF=100k。若输入电压uI=1V，试求输出电压uO，并说明输入级的作用。[解]A1是电压跟随器uO1=uI=1VA2为反相比例运算电路FOO111001V2V50RuuR∞+－+∞+－+－＋uO－＋uIA1R1uO1RFR1A2R29.3.1.4积分运算电路(TheInvertingIntegrator)用电容Cf代替Rf作为反馈元件，就成为积分电路，如图9—14所示。图9—14积分运算电路)(;11dtduCiRUiiccifdtUCRdtiCUUiffCO111上式表明：Uo与Ui的积分成比例，式中的负号表Uo与Ui反相。9.3.1.5微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算，只需将反相输入端的电阻和反馈电容调换位置，就成为微分电路，如图9—15所示。图9—15微分运算电路dtduCdtduCiic1dtduCRRiRiUiffffO1上式表明：输出电压与输入电压对时间的导数成正比。9.3.2电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo(sat)或–Uo(sat)当u+u－时，uo=+Uo(sat)u+u－时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uou+–u––Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)即uiUR时，uo=+Uo(sat)uiUR时，uo=–Uo(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压uitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t2单限电压比较器：当ui单方向变化时，uo只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURuiUR，uo=+Uo(sat)uiUR，uo=–Uo(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++–––Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t2过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OP245例9—6