第七章 集成运放的应用电路

1第七章集成运算放大器的应用电路7.1理想运算放大器7.2基本运算电路7.3非正弦波产生电路7.4有源滤波电路27.1.1理想运算放大器的技术指标：开环差模电压增益：odA差模输入电阻：idr输出电阻：0or共模抑制比：CMRK－3db带宽：Hf输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流及它们的温漂均为零。IOUIOIIBI7.1理想运算放大器3由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。一、在分析信号运算电路时对运放的处理+-uuou47.1.2运放工作在线性区时的特点1.理想运放的差模输入电压等于零)uu(Auoo0odoAuuu即uu2.理想运放的输入电流等于零idr所以两个输入端均没有电流0ii虚短虚断57.1.3运放工作在非线性区时的特点uiuo+UOPP-UOPP1.理想运放的输出电压Uo只有两种可能当oppooppoUuuuUuuu时，时，2.理想运放的输入电流等于零0ii例：若UOPP=12V，Ao=106，则|ui|12V时，运放处于线性区。Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。不再有“虚短”的关系6二、分析运放组成的线性电路的出发点•虚短路•虚断路•放大倍数与负载无关，可以分开分析。0iIuu信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用+-uuouiI77.2.1比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。7.2基本运算电路8为提高精度，一般取f12//RRR1.比例运算电路vIvO-+RfR1AvNvPR2由第4章可知，电路为电压并联负反馈电路。0PNvv即电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立。（1）反相比例运算电路利用虚短和虚断得fON1NIRvvRvvI1fOvRRv运算放大器输入端无共模信号运算电路输入电阻较小510A由于运放的增益一般有，。11FA所以输出与输入反相平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。9共模电压02uu反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！vIvO-+RfR1AvNvPR210反相比例电路的特点：1.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，ri=ui/ii=R1，因此对输入电流有一定的要求。4.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。11例：求Au=?I1I2I4I3Muo_+R2R1RPuiR4R3利用虚断的概念112RuiII220RIuMiRRu12303RuMI132RuRRi当R3R2时，I3I1因而I4＝（I2＋I3）比I1大得多)(32422IIRRIUo34242)(IRIRR13241)(42RURRRRUiiRR)1(342142//RRRRRRUUuioA该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。122.同相比例运算电路uN=u_P=ui1RuRuuifioifouRRu)1(1反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。111RRuuAfou虚短虚断结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。vIvO-+RfR1AvNvP13同相比例电路的特点：3.因为u-=u+=ui，不存在“虚地”现象，共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。14iouuuu此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。vIvO-+AvNvPIOvv157.2.2求和运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。161.反相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。FPR//R//RR1211R2RfR1vS2vS1iIvON+-Rp170uufiii1211)(212111ififouRRuRRuuo调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。i12ifi11R12_++RfR11ui2RPui1182.同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。22211R//RR//RF-R1RF++ui1uoR21R22ui219此电路如果以u+为输入，则输出为：uRRuFo)1(1))(1(212111111211121iiFouRRRuRRRRRu注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）22221211222122iiuRRRuRRRu-R1RF++ui1uoR21R22ui220左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：1.虚开路：流入同相端的电流为0。2.节点电位法求u+。-R1RF++ui1R21R22ui2R´'2221211RuRuuRuui'2221////),(222211RRRRRupRuRupii其中即oRRRuuf11uu而)()1(2222111RuRupRRoiifRuuo21uouu11RuuRuuifofiRuRuu12)(121iifouuRRu解出：7.2.3减运算电路（差动放大器）_+RfR1R1ui2R2ui122差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。Rf_+R1R1ui2R2ui123单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。uo643521R//R//RR//R//RR2_+R5R1ui2ui1R4ui4ui3R3R624))(////(4433643RuRuRRRuiiuu52211RuuRuuRuuoii虚短路虚开路虚开路)(])111([44332211552122115RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiiiio643521R//R//RR//R//RR2_+R5R1ui2ui1R4ui4ui3R3R625例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui326(2)求各电阻值。FRRRRR//////3421)(332211RuRuRuRuiiiFok240FRuo=10ui1+8ui2-20ui3k241Rk302Rk123Rk804R-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui327优点：元件少，成本低。)(443322115RuRuRuRuRuiiiio缺点：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的调整计算不方便。单运放的加减运算电路改进：采用双运放电路。28双运放的加减运算电路25461213FFR//R//RR,R//R//RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R629例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0~+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路A/D计算机uiuouo=0.5ui+2.5V30uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V)5(5.0)5(20101iiouuu)5(5.020201ioouuu_+10k20k+5V5kui20kuo1uo_+20k20k10k31三运放电路uouo2uo1R1R1–A3R2R2++A1–A2RRRWui1ui2ab+321iauu2ibuuWbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRR虚断：虚短：+A–ARRRWui1ui2ab+1ou2ou33)(21212iiWWouuRRRRRu•三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。•由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。)(1212ooouuRRuR1R1–AR2R2+1ou2ouou34例：由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt：热敏电阻集成化:仪表放大器uoR1R1R2R2+RRRWE=+5VRRRRtuiA1+A1+A135Rt=f(T°C)ERRRREERRRutttti)(22ERRRRRRRRRuRRRRRuttWWiWWo)(2221212uoR1R1R2R2+RRRWE=+5VRRRRtuiA1+A1+A1361.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。比例运算电路与加减运算电路小结37Ruii1dtduCioFdtuRCuio1uit0tuo0输入方波，输出是三角波。积分运算应用举例1：7.2.4积分运算电路i1iFui-+RR2Cuo38u–=u+=0RuioFdtduCii1Fii1dtduRCuiouit0t0uotuisin若输入：则：)90sin(cosotRCtRCuo微分运算ui–+uoRR2i1iFC7.2.5微分运算电路39toUdtRCu01MomUTRCU1URCUTomMtui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。40其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。41比例、积分、微分运算电路---PID电路dtuCRdtduCRuCCRRuIIIo211221121)(7.2.6PID调节电路4211RuiiifdtuCRuRRuRiuiFiFCFfo111dtuCRdtiCuiFfFc111uiuo∞++-R2CFi1R1PI调节器ifucRF-+A1比例积分运算电路-PI调节器比例微分运算电路-PD调节器uiuo∞++-R2CFi1R1PD调节器ifucR-+A1C)dd(i1OtuRCuRRui43运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用“虚断(ii=0)”和“虚短(u+=u–)”分析给定运算电路的放大倍数。441.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进