集成运算放大电路(精)

18.3集成运算放大电路8.3.1集成运算放大器的理想化条件8.3.2基本运算电路8.3.3信号测量电路8.3.4信号处理电路8.3.5波形产生电路8.3.6集成运放使用中的问题2将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小集成电路分类：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；8.3集成运算放大器集成电路的概念集成电路:1.电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。2.输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。3.NPN管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能。4.大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。特点：HOME3集成运算放大器的原理电路T3T4T5T1T2IS与uo反相u+u–反相输入端同相输入端与uo同相输入级中间级输出级对输入级要求：尽量减小零漂,提高KCMRR，输入阻抗ri尽可能大对中间级要求：足够大的电压放大倍数。对输出级要求：带负载能力强,有足够的输出电流io.输出阻抗ro小8.3.1HOME4集成运放芯片＋－u－u+uo－＋＋uo∞国际符号三种封装形式：圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装已经不用正在使用外形符号u+u-u0均为对地电压u-u+u+u-uo8.31HOME5uiuo+UOM-UOMuiuo_++AoCoOMEuUmax例：若Ec=12V，Ao=106，则|ui|12V时，运放处于线性区。线性放大区8.3.1集成运算放大器的理想化条件饱和区HOME61.开环差模电压放大倍数Ad趋于无穷4.共模抑制比KCMMR趋于无穷2.差模输入电阻rid趋于无穷3.输出电阻ro趋于08.3.1、集成运放的理想化条件5.带宽趋于无穷1.理想运放具有如下特点HOME7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。理想运放的条件oAir0or)uu(Auoo虚短路uu0iI输出电压恒定，放大倍数与负载变化无关。带负载能力极强。虚开路运放工作在线性区的特点2.运放工作在线性区的两个重要特性HOME8分析运放组成的线性电路的基本原则•虚短路•虚开路•放大倍数与负载无关。0iIuuu+uo_++u–Ii信号的放大、运算滤波电路运放线性应用HOME9HOME10＋uo∞idRu-u+iiuo3.电压传输特性uomuid实际传输特性理想传输特性线性区非线性区非线性区-uomuidAo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工作于线性区。HOME11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。电路结构：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样放大倍数与运放本身无关，只与反馈系数即外部元件有关。8.3.2基本运算电路HOME120uui1=i221RuRuoi121RRuuAou.放大倍数虚短路虚开路1.反相比例运算电路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。电压并联负反馈uo_++R2R1RPuii1i2总电流反馈电流净输入电流HOME13.电路的输入电阻ri=R1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。RP=R1//R2uo_++R2R1RPuii1i2为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。HOME14.共模电压02uu电位为0，虚地输出电阻小；共模电压为0；“虚地”是反相输入的特点。_++R2R1RPuii1i2.反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小，输入电阻也不大。HOME15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。接近恒压源。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此从信号源取的电流较大。对信号源要求较高。5.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。4.输入和输出反相。HOME162、同相比例运算电路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui12RuRuuiioiouRRu)1(12反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。1211RRuuAou虚短路虚开路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。虚开路udiufHOME17同相比例电路的特点：3.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。4.输入与输出同相，放大倍数大于等于1。HOME18_++uiuoiouuuu此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立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。HOME193.加减运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和与反相求和。电路结构：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。HOME20（1）加法运算电路R12_++R2R11ui2uoRPui1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图8.22加法运算电路HOME210uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1可用叠加法求虚地HOME22VuRRuRRuIFIFO8)210201520()(212111在图8.22所示的反相加法运算电路中，若R11=5kΩ，R12=10kΩ，RF=20kΩ，uI1=1V，uI2=2V，最大输出电压Uom=±12V。求输出电压uo。解：因uo＜Uom，故电路工作在线性区，可实现反相加法运算。例8.4HOME23_++R2R1R1ui2uoR2ui1uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：（2）减法运算电路：双端输入差动放大器叠加法图8.23减法运算电路HOME24设计一个简单的电压比较器，要求如下：UREF=2V；输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V；当输入电压大于2V时，输出为低电平。解：因输入电压大于2V时，输出为低电平。故输入信号应加在反相输入端，同相输入端加2V的参考电压。又因输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V，故可采用具有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为6V。例8.6HOME25图8.38[例8.6]的电路图当输出低电平时，稳压管稳定电压为6V，故输出电压为-6V。综上所述，满足设计要求的电路如图8.38所示。当输出高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为0.7V，故输出电压为0.7V；HOME26_++R2R1R1ui2uoR2ui1差动放大器放大了两个信号的差，可实现减法运算。该电路的特点是：由于采用双端差动输入，故具有高共模抑制比；但是由于有并联负反馈存在，故它的输入电阻不高。HOME271.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HOME28i1iFRuii1dtduCioFdtuRCuio1ui-++RR2Cuo4.积分运算电路由于是反相积分故为负例一HOME29tui0tuo0toUdtRCu01U-UomMomUTRCU1URCUTomMTM积分时限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。恒流充电，故积分效果好。几乎线性，不是指数充电。HOME30tui0tuo0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。输入方波，输出是三角波。例二也可以构作同相微分和同相积分电路，则输出为正，输入与输出同相。HOME31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。HOME32u–=u+=0RuioFdtduCii1Fii1dtduRCuiot0uoui–++uoRR2i1iFCtuisin若输入：则：)90sin(costRCtRCuo5.微分运算电路HOMEuit033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“虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u–)”分析给定运算电路的放大倍数。HOME348.3.3信号测量电路1.电压-电流变换器R1R1++AR2R2uoUsRLIL（1）接地负载的电压-电流变换器1RUISL自己推导HOME35（2）悬浮负载的电压-电流变换器要求：输出电阻大。所以，要有电流负反馈。负载悬地！（a）反相电压—电流变换器（b）同相电压—电流变换器图8.27悬浮负载的电压—电流变换器HOME36_++R2iIRFFIFFoRiRiuiF0UU21II基本的电流—电压变换器uo2.电流—电压变换器HOME37典型的电流—电压变换器_++R2iLRFiFUs+-uov0UULFiiFLFFoRiRiuHOME38把表头改装成灵敏度较高、输入电阻较大的电压表。_++RFRGF输入电阻大，相当于电压表的内阻是。IG正比于UXFXFFGRURUI若：RF=10，表头的满偏电流IGmax=100A，则：满偏电压Uxmax=IGmaxRF=1mV3.电压、电流的测量UxIG虚短路虚开路（1）电压测量HOME39此电路的优点：(1)量程由表头的满偏电流IG和电阻RF决定。RF选用小电阻，能测量较小的电压；(2)输入电阻高，对被测电路影响小；(3)测量值与表头内阻RG无关，表头的互换性好；(4)RF小，可以做得较精密。因此能较准确地测量小电压。UX=UF=RFIGHOME40电压表扩大量程_++RFRGFIG1mV表头分压电阻的计算取R1=100kmV1mV10211RRRmV1mV1003211RRRRR2=900k,R3=1MR1R2R31mV10mV100mV图8.30多量程直流电压表HOME41_++RFRGF1mV表头10010A10100A11mA表头的满偏电压UG=IGRF=1mV（2）.电流测量+RU–=UF=IGRF，U–=U+=IXRIGIXGFXIRRI图8.31多量程直流电流表HOME424.测量放大器uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRw+E=+5VRRRRtuiRt：热敏电阻选择合适的电阻，使输出电压与温度之间有某一比例关系，由此可实现温度测量及控制。测温电桥图8.33测量放大器us1us2HOME43(1)热敏电阻Rt和R组成测量电桥。当电桥平衡时us1=us2，相当于共模信号，故输出uo=0，若测量桥臂感受温度变化后，产生与ΔRt相应的微小信号变化Δus1，这相当于差模信号，能进行有效地放大。(2)三个集成运放分为二级。第一级由A1和A2组成对称差分放大电路，它们均为同相比例放大器，具有串联反馈的形式，输入电阻很大。第二级是A3，它是差分放大器，具有抑制共模信号的能力。由图8.33可知：HOME44非线性应用：是指运放处于非线性工作状态，即工作在饱和区。此时，输出与输入uo=f(ui)是非线性函数关系。运放组成非线性电路主要有以下两种形式：运放处于开环uo+