运算放大器

17.1集成运算放大器基本结构7.2集成运放的线性应用7.3集成运放的非线性应用7.4集成运放的使用常识第七节集成运算放大器27.1集成运算放大器基本结构将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。集成电路:优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类:模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路一、集成电路的分类集成电路简称IC（IntegratedCircuit），是通过特殊的半导体工艺方法，把晶体管、电阻及电容等电路元器件和它们之间的连线，全部集成在同一块半导体基片上，最后再进行封装，做成一个完整的电路。集成电路按其功能的不同，可以分为数字集成电路和模拟集成电路；按模拟集成电路的类型来分，则又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数/模和模/数转换器以及集成锁相环等。二、集成电路脚位序列的判定规则汽车中的集成电路常用的外形有三种：单列直插式、双列直插式、四方扁平式，如图6-1-1所示。对于单列直接插式IC的脚位识别：打点或带小坑的为1脚，按从左到右的顺序数，如图中6-1-1（a）所示。对于双列直插式、四方扁平式的脚位识别：从起始脚开始，按逆时针方向数，一般打点或带小坑的为1脚，有的IC是以缺口槽为起始标志，正对缺口槽，左下脚就为1脚，如图6-1-1中（b）、6-1-1（c）所示。10ri高:几十kM运放的特点：KCMRR很大ro小：几十~几百Ao很大:104以上~107理想运放：“三高一低”riKCMRRro0Ao运放符号：＋－u－u+uo三、运放的特点和符号－＋＋u－u+uo11四、运算放大器的传输特性uiuo+UOM-UOMui_++A0uoAo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。12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。理想运放工作在线性区的条件：在运放的输出与输入之间加深度负反馈。0Air0ro)uu(Au0ouu0ii放大倍数与负载无关，可以分开分析。虚短路虚断路7.2集成运放的线性应用一、工作在线性区的特点13运放线性运用信号的放大、运算有源滤波电路_++A0二、集成运放的线性应用141.信号的比例运算电路(1)反相比例运算放大器uo0uui1iFi1=iFFo1iRuRu10RRuuAFiu平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。R2=R1//RF_++RFR1R2uiU-U+i-i+二、集成运算放大器组成的几种基本放大器电路1．反相放大器反相放大器电路如图6-2-2所示。输入信号uI经电阻R1加到反相输入端，同相输入端经R2接地，电阻Rf跨接在反相输入端和输出端之间，形成一个负反馈放大器。反相放大器的放大倍数：Af=-Rf/R1式中，Af为负值，表明集成运放输出电压与输入电压反相，所以叫反相放大器。而且，Af仅取决于Rf/R1的比值，而与集成运放本身无关。电阻R2叫平衡电阻，其作用是保证放大器稳定工作。2．同相放大器同相放大器电路如图6-2-3所示。输入信号uI经电阻R2加到同相输入端，反相输入端经R1接地，负反馈由电阻R，接到反相输入端而形成。放大倍数：Af=1+Rf/R1Af大于零，表明输出电压uO与输入电压uI同相。如果将R1=∞（开路）或Rf=0，则Af=1。构成的电路称为电压跟随器，如图6-2-4所示。电压跟随器一般作为信号与其负载之间的缓冲隔离。3．差分放大器如果两个输入端都有信号输入，就构成了差分放大器，如图6-2-4所示。差分放大器放大能是两个输入信号的差，输出电压uo与两个输入电压的关系是：uo=Af（uI1-uI2）放大倍数：Af=Rf/R1407.3集成运放的非线性应用所谓非线性应用是指，由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。44一、处于非线性状态运放的特点1、虚短路不成立。2、输入电阻仍很大3、i+=i–0,仍存在“虚断”现象输出只有两种可能,+Uom或–Uom当u+u–时，uo=+Uom)u+u–时，uo=–Uomu+–u–uo–Uom+UomO饱和区451.限幅器tuiu0tUZ-UZ-+AuoR1RFuiDZR+二、集成运放的非线性应用46另一种形式的限幅器：uoui0+UZ-UZ传输特性-+AuoR1RFuiDZ+472.电压比较器++uouiURuoui0+Uom-UomUR电压比较器简称比较器。它是一种把输入电压（被测信号）与另一电压信号（参考电压）进行比较的电路。比较器输入的是连续的模拟信号，输出的是以高、低电平为特征的数字信号，即“1”或“0”。因此，比较器可以作为模拟电路与数字电路的接口。48uoui0+UZ-UZ++uoui（1）过零比较器参考电压为0的比较器称为过零比较器。根据输入方式的不同又可分为反相输入式和同相输入式两种。反相输入式过零比较器的同相端接地，而同相输入式过零比较器的反相端接地。49++uouituituo+Uom-Uom例：利用电压比较器将正弦波变为方波。50++uiuoUZuoui0+UZ-UZ（2）稳定输出电压51（3）应用实例如需要对某一参数（如压力、温度、噪声等）进行监控，可将传感器输出的监控信号ui送给比较器监控报警，图7.22所示的是利用比较器设计出的监控报警电路。52当时，比较器输出负值，晶体管VT截止，指示灯熄灭，表明工作正常。当时，被监控的信号超过正常值，比较器输出正值，晶体管VT饱和导通，报警指示灯亮。电阻R决定于对晶体管基极的驱动程度，其阻值应保证晶体管进入饱和状态。二极管VD起保护作用，当比较器输出负值时，晶体管发射结上反偏电压较高，可能击穿发射结，而VD能把发射结的反向电压限制在0.7V，从而保护了晶体管。RiUuRiUu二、电压比较器在汽车电子电路中的应用1．简单电压比较器（1）基本电路简单电压比较器的电路如图6-3-4（a）所示，输入信号加在反相端，是一个反相输入电压比较器。UTH是基准电压，uI=u-，UTH=u+。当uIUTH时，即u-u+，比较器输出等于零，即uO=0；当uIUTH时，即u＋u-，比较器输出uO=＋VCC其传输特性如图6-3-4（b）所示。比较器的输出发生跳变的条件是：uI=UTH，通常将UTH称为阈值电压（或门槛电压）。简单电压比较器的特点就是只有一个阈值电压，当输入电压在阈值电压附近变化时，输出信号就会发生跳变。（2）简单电压比较器在汽车电子电路中的应用如图6-3-5所示为氧传感器与ECU连线原理图。●操作：如图6-3-6所示为蓄电池电压过低报警电路。该电路由集成运放LM741、稳压管、发光二极管及一些电阻组成。2．窗口电压比较器（1）基本电路简单电压比较器特点是：当输入电压uI单方向变化时，输出电压uO只跳变一次，只能检测一个电平，如果要判断输入电压uI是否在两个电平之间，应该采用窗口比较器。窗口比较器是有两个阈值电压不等的简单比较器组成的，阈值小的采用反相接法，阈值大的采用同相接法，电路如图6-3-14（a）所示。由图中可以看出，两个简单比较器的阈值分别是UTHL和UTHH而且UTHHUTHL。当输入电压uIUTHH时，uIUTHL，则输出电压u01=UOH，二极管VD1导通；u02=UOL，VD2截止，输出电压u0≈u01=UOH。当输入电压uIUTH时，uIUTHH，则输出电压u01=UOL，二极管VD1截止；u02=UOH，VD2导通，输出电压u0≈u02=UOH。当输入电压UTHLuIUTHH时，输出电压u01=u02=UOL二极管VDI、VD2都截止，输出电压u02=0V。UTHL和UTHH是窗口比较器的两个阈值电压。其传输特性如图6-3-14（b）所示。（2）窗口比较器在汽车电子电路中的应用在汽车充电系统电路中，当电压过低或过高时，报警器发出警报，这就是汽车充电系统电压监视器电路。电路如图6-3-15所示。当充电系统电压大于14.5V时，A1反相端检测到的电压和同相端检测到的电压都大于基准电压，比较器A1输出电压为零，三极管VT1不能导通，LED1（黄色）)不亮；比较器A2输出电压为电源电压，驱动三极管VT2导通，发光二极管LED2（红色）发光，指示电压过高。当充电系统电压小于12V时，A1反相端检测到的电压和A2同相端检测到的电压都小于基准电压，比较器A2输出电压为零，三极管VT2不能导通，LED2（红色）不亮；比较器A1输出电压为电源电压，驱动三极管VT1导通，发光二极管LED1（黄色）发光，指示电压过低。当电压介于12～14.5V之间时，A1反相端检测到的电压大于基准电压，比较器A1输出电压为零，三极管VT1不能导通。A2同相端检测到的电压小于基准电压，比较器A2输出电压为零，三极管VT2不能导通。LED1（黄色）和LED2（红色）都不亮，指示电压正常。65一、调零集成运放通常有零输入-零输出的要求。当输入信号为零，而输出不为零时，需要有调零措施。一般是将输入端对地短接，利用外接调零电位器或专用调零电路调整，使输出电压为零，如图所示。集成运放调零电路8.4集成运放的使用常识66二、消除自激振荡集成运放的开环放大倍数很大，其内部存在晶体管的极间电容及寄生电容。使用时，引入深度负反馈，容易引起自激振荡，使电路无法正常工作，为此必须设法消振。消振的方法是：通过补偿端外接RC消振电路或消振电容（补偿电容）。具体参数和接法可查阅使用说明书，并通过实验调整来确定。至于是否消振，可将输入端接“地”，用示波器观察输出信号有无自激振荡信号。消振应在调零之前进行。67外接消振元件（a）RC消振电路；（b）消振电容C68三、保护电路1.电源极性保护右图所示的是电源极性保护电路。它是利用二极管的单向导电性，在正、负电源引线上分别串联二极管，当电源极性错接成上负下正时，两只二极管都截止，相当于电源断路，从而达到保护目的。图电源极性保护692.输入保护它是利用两个反向并联的二极管，将输入信号幅值限制在二极管的正负导通电压内，以防止输入信号超过额定值，造成集成运放输入级损坏。703.输出保护它是利用两个反向串联的稳压管，把输出电压幅值限制在稳压管的正、负稳压值内，以防止输出端出现过高电压而损坏集成运放。此电路也可当做限幅器使用71第十节三极管的开关应用驱动蜂鸣器的三极管开关电路晶体管调节器无触点闪光器72驱动蜂鸣器的三极管开关电路HA为声响指示器，采用低电压（3V）蜂鸣器，其工作电流仅需十几个毫安。将电路中的控制开关S换成弹簧管开关，就改造成磁控声响电路。将电路中控制开关S换成光敏电阻器或光敏二极管，就成为光控声响电路。可以做为保险柜防盗报警，在打开柜门时，由于磁铁离开弹簧管或者保险柜外光线照射而报警。73晶体管调节器74无触点闪光器75第八章结束