第1单元运算放大器及其应用

《第1单元运算放大器及其应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1单元运算放大器及其应用（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第1单元 运算放大器及其应用,1.1 运算放大器的简单介绍,1.2 运算放大器在信号运算方面的应用,1.4 运算放大器在波形产生方面的应用,1.3 运算放大器在信号比较方面的应用,1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。 2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理想 运算放大器并掌握其基本分析方法。 3. 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理。 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。,本单元要求,第1单元 运算放大器及其应用,1.1 集成运算放大器的简单介绍,1.1.1 运算放大器的基本结构特点,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展

2、最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,Auo 高: 80dB140dB rid 高: 105 1011 ro 低: 几十 几百 KCMR高: 70dB130dB,电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,同相 输入端,输出端,反相 输入端,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,1.1.2 运算放大器的主要技术指标,1. 最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失

3、真关系的最大输出电压。,2.开环差模放大倍数Aod 运放在开环时的差模电压放大倍数（用增益分贝数dB表示） 。,6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3. 输入失调电压 Uio 4. 输入失调电流 Iio 5. 输入偏置电流 IB,7. 共模抑制比CMRR 运放的差模放大倍数与共模放大倍数之比（用增益分贝数dB表示）。,8. 输入电阻ri 运放开环时，输入差模信号引起的电压变化与电流变化之比值。,9. 最大输入差模电压Uidmax,10. 最大输入共模电压Uicmax,11. 单位增益带宽fc 即增益

4、为1倍时的带宽。,12. 转换速率SR 运放在大信号输入条件下，输出信号从负峰值所能达到的最大变化率。,13. 静态功率PE及静态电流IE 运放静态时的电源功耗及电源电流。,1.1.3 理想运算放大器及其分析依据,1. 理想运算放大器,Auo ， rid ， ro 0 ， KCMR ,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,3. 理想运放工作在线性区的特点,因为 uo = Auo(u+ u ),所以(1) 差模输入电

5、压约等于 0 即 u+= u ,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,Auo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。,O,4. 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),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),u+ u,uo,Uo(sat),+Uo(sat),O,饱和区,不存在“虚短”现象,A741 LM358 LM324 LM311 LM339,1.1.4 通

6、用运算放大器简介,高速型 高阻型 高压型 高精度型 大功率型 低功耗型,1.1.5 特殊类型的运算放大器,1.1.6 运算放大器使用时的注意事项,消除自激振荡 运放内部一般都有消振元件，无需外接消振元件。 输入限幅保护 使用时，经常在输入端接有两个相反并联的二极管。 输出限幅保护 可以在输出端接上稳压管限幅电路。 电源保护 为了防止运放因电源反接而损坏，可以在电源接线端各接1个二极管。,1.2 运算放大器在信号运算方面的运用,集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。,运算放大器工作在线性区时，

7、通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。,1.2.1 比例运算,1. 反相比例运算,（1）电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,（2）电压放大倍数,因虚短, 所以u=u+= 0， 称反相输入端“虚地” 反相输入的重要特点,因虚断，i+= i = 0 ，,所以 i1 if,因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 / RF,结论：, Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加 在反相输入端

8、。, Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。, | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。, 因u= u+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”。,例：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：1. Auf 、R2 ； 2. 若 R1不变，要求Auf为 10，则RF 、 R2 应为 多少？,解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5,R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k,2. 因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =10

9、0 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k,2. 同相比例运算,因虚断，所以u+ = ui,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,因虚短，所以 u = ui ， 反相输入端不“虚地”,因要求静态时u+、u对地电阻相同， 所以平衡电阻R2=R1/RF,结论：, Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加 在同相输入端。, Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。, Auf 1 ，不能小于 1 。, u = u+ 0 ，反相输入端不存在“虚地”现象。,当 R1= 且 RF = 0 时，,uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。

10、,由运放构成的电压跟 随器输入电阻高、输出 电阻低，其跟随性能比 射极输出器更好。,左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。,例：,交流信号三分配放大器 此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。 R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号，形成三路分配输出。,负载电流的大小 与负载无关。,例2：负载浮地的电压-电流的转换电路,1. 能测量较小的电压； 2. 输入电阻

11、高，对被 测电路影响小。,流过电流表的电流,1.2.2 加法运算电路,1. 反相加法运算电路,因虚短, u= u+= 0,平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RF,因虚断，i = 0,所以 ii1+ ii2 = if,2. 同相加法运算电路,方法1: 根据叠加原理 ui1单独作用(ui20)时，,同理，ui2单独作用时,方法2：,平衡电阻： Ri1 / Ri2 = R1 / RF,u+,u+=?,也可写出 u和 u+的表达式，利用 u= u+ 的性质求解。,1. 输入电阻低； 2. 共模电压低； 3. 当改变某一路输入电阻时， 对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点： 1. 输入电阻

12、高； 2. 共模电压高； 3. 当改变某一路输入电阻时， 对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,1.2.3 减法运算电路,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法1：,如果取 R1 = R2 ，R3 = RF,如 R1 = R2 = R3 = RF,R2 / R3 = R1 / RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量 放大电路,分析方法2：利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。,u+,三种比例运算电路之比较,ui,在分析比较复杂的运算电路时，要抓住以下几点：,1、认清每一个运放的运算功能。 2、利用虚短和虚断等重要概念，确定电路中某些特殊点的

13、电位或某些电流之间的关系。 3、以此为突破口，确定整个电路的运算关系。,由三运放组成的测量放大器,在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等) 的变化转换为电信号(电压或电流) ，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小 ( 一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。,当传感器工作环境恶劣时，传感器的输出存在着各种噪声，且共模干扰信号很大，而传感器输出的有用信号又比较小，输出阻抗又很大，此时，一般运算放大器已不能胜任，这时可考虑采用仪表放大器（数据放大器、测量放大器）。,测量放大器的原理电路,对A1和A2有,对A3有,改变

14、R1的阻值，即可调节电压放大倍数,三运放电路是差动放大器，放大倍数可调。,由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。,1.2.4 积分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1 = if,if =?,当电容CF的初始电压为 uC(t0) 时，则有,若输入信号电压为恒定直流量，即 ui= Ui 时，则,积分饱和,线性积分时间,线性积分时间,Uo(sat),ui = Ui 0,ui = Ui 0,采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故 uo 是时间 t 的一次函数，从而提高了它的线性度。,输出电压随时 间线性变化,Ui,Ui,将比例运算和积分运算结合在一起，就组成 比例-积分运算

15、电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。,1.2.5 微分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1 = if,Ui,Ui,比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,if,PID调节器(比例-积分-微分),P,I,D,P、I:提高精度; D:提高响应速度.,1.3 运放在信号比较（处理）方面的

16、应用,有源滤波器,滤波器是一种选频电路。 它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。,无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。,缺点：低频时体积大，很难做到小型化。,优点：体积小、效率高、频率特性好。,按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,模拟开关,模拟输入信号,1. 电路,1.3.1 采样保持电路,采样保持电路，多用于模 - 数转换电路（A/D）之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。,用于数字电