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1、集成运算放大器的应用电路,全有文档 ,1 基本运算电路,2 有源滤波电路,4 集成运放的使用注意事项,3 电压比较器和矩形波发生器,本章小结,1 基本运算电路利用集成运放实现数学运算的电路，通常接成负反馈。 1.1 比例运算放大器1.反相输入比例运算电路 电路如图1所示:,图1 反相输入比例运算电路,由分析可知，图1就是电压并联负反馈放大器， 由第5章得：,（1）,（1）式表明：输出电压与输入电压成比例关系，且相位相反。由于输入信号是从集成运放反相输入端输入的，故称之为反相输入比例运算电路。,当R1=Rf 时, 输出电压与输入电压大小相等,相位相反,故称为反相器。,2. 同相输入比例运算电路电
2、路如图2（a）所示,图2（a）同相输入比例运算电路,经分析知 ：该电路为电压串联负反馈放大电路， 由第5章得：（2）式表明，输出电压与输入电压成比例关系，且相位相同。由于输入信号是从同相端输入的，故称为同相输入比例运算电路。若令 =0, R1，电路如图2 (b) 所示,(2),在图2 (b) 中由于u+=u-，u- u+=ui，u-=uo因而电压放大倍数Auf1，表明uo跟随ui而变化，故有电压跟随器之称。,图2（b）电压跟随器,1.2加法运算如图3所示。,图3 加法运算电路,根据“虚断”的概念可得： ，其中再根据“虚短”的概念可得 则 (3 )实现了各信号按比例进行加法运算。 如取R1=R2
3、=Rn=Rf则 u0= -( ui1+ui2+ uin) ，实现了各输入信号的反相相加。,1.3减法运算1. 反相输入求和式减法器电路如图4所示。,图4 反相输入求和式减法器,图中，第一级为反相输入比例器，若 =R1，则第 一级为反相器，u01= -ui1；第二级为反相输入加法器。 令R2=R3，于是有,若R2R3,可实现两信号各自乘以比例系数后再相减， 即,2.差动式减法器电路如图5所示。,图5 差动式减法器,首先，令,单独作用时，电路成为反相比例运算电路。如图6（a）所示,=0，当,其输出电压为,再令,=0, 当,单独作用时，电路变成为同相输入比例运算电路。如图6（b）所示。,图6（b）u
4、i1单独作用时,这样,当R1=R2=R3=Rf =R时,uo=ui1-ui2,该电路成为减法器。,(6),同相端电压为：,其输出电压为：,1.4 微积分运算 1. 积分运算 电路如图7所示。,图7 积分运算电路,进行充电。假设电容C的初始电压为零，那么,=,(8),上式表明，输出电压为输入电压对时间的积分， 且相位相反。积分电路的波形变换作用如图7（b）所示，它可将矩形波变成三角波形。,在图7中，根据“虚短”的概念， 0,再根据“虚 断”的概念， 0，则 ，即：电容C 以,2.微分运算电路如图8所示。,图8 微分电路,在这个电路中，A点同样为“虚地”，即 ,再根据“虚断”的概念， ，假设电容C
5、的初始电压为零，那么则输出电压 (9)上式表明，输出电压为输入电压对时间的微分，且相位相反。微分电路的波形变换作用如图8（b）所示，可将矩形波变成尖脉冲输出。,0，则,。,1 思考题实现数学 运算的电路均为反馈电路，它们是正反馈还是负反馈？你会用什么方法来分析基本运算电路？在图1中同相输入端所接电阻 R2 起什么作用？比较利用反相输入求和实现减法运算及差动输入减法电路的优缺点。,返回,2 有源滤波电路,2.1 基本概念滤波器是一种能够实现选频的电路，通常把不受衰减或衰减很小的频率范围，叫做“通带”；受很大衰减的频率范围，叫做“阻带”。“通带”和“阻带”的界限频率，叫做截止频率。按照“通带”和“
6、阻带”相互位置的不同，滤波器分为：,(1) 低通滤波器 (2) 高通滤波器 (3) 带通滤波器 (4) 带阻滤波器 滤波电路的幅频特性如图9所示。,图9 滤波电路的幅频特性,2.2 有源滤波器1.有源低通滤波器 (1) 电路组成 图10为有源低通滤波器。,图10 有源低通滤波器,电压放大倍数Au的模值为：,(10),(2) 传输特性,当=0时，,根据截止频率的定义，当,时所对应的频率为截止频率，记为,由（10）式可以看出，当,时，正好满足要求。,电路的截止频率 。其幅频特性 如图11所示。,图11 有源低通滤波器的幅频特性,在实际电路中，低通滤波器用来除掉电子机器和电机等产生的噪声（高频干扰信
7、号）。如图12所示：,图12 低通滤波器消除噪声,2. 有源高通滤波器若把图10中的R和C的位置调换，就成为有源高通 滤波器，如图13所示。,图13 有源高通滤波器,3. 带通和带阻滤波器,根据低通、高通、带通和带阻滤波器的理想幅频特性曲线可知，只要低通电路的上限截止频率 大于高通滤波器的下限截止频率 ，则低通电路与高通电路串联，就可构成带通滤波器，其通常也就是二者覆盖部分，即 。若是低通滤波器的上限截止频率 小于高通滤波器的下限截止频率 ，则将低通滤波器与高通滤波器并联可构成带阻滤波器，其构成原理框图及幅频特性如图14所示。,图14 构成带通和带阻滤波器的框图及幅频特性,什么是无源滤波器电路
8、，什么是有源滤波器电 路？按滤波电路选出信号频率的不同，滤波器可分为哪几种？画出高通RC有源滤波电路和幅频特性，并与低通滤波器加以比较。,返回,2 思考题,3 电压比较器和矩形波发生器3.1 电压比较器电压比较器的基本功能是比较两个或多个模拟量 的大小，并由输出端的高、低电平来表示比较的结果。电压比较器中的集成运放，通常是“开环”或接成 “正反馈”。因而工作于非线性状态。,1. 单门限电压比较器电路如图15 所示,图15 同相输入单门限电压比较器比较器,图中的运放处于开环工作状态，具有很高的开环差模电压增益，所以： 当 时，输出电压为负饱和值 ；当 时，输出电压为正饱和值 ；当 ，电路翻转。将
9、比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平 时，所对应的输入电压 的值称为门限电平UTH，显 然，该电路有一个门限电平，所以称为单门限电压比较 器。其传输特性见图15（b）所示，波形见图15(c)所 示。,由分析可知，使用比较电路时，可根据输出电压的极性判别信号电压的大小。当参考电压UREF=0时，则输入信号电压每次过零，其输出电压都会发生跳变，这种比较器称为过零比较器。单门限电压比较器的优点是电路简单，灵敏度高，但其抗干扰能力差。 提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。,2. 迟滞比较器（1）电路组成,图116 (a) 反相输入滞回电压比较器电路图,（2）门限电平的计算当输出为正向饱和电
10、压 时，将集成运放的同相端电压称为上门限电平，用 表示，则有当输出为负向饱和电压 时，将集成运放的同相端电压称为下门限电平，用 表示，则有,（3）传输特性和回差电压UTH滞回比较器的传输特性如图16 (b) 所示,由以上分析可以看出，该比较器具有“滞回”特性。我们把上门限电压UTH1与下门限电压UTH2之差值称为“回差电压”，用UTH表示，“回差电压”的存在，大大提高了电路的抗干扰能力。只要干扰信号的值小于“回差电压”，比较器就不会因为干扰而误动作。 迟滞比较电路可用于波形整形、波形变换（将正弦波和三角波变成方波）、波形产生等场合。,3.2 矩形波发生器1.电路组成,图17 (a)矩形波发生器
11、电路图,2.工作原理在接通电源的瞬间，假设此时输出电压为正饱和电压+，则同相端的电压为电容在输出电压+的作用下开始充电。当充电电压 升至值时,电路翻转，输出电压由+值翻至-。,同相端电压变为电容开始放电，uc开始下降，当电容电压uc降至值时，输出电压又翻转到 值。如此周而复始，在集成运放的输出端得到了如图17(b)所示的电压波形。,3. 输出信号频率电路输出的矩形波电压的周期，取决于充、放电的R时间常数。可以证明其周期为：则输出信号频率为(14)改变RC值就可以调节矩形波的频率。,怎样分析电压比较器。在图16所示的滞回比较器的输入端加以正弦信号，试画出其输出电压波形。在图17所示的矩形波发生电
12、路中，能否得到一个三角波。,3 思考题,返回,4 集成运放的使用注意事项1. 集成运放的输出调零集成运放的内调零,如图18所示,辅助调零电路如图19所示。,2. 单电源供电时的偏置问题双电源集成运放单电源供电时，该集成运放内部各点对地的电位都将相应提高，因而输入为零时，输出不再为零，这是通过调零电路无法解决的。为了使双电源集成运放在单电源供电下能正常工作，必须将输入端的电位提升，如图20、21所示，其中图20所示电路适用于反相输入交流放大。图21所示电路适用于同相输入交流放大。,3. 集成运放的保护（1） 输入端保护当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，为此，可在输入端加入两个反向并联的二极
13、管，如22所示，将输入电压限制在二极管的正向导通压降以内。,(2) 输出端保护为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护，如图23所示，将两个稳压管反向串联，就可将输出电压限制在稳压管的稳压值UZ的范围内。,(3)电源保护电路如图24所示。,4. 相位补偿,4思考题,双电源集成运放如何在单电源电路中使用？ 集成运放产生自激怎么办？ 对集成运放应采取什么保护措施？,返回,本章小结,1. 基本运算电路和有源滤波电路中的集成运放均接 成负反馈，工作在线性区，“虚短”和“虚断”的概念 是分析这类电路的有力工具。2. 集成运放在组成运算电路时，可实现比例，加 法、减法、微分、积分等数学运算。要求掌握这些电
14、路 的组成及其分析方法。3. 有源滤波电路是由无源滤波器和集成运放构成的 电路，根据选频特性的不同，可分为低通、高通、带通 和带阻滤波器。,4. 将集成运放接成开环或正反馈时，可实现对信号 电压的比较，并以输出电平的高低表示比较的结果。单 门限电压比较器只有一个门限电平。迟滞比较器有两个 门限电平，分析时要时刻注意门限电平的值，从而确定 使输出发生跳变时的输入电压的值，画出电压传输特性 曲线。5. 利用滞回电压比较器加接网络可构成矩形波 发生器，分析时注意门限电平的两个值及电容器上的电 压的变化，当电容器上的电压等于门限电平时，电路会 翻转，从而在输出端产生矩形波。集成运放在使用中应注意调零，消除自激，以及 输入、输出和电源极性的保护。,返回,本 章 完,
