集成运算放大器 7

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1、电工电子技术,第7章 集成运算放大器,项目 集成运算放大电路的认识及应用 任务一 集成运算放大器的认识 任务二 学习放大器基本线性运算电路 任务三 学习放大器的非线性应用电路 动手做 用运算放大器实现电压比较的电路,在计算机主板上可以看到一些集成芯片，这些集成芯片体积小、管脚多，应用非常广泛。,（a） 计算机主板,（b）常见集成芯片,图7-1 计算机主板及常见集成芯片,项目引入,输入级：一般采用具有恒流源的双输入端的差分放大电路目的就是减小放大电路的零点飘移、提高输入阻抗。 中间放大级： 电压放大，使放大器有足够高的电压放大倍数。 输出级：一般采用射级输出器构成的电路目的是实现与负载的匹配，使

2、电路有较大的输出功率和较强的带负载能力,图7-2 运算放大器的内部电路框图,1.集成运算放大器的基本组成,偏置电路： 是为上述各级电路提供稳定合适的偏置电流，稳定各级的静态工作点 一般由各种恒流源电路构成。,（a）运算放大器的外形,（b）运算放大器的图形符号,（c ）运算放大器的管脚,图7-3 LM741集成运算放大器的外形、图形符号和管脚图,（1）输入和输出端两个输入端u、u和一个输出端uO 反相输入端输出信号uO与输入信号u相位相反（极性相反）； 同相输入端输出信号uO与输入信号u相位相同（极性相同）。 （2）电源端管脚7与4是外接电源端，为集成运算放大器提供直流电源。 通常采用双电源供电

3、方式，4脚接负电源组的负极，7脚接正电源组的正极。,（3）调零端管脚1和5是外接调零补偿电位器端。调节电位器RP，可使输入信号为零时，输出信号也为零。,1.集成运算放大器LM741,使用时不能接错,集成运算放大器的电路参数和晶体管特性不可能完全对称,（1）开环差模电压增益Auo（差模电压放大倍数）Auo越大，运放的精度越高，工作越稳定，一般可达几十万。 （2）开环差模输入电阻rid 衡量运算放大器从信号源取用电流大小的参数。 rid越大，从信号源取用的电流越小，运算精度越高 一般在几十千欧以上。 （3）输出电阻ro 衡量集成运放带负载能力的参数。 ro越小，集成运放带负载的能力就越强， 一般为

4、几百欧，甚至更小。,2.集成运算放大器的主要参数,（4）共模抑制比KCMR 衡量集成运放抑制干扰信号能力大小的参数。 KCMR数值越大，抑制干扰的能力越强。一般运放的KCMR达几十万以上,理想集成运放 :Auo ridro0 KCMR 还有输入失调电压、输入失调电流、输入失调温漂电压、输入失调温漂电流等参数。,直流信号放大电路，把集成运算放大器作为一个线性放大元件 两个重要特点: （1）同相输入端和反相输入端的电位相等（虚短）。因Auo，所以uiu- uuo/Auo0， 则 uu “虚地”反相输入端是一个不接“地”的“地”电位： 如果信号自反相输入端输入，同相输入端接地时，u+0，u也等于零。

5、 （2）同相输入端和反相输入端的输入电流等于零（虚断）。 rid，所以 ii0,3. 理想运算放大器的特点,虽uu，但不是真正的短路，不能两者短接起来,虽ii0，两输入端不能真正地断开,上述两个结论，可使电路分析简化，是分析的依据。 此外，集成运算放大器还可以工作在非线性区。此时，uoAuo（u+u）,想一想： 集成运算放大器工作在线性区和非线性区的特点有哪些？ 理想集成运算放大器的Auo、rid、ro、rid、KCMR各是多少？ 什么是“虚短”和“虚断”？ 什么是“虚地”？,任务二 学习放大器基本线性运算电路,1. 反相运算电路（反相比例运算电路）,图7-5 反相比例运算电路,RpR1Rf,

6、ui和uo之间是相位相反的比例关系 其放大关系仅与Rf和R1有关，而与放大器本身无关,反相器RfR1时，则有Auf1,想一想：反相比例运算电路中，既然u0 ，那么将该反相输入端真正接地能够正常工作吗？i0，那么将该反相输入端引线断开能正常工作吗？为什么？,解： 因传感器的输出阻抗低，故可采用由输入阻抗小的反相比例运算电路构成放大器； 因标准表的最高输入电压对应着传感器10MPa时的输出电压值，而传感器这时的输出电压为1100mV0.1V，也就是放大器的最高输入电压，这时放大器的输出电压应是5V。 所以放大器的电压放大倍数是5/0.1=50倍。 由于相位与需要相反，所以在第一级放大器后再接一级反

7、相器，使相位符合要求。 根据这些条件来确定电路的参数。,例7.1有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500，测量范围是010MPa，其灵敏度为+1mV0.1 Mpa。现用一个输入05V的标准表来显示这个传感器测量的压力变化，需要用一个放大器把传感器输出的信号放大到标准表输入需要的状态，设计一个放大器并确定各元件参数。,（1）取放大器的输入阻抗是信号源内阻的20倍，即R110k； （2）Rf50R1500k； （3）RpR1Rf105009.8 k； （4）运算放大器均采用LM741； （5）采用对称电源供电，电压可采用10V; （6）Rf2R1250k； （7）Rp2R12Rf2505025 k

8、。 电路图如图7-6所示。,图7-6 例7.1图,uo与ui之间的关系仅与外部电阻有关，具有高运算精度和稳定性 。,若使RfR1R2R3 ， 则 uo（ui1ui2ui3） 表明，输出电压等于输入电压的代数和。 平衡电阻RpR1R2R3Rf,2. 反相加法运算电路,R1Cf称为积分时间常数，越大，达一uo值所需的时间越长。 当uiU（直流）时，有,Rf换成电容Cf,与反相运算电路的区别,积分与反相关系,3. 反相积分电路,若ui是一个正阶跃电压信号， 则uo随时间近似线性关系下降，输出电压最大数值为集成运放的饱和电压值。,（a）阶跃信号,（b）积分输出信号,图7-9 反相积分电路,4. 反相微

9、分电路,RfC1称为微分时间常数,电容R1换成C1,与反相运算电路的区别,表明uo和ui成比例关系，比例系数是1+Rf/R1，而且uo与ui是同相位。 为了保保证差动输入级的静态平衡R2R1Rf,5. 同相比例运算电路,无“虚地”,电压跟随器,断开R1,当R1, uo ui为电压跟随器,电压跟随器具有极高的输入电阻和极低的输出电阻 能起到良好的隔离作用,R2 Rf0,电压跟随器2,（1）输出信号uo ui 且与输入信号ui相位相同； （2）输入阻抗rid较大，而输出阻抗较小； （3） “虚短”（同相与反相输入端之间）无虚地现象 （4）存在共模输入信号 反相与同相比例电路的区别： 都有“虚短”现

10、象。反相有“虚地”，同相无“虚地”。 反相比例运算无共模信号；而同相输入比例有： 即uuui ，故要求能够承受共模干扰信号,同相比例运算电路的特点,解：是一电压跟随器 分压后，同相输入端得到7.5V的输入电压， 即Ui7.5V 因为是一电压跟随器，故UoUi 所以Uo7.5V。,例7.2试计算Uo的大小,由此例可见，Uo只与电源电压和分压电阻有关，其精度和稳定性较高，可用做基准电压。,解: 分析电路可知，其反馈类型为电流串联负反馈，各电流、电压之间的关系如下,例7.3试写出通过负载电阻RL的电流iL与输入信号ui之间的关系式。,图7-14 电压电流转换器,与负载电阻RL无关,只要ui和R1恒定

11、， 负载中的电流iL就恒定,当集成运算放大电路的同相输入端和反相输入端都接有输入信号时，称为差分输入运算电路，如图7-15所示。图7-15 差分输入运算电路,6. 差分输入运算电路,6. 差分输入运算电路,广泛应用于 测量与控制系统中,同相和反相输入端都有输入信号,当R3Rf ，R2R1时,比例系数只与外接元件有关,再若R1Rf，,减法运算电路,解:由差分放大电路输出与输入之间的关系式可得出,例7.4如图是用运算放大器构成的测量电路。图中US为恒压源，若Rf是某个非电量（如应变、压力或温度）的变化所引起的传感元件的阻值变化量。试写出uo与Rf之间的关系式。,运算放大器构成的测量电路,计算结果表

12、明，输出信号电压与传感元件电阻值的变化量成正比。,任务三 学习放大器的非线性应用电路,运算放大器的非线性应用 当运算放大器工作在开环状态或引入正反馈时，由于其放大倍数非常大，所以输出只能存在正、负饱和两个状态。 在非线性工作条件下，放大器可实现电压比较、信号的产生等功能。 电压比较器是用来对输入信号进行幅度鉴别和比较的电路，常用于模拟电路和数字电路的连接，称为接口电路。,前面学习的放大器都是工作在线性条件下,（a）电压比较器,（b）传输特性,1. 基本电压比较器,根据理想运算放大器的特点 当uiUR时，输出为正饱和电压UoH 当ui UR时，输出为负饱和电压UoL,输入信号与参考电压比较,UR

13、是将输出电压由某一种状态转换到另一种状态时的输入电压。 过零电压比较器 门限电压UR0V，即同相端接地。,输出电压与输入电压的关系,门限电压（阈值电压）,（a）过零电压比较器,（b）传输特性,图7-18 过零电压比较器及其传输特性,限幅电路 利用稳压管的稳压功能，将稳压管稳压电路接在比较器的输出端 双向稳压管，稳定电压为UZ 双向限幅电路 电压比较器的输出被限制在UZ和UZ之间，即输出由双向稳压管限幅的电路,2. 有限幅电路的电压比较器,限幅电路,可得某一特定电压值,限幅电路 正向稳压管 输出稳定在UZ上,正向限幅电路,正向限幅电路,带有限幅电路。,（a）反相输入过零电压比较器,（b）传输特性

14、,图7-21 反相输入过零电压比较器及其传输特性,反相端输入的过零电压比较器,（a）同相输入过零电压比较器,（b）传输特性,图7-22 同相输入过零电压比较器及其传输特性,同相端输入的过零电压比较器,当输出电压为正饱和值uoUoM，当输出电压为负饱和值uoUoM，,3.滞回电压比较器,UR是基准电压,设某瞬间 uoUoM，在uiURH时，输出才能由UoM跃变到UoM； 若ui持续减小，减小到uiURL时，输出才会又跃变至UoM 改变R1或R2，可改变URH、URL和回差电压。,回差电压:URHURL,滞回电压比较器由于引入了正反馈，可以加速输出电压的转换过程，改善输出波形；由于回差电压的存在，

15、提高了电路的抗干扰能力。,当输入电压是正弦波时，输出矩形波,例7.5 试画出图7-25所示过零比较器的传输特性。当输入为正弦电压时，画出输出电压的波形。,过零比较器的传输特性,解：,输出电压波形图,通过过零比较器可以将输入的正弦波转换成矩形波,动手做 用运算放大器实现 电压比较的电路,预习要求 （1）通过阅读资料，了解A741集成运算放大器的主要技术参数及应用特性； （2）复习运算放大电路的基本原理及电路组成； （3）重点复习运算放大器的非线性应用。 一、实训目的 （1）熟悉集成运算放大器的外形结构及各引线的功能； （2）学习应用集成运算放大器组成滞回电压比较器的接线和测量方法； （3）掌握常用电子测量仪器的使用。 二、实训仪器与器件,三、实训原理,滞回电压电压比较器,四、实训内容,1. 交流电压的测量,五、注意事项,(1)拆接元件时必须切断电源，不可带电操作。 (2)在训练过程中，要正确使用各种仪器，并对A741进行测试。 （3）调零时必须细心，切忌不要使电位器RP的滑动端与地线或正电源线相碰，否则会损坏集成运放。,本章结束,