精品电子发烧友课件_14

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1、运算放大器大多被制作成集成电路，所以常称为集成运算放大电器，简称为集成运放。在一个集成电路中，可以含有一个运算放大器，也可以含有多个(两个或四个)运算放大器，集成运算放大器既可作直流放大器又可作交流放大器，其主要特征是电压放大倍数高，功率放大很大，输入电阻非常大和输出电阻较小。由于集成运算放大器具有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在检测、自动控制、信号产生与信号处理等许多方面得到了广泛应用。,8.3集成运算放大电路,8.3.1集成运放的理想化条件,(1) 开环差模电压放大倍数趋于无穷；(2) 输入电阻趋于无穷；(3) 输出电阻趋于零；(4) 共模抑制比趋于无穷；(5

2、) 有无限宽的频带；(6) 当输入端u -= u + 时，uo=0。目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上，输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此，作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。,对于工作在线性状态的理想集成运放，具有两个重要特性。1. 理想集成运放两输入端间的电压为0，但又不是短 路，故常称为“虚短”。2. 理想运放的两个输入端不取电流，但又不是开路，一般称为“虚断”。对于工作在非线性状态的理想集成运放，则具有： 当 时， ；当 时， 。其中 是集成运放的正向或反向输出电压最大值。,集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系，可用图8.19所示的电压传输特性

3、来描述。图8.19运算放大器的电压传输特性,8.3.2基本运算电路,1. 反相比例运算电路 反相比例运算电路如图8.20所示。图8.2 0 反相比例运算电路 由虚短、虚断可得：,2. 同相比例运算电路同相比例运算电路如图8.21所示。图8.21同相运算电路由虚短、虚断可得：,3. 加减运算电路(1) 加法运算电路加法运算电路如图8.22所示。图8.22 加法运算电路,因反相输入端为“虚地”，故得于是，输出电压为当时 ，则,例8.4 在图8.22所示的反相加法运算电路中，若R11=5k，R12=10k，RF=20 k，uI1=1V，uI2=2V，最大输出电压 V。求输出电压 。解：因 ，故电路工

4、作在线性区，可实现反相加法运算。,(2) 减法运算电路减法运算电路如图8.23所示。图中减数加到反相输入端，被减数经R2、R3分压后加到同相输入端。图8.23 减法运算电路,由图可知故得, 当 时，上式为即输出电压与输入电压的差值（ ）成正比例。 当 时，上式为可见输出电压等于两个输入电压的差，从而能进行减法运算。,4. 积分运算电路积分运算电路如图8.24所示。图中，用CF代替RF构成反馈电路。图8.24 积分运算电路,设电容器CF上初始电压UC(0)=0 ，随着充电过程的进行，电容器CF两端的电压为d t由图8.24可知故d t,5. 微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中，电

5、阻R1与电容CF的位置对调一下，即得微分电路，电路如图8.25所示。图8.25 微分运算电路,由图8.25可知：故,1. 电压电流变换器 (1) 接地负载电压电流变换器接地负载电压电流变换器如图8.26所示。图8.26 带接地负载的电压电流变换电路,8.3.3信号测量电路,由图8.26，根据“虚短”概念，由叠加定理可得解得 由KCL得将 代入上式，整理得,(2) 悬浮负载电压电流变换器悬浮负载电压电流变换器电路如图8.27所示。（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,图8.27（a）是一个反相电压电流变换器，它是一个电流并联负反馈电路，它的组成与

6、反相放大器很相似，所不同的是现在的反馈元件（负载）可能是一个继电器线圈或内阻为RL的电流计。流过悬浮负载的电流为图8.27（b）是一个同相电压电流变换器，它是一个电流串联负反馈电路。该电路的负载电流为,2. 电流电压变换器电流电压变换器如图8.28所示，它是一个电压并联负反馈电路。这个电路本质上是一个反相放大器，只是没有输入电阻。输入电流直接接到集成运放的反相输入端。（a）基本电路 （b）典型电路图8.28 电流电压变换器,图8.28(a)是一个基本的电流电压变换器，根据集成运放的“虚断”和“虚地”概念，有 和 ，故 ，从而有图8.28(b)是一个经常用在光电转换电路中的典型电路。图中V是光电

7、二极管，工作于反向偏置状态。根据集成运放的“虚断”和“虚地”概念可得故,3. 电压、电流的测量一块普通的电工仪表表头，若与集成运放相连，可以改装成一块灵敏度较高的电子仪表，实现交、直流测量。(1) 电压测量 图8.29所示为直流毫伏表的典型原理电路图。图8.29 直流毫伏表, 能测量小于1mV的微小电压值，而一般的万用表不可能有如此高的灵敏度。 集成运放接成串联负反馈电路，输入电阻极高，理想条件下为无穷大，一般电工仪表达不到（测量电压时，要求仪表的内阻越高越好）。 表头满量程电压值不受表头内阻RG阻值的影响。只要是满量程的表头，换用前后不改变毫伏表性能。因此，表头互换性较普通电表好。 由于RF

8、阻值很小，可用温度系数较低的电阻丝绕制，提高了仪表的性能。,以上述表头为基础，构成的多量程直流电压表如图8.30所示。图8.30 多量程直流电压表,(2) 电流测量在上述1mV表头电路基础，加上分流器，可构成多量程的直流电流表，如图8.31所示。图8.31 多量程直流电流表,根据图8.31，由“虚短”、“虚断”概念可得：1mV电压表的输入 为被测电流 与分流电阻 的乘积，即故,4. 测量放大器 测量放大器电路如图8.33所示 图8.33 测量放大电路,由图8.33可知：(1) 热敏电阻 和R组成测量电桥。当电桥平衡时 ，相当于共模信号，故输出 ，若测量桥臂感受温度变化后，产生与 相应的微小信号

9、变化 ，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。,1. 信号幅度比较电路 (1) 电压比较器电压比较电路如图8.34所示 。图8.34电压比较器,8.3.4 信号处理电路,由图8.34(a)可知：当 时，输出为高电平 ；当 时，输出为低电平 。电压传输特性如图8.34(b)所示。说明 若 加在同相输入端， 加在反相输入端，则电压传输特性如图8.35(a)所示。 实用中，集成运放的开环电压放大倍数总是有限的，现设 V。则

10、电压比较器输出达到最大输出电压 时所需的净输入电压为(mV),故：反相端输入， mV时， V； mV时， V。电压传输特性如图8.35（b）实线所示。同相端输入， mV时， V； mV时， V。电压传输特性如图8.35（b）虚线所示。,(a) 同相端输入时电压传输特性 (b) 非理想集成运放时电压传输特性图8.35 电压比较器传输特性, 不接基准电压，即 时，电路如图8.36（a）所示，该电路称为过零比较器。（a）电路图 （b）电压传输特性图8.36过零比较器,由图8.36（a）可知： 时，电压比较器输出高电平；当 时，电压比较器输出低电平。当 由负值变为正值时，输出电压 由高电平跳变为低电平

11、；当 由正值变为负值时，输出电压 由低电平跳变为高电平。通常把比较器输出电压 从一个电平跳变为另一个电平所对应的输入电压 称为阈值电压(又称门限电压)。, 为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路电平相配合，可在输出端接一个双向稳压管进行限幅，如图8.37（a）所示。其电压传输特性如图8.37（b）所示 。图8.37 有限幅的过零比较器,例8.6 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

12、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。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；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。,图8.38 例8.6的电路图,(2) 滞回比较器滞回特性的比较器(又称施密特触发器)，如图8.39所示 。8.39 滞回比较器,由图8.39(a)可知当输出为+UZ时， ，称为上限阈值电压；当输出为-UZ时， ，称为下限阈值电压 。,说明 由于该电路存在正反馈，因而输出高、低电平转换很快。例如，设

13、开始时uO=UZ，当uI增加到UT+，使uO 有下降趋势时，正反馈过程为：这个正反馈过程很快使输出uO由UZ跳转到-UZ。 两个阈值的差称为回差电压，即调节R2、R3的比值，可改变回差电压值。回差电压大，抗干扰能力强，延时增加。实用中，就是通过调整回差电压来改变电路某些性能的。, 还可以在同相端再加一个固定值的参考电压UREF。此时，回差电压不受影响，改变的只是阈值，在电压传输特性上表现为特性曲线沿uI前后平移。因此，抗干扰能力不受影响，但越限保护电路的门限发生了改变。 目前有专门设计的集成比较器供选用。常用的单电压集成比较器 、四电压集成比较器 引脚图如图8.40所示。,（a）单电压集成比较

14、器 （b）四电压集成比较器图8.40 常用电压比较器引脚图,例8.7 电路如图8.41（a）所示，试求上、下限阈值电压，并画出电压传输特性。（a）电路图 （b）电压传输特性图8.41 例8.7的图,解：由电路可知，当反相输入端电压低于同相输入端电压时，输出电压被双向稳压管箝位于在高电平6V。此时，同相输入端电压即为上限阈值电压V=1.5V当 V时，输出电压由高电平6V跳变为被双向稳压管箝位的低电平 V。此时，同相输入端电压跳变为下限阈值电压 V) = V,故当反相输入端电压 V时，输出电压由低电平 V跳变为高电平6V。电压传输特性如图8.41（b）所示。(3) 窗口比较器窗口比较器的电路图和电压传输特性如图8.42所示， 主要用来检测输入电压 是否在两个电平之间。图8.42 窗口比较器,2信号幅度的采样保持采样保持电路的任务是将信号定期和设备接通（称为采样），并且将那时的信号保持下来，直至下一次采样后，又保持在新的电平。采样保持电路是模数（A/D）转换电路的一个组成部分，其基本电路如图8.43所示。图8.43 基本采样保持电路,