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1、运算放大器及其应用,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。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,各类型号集成芯片,运算放大器的特点,1. 元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流 源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电 容、电感 和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。,一、电路的基本组成,运算放大器方框图,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分放大器 。,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。,偏置电路: 由镜像恒流源
2、等电路组成,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。,集成运算放大器的管脚和符号,反相 输入端,同相 输入端,信号传 输方向,输出端,实际运放开环 电压放大倍数,(a),(b),(a) 符号;,(b)引脚,集成运放 741的电路原理图,同相输入,同相输入,输出,二、主要参数,1. 最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,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
3、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 IIB,1. 开环电压放大倍数,2. 开环输入电阻,3. 开环输出电阻,4. 共模抑制比,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,三、理想运算放大器及其分析依据,在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理 想的运算放大器。理想化的主要条件：,线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo
4、= Uo(sat),1.电压传输特性 uo= f (ui),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,理想运算放大器图形符号,2. 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,3. 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 =
5、 + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,四、运算放大器的应用,在信号运算方面的应用：对信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。 在信号处理方面的应用: 对信号进行滤波、比较等处理。 在信号发生方面的应用：用于产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等波形,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,因虚短和虚断, 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，
6、所以平衡电阻 R2 = R1 / RF,1.运算放大器在信号运算方面的运用,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 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k,uO,2）. 同相比例运算,因
7、虚断，所以u+ = ui,(1) 电路组成,(2) 电压放大倍数,因虚短，所以 u = 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,3） 加法运算电路,a. 反相加法运算电路,平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RF,b. 同相加法运算电路,如果取 R1 = Ri1 = Ri2 = RF,4 ) 减法运算电路,如果取 R1 = R2 ，R3 = RF,如 R1 = R2 = R3 = RF,R2 / R3 = R1 / RF,常用做测量 放大电路,5) 积分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1 = if,if =?,当电容CF
8、的初始电压为 uC(t0) 时，则有,将比例运算和积分运算结合在一起，就组成 比例-积分运算电路。,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。,6) 微分运算电路,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,2. 运放在信号处理方面的应用,1) 有源滤波器,滤波器是一种选频电路。
9、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。,按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,a. 有源低通滤波器,当 0时，| T(j)| 衰减很快,显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。,为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。,b. 有源高通滤波器,模拟开关,模拟输入信号,a.电路,2).
10、 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。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储 电容,控制信号,电压跟随器,b. 工作原理,a. 电路,采样阶段： uG为高电平，S 闭合(场效应管导通)， ui对存储电容C充电， uo= uC = ui 。,保持阶段： uG为 0， S 断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,3) 电压比较器,电压比较器的功能： 电压比
11、较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。,用途： 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合 。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,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) 当 u+ u 时， uo = + Uo (sat) u+ u 时， uo = Uo (sat) 不存在 “虚短”现象 2. i+= i 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性,电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),运放处于开
12、环状态,(1). 基本电压比较器,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,当 u+u 时，uo= +Uo (sat) u+u 时，uo= Uo (sat),即 uiUR 时，uo = Uo (sat),可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。,ui UR，uo=+ Uo (sat) ui UR，uo= Uo (sat),输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为UZ， 忽略稳压管的正向导通压降 则 ui UR，uo =
13、 UZ,uiUR 时，uo = Uo (sat),过零电压比较器,利用电压比较器 将正弦波变为方波,(2). 滞回比较器,上门限电压,下门限电压,电路中引入正反馈 (1) 提高了比较器的响应速度； (2) 输出电压的跃变不是发生 在同一门限电压上。,当 uo = + Uo(sat)， 则,当 uo = Uo(sat)，则,门限电压受输 出电压的控制,R2,上门限电压 U+ ： ui 逐渐增加时的门限电压,下门限电压U“+： ui 逐渐减小时的门限电压,两次跳变之间具有迟 滞特性滞回比较器,根据叠加原理，有,改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。,当参考电压UR不等于零时,定义：回差电压,与
14、过零比较器相比具有以下优点： 1. 改善了输出波形在跃变时的陡度。 2. 回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰 能力越强。,结论： 1. 调节RF 或R2 可以改变回差电压的大小。 2. 改变UR可以改变上、下门限电压， 但不影响回差 电压U。,电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。,解：对图（1） 上门限电压,下门限电压,例：电路如图所示，Uo(sat) =6V，UR = 5V， RF = 20k，R2 =10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,解：对图（2）,例：电路如图所示，Uo(sat) =6V，UR = 5V， RF = 20k，R2
15、=10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,（1）,（2）,例1：图中所示为运放组成的过温保护电路，R 是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA 是继电器，温度升高，超过规定值，KA 动作，自动切断电源。分析其工作原理。,温度 超过 规定值， ui UR， uo= +UOM， T 导通。 KA 动作， 切断电源。,温度未超过规定值， Ui UR， uo= UOM， T 截止。 KA 不动作。,电压传 输特性,UO(sat),UO(sat),例2: 电路如图所示, ui 是一正弦电压, 画出 uo 的波形。,UO(sat),UO(sat),解:运放为同相输入过零电压 比较器,UO(sat),UO(sat),各电压波形如右图所示。,3. 运放在波形产生方面的应用,波形发生器的作用： 产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。 特点：不用外接输入信号，即有输出信号。,1). RC桥式正弦波振荡电路,RC选频网络 正反馈网络,放大电路,用正反馈信号uf作为输入信号,选出单一频率的信号,(1) 电路结构,同相比例电路,选频网络,(3) 工作原理,输出电压 uO 经正反馈(兼选频)网络分压后，取uf 作为同相比例电路的输入信号 ui 。,1) 起振过程,2) 稳定振荡,A = 0，仅在 f 0处 F = 0 , 满足相位平衡条件，所以振荡频率 f 0= 1 2RC。,
