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1、第三章 集成运算放大器,第一节 集成运算放大器简介,第三节 集成运算放大器在测量 方面的应用,第二节 集成运算放大器在运算 方面的应用,第四节 集成运算放大器在信号 处理方面的应用,第五节 集成运算放大器实际使 用中的一些问题,本 章 要 求,一、 了解集成运放的基本组成及主要参数的 意义。 二、 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。 三、 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，了解有源滤 波器的工作原理。 四、 理解电压比较器的工作原理和应用。,第一节 集成运算放大器简介,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
2、。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,一、集成运算放大器电路特点,输入级：采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小 零点漂移和抑制干扰信号。,一、集成运算放大器电路特点,中间级：主要进行电压放大，一般由共发射极放大电路构成，集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。,输出级：采用互补对称功放电路或射极输出器，以便输出足够大的电流和功率，并降低输出电阻，提高带负载能力。,偏置电路：一般是由恒流源电路组成，为以上三部分电路提供稳定和合适的静态工作点。,二、集成运算放大器的符号、引脚,符号：,引脚,三、集成运算放大器的主要参数,1. 开环差模电压增益 Auo,Auo是指集成运放在没
3、有外接反馈电路时的差模电压放大倍数，也称开环电压增益。,Auo一般在80140dB，即104107。,2最大输出电压Uopp,集成运放在额定电源电压和额定负载下，不出现明显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放的电源电压有关。,3输入失调电压UIO,要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压，一般为几毫伏，理想集成运放的UIO为零。,4输入失调电流IIO,输入信号为零时，流入集成运放两输入端静态基极电流之差，一般在零点零几微安级， IIO越小越好。,5输入偏置电流IIB,输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。,6最大共模输入电压UIC
4、M,允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共模信号大于UICM时，将使输入级工作不正常，共模抑制比显著下降。,7最大差模输入电压UIDM,两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模输入电压。如果差模输入信号超过UIDM，将引起输入管反向击穿而使运放不能正常工作。,8共模抑制比KCMR,主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。,四、理想运算放大器及其分析依据,1理想运算放大器的慨念,开环差模电压放大倍数无穷大 Auo ， 差模输入电阻无穷大 rid ， 开环输出电阻为零 ro 0 ， 共模抑制比无穷大 KCMR ,2运算放大器传输特性与基本工作方式,线性区,理想特性,实际特性,饱和区,线性
5、区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),理想运算放大器,3. 理想运放工作在线性区的两条分析依据,1)由于Auo，而输出电压uo是一个有限的数值,uo = Auo(u+ u ),称为“虚短”。,2) rid，且u+u-0,输入电流约等于 0， 即 i+= i 0 ，称“虚断”,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。,4. 理想运放工作在饱和区,输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,当 u+ u 时， uo = +
6、 Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,例3-1 F741运算放大器的正、负电源电压为15V，开环差模电压放大倍数Auo=2105，输出饱和电压Uo(sat)=13 V。今在图示中分别加下列输入电压，求输出电压及其极性：(1) u+ =15V，u-10V；(2) u+ -5V， u- 10V；(3) u+ 0V， u- 5 mV；(4) u+ 5 mV， u- 0 V。,解 ：,只要两个输入端之间的电压绝对值超过65V,输出电压就达到正或负的饱和值。,(1),(2),(3),(4),u+ =15V，u-10V；(2) u+ 5V， u- 10V； (3
7、) u+ 0V, u- 5 mV；(4) u+ 5 mV， u- 0 V,第二节 集成运算放大器在运算方面的应用,集成运算放大器引入适当的反馈，可以使输出和输入之间具有某种特定的函数关系，如比例、加法、减法、积分、微分、对数与反对数、乘除等运算。,一、比例运算,1反相输入比例运算电路,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 / RF,比例运算,因虚短, 所以u=u+= 0，称反相输入端“虚地”,因虚断，i+= i = 0 ，,所以 ii if,闭环电压放大倍数：,例3-2 电路如图所示，试分别计算开关S断开和闭合时的
8、电压放大倍数Auf。,1. 当S断开时：,解：,2. 当S闭合时：,2同相输入比例运算电路,平衡电阻R2=R1/RF,由于虚短,由于虚断,闭环电压放大倍数 :,当 R1= 且 RF = 0 时，,uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。,例3-3 试计算图示电路中uo的大小 。,解：由于,uo只与电源电压和分压电阻有关，而与负载电阻大小和运放的参数无关。,例3-4 如图所示电路，已知RF100k，R150k，输入电压 ui3sint V，求电压放大倍数和输出电压uo。,解 ：电压放大倍数,输出电压：,二、加法运算,1. 反相加法运算电路,平衡电阻：R2= Ri1 / Ri2 / R
9、F,因虚短, u= u+= 0,因虚断，i = 0,当Ri1= Ri2= Ri3= RF时，,例3-5 一个测量系统的输出电压和某些输入信号的数值关系为uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，试选择图示电路中各输入电路的电阻和平衡电阻。设RF=100 k。,解：,=,=,2. 同相加法运算电路,（自行分析同相加法运算电路）,三、减法运算,R2 / R3 = R1 / RF,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。,ui1单独作用时，为反相输入比例运算：,ui2单独作用时，为同相输入比例运算：,u+,如果取 R1 = R2 ，R3 = RF,如 R1 =
10、 R2 = R3 = RF,输出电压等于两个电压之差。,例3-6 在图示电路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求输出电压uo。,解：,四、积分运算,由虚短及虚断性质可得i1 = if,当电容CF的初始电压为 uC(t0) 时，则有,若ui为阶跃电压时,积分饱和,线性积分时间,输出电压随时 间线性变化,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。,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。,五、微分运算,由虚短及虚断性质可得i1 = if,六、对数运算,利用晶体管PN结的指数型伏安特性，可以实
11、现对数运算,由虚短及虚断性质可得,六、指数运算,由虚短及虚断性质可得,第三节集成运算放大器在测量技术中的应用,一、电压源、电流源,由虚短及虚断性质可得,输出电压可以认为是恒压源。改变反馈电阻RF的大小，可以改变输出电压UO的大小。,电流源,由虚短及虚断性质可得,IL的大小与负载电阻RL无关，所以该电路构成电流源电路，改变RF的大小可以改变电流源的电流值。,二、电压、电流的测量,这种毫伏表能测量1mV左右电压，具有高灵敏度，高输入电阻、高稳定性能等优点。,例如：表头是一块100A的直流微安表，反馈电阻RF取10，则可测量的满偏电压UX = IPRF = 1 mV。,以直流毫伏表为基础，加上分压器
12、或分流器就可以构成多量程的直流电压表或电流表。如果将表头改接到一个桥式整流电路中，就可以测量交流电压和交流电流。,三、测量放大器,通常选取R3=R4=R5=R6,ui为有效的输入信号，uc为共模信号，即干扰信号。,由虚短及虚断性质可得,、,uo与共模信号uC无关，这表明图测量放大器具有很强的共模抑制能力。,三、测量放大器,AD612测量放大器内部电路,当(1)端分别和精密电阻网络引出端(3)(10)相连时，按二进制关系建立增益，,当(10)、(11) 端均与(1)端相连时，,当(10)、(11)、(12)端均与(1)端相连时，,当(1)和精密电阻网络的各引出端(3)(12)不相连时，,，,在(
13、1)端和(2)端之间外接一个电阻R则增益为,AD612测量放大器,第四节 集成运算放大器在信号处理方面的应用,一、有源滤波器,滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通过(衰减很小)，而抑制其余频段的信号(衰减很大)。滤波器通常分为低通、高通、带通及带阻等。,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。,一、有源滤波器,1. 有源低通滤波器,若频率 为变量，,为通频带放大倍数,幅频函数：,相频函数:,幅频函数：,二阶有源低通滤波器,为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将
14、两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。,2. 有源高通滤波器,若频率 为变量，,为通频带放大倍数,幅频函数：,相频函数:,3. 有源带通滤波器,将低通滤波器和高通滤波器串联，并使低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率，则构成有源带通滤波器。,4. 有源带阻滤波器,将低通滤波器和高通滤波器并联，并使高通滤波器的截止频率大于低通滤波器的截止频率，则构成有源带阻滤波器。,控制信号,二、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
15、要。,模拟开关,模拟输 入信号,采样存储 电容,电压跟随器,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。,三、电压比较器,电压比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。,运放工作在开环状态或引入正反馈，运算放大器工作在饱和区。,1. 输出只有两种可能 +Uo (sat) 或Uo (sat) 当 u+
16、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,参考电压,电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),运放处于开环状态,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。,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。,当UR=0时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。,利用电压比较器 将正弦波变
