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1、4.1 概述 4.2 集成运放运算电路 4.3 模拟乘法器及其应用 4.4 有源滤波器（Active filter） 4.5 集成运算放大器的非线性应用 4.6 集成运放使用常识与应用示例,第四章 集成运算放大器的应用,4.1 概述,4.1.1 运算放大器非理想特性和主要参数,集成运放开环情况下的传输特性如图4.1.1所示，,图4.1.1 集成运放传输特性,它分为两个工作区:,一是饱和区（称为非线性区）,放由双电源供电时输出饱和值不是Uom 就是Uom ;,二是放大区（又称线性区）,曲线的斜率为电压放大倍数,理想运放Aod，在放大区的曲线与纵坐标重合。但实际情况如图中虚线所示。,集成运放主要参
2、数就是它的非理想特性的客观反映。,1、开环差模电压增益Aod,集成运放的开环差模电压增益(Open-Loop differential voltage gain)是指集成运放工作在线性区，接人规定负载而无负反馈情况下的直流差模电压增益。 Aod与输出电压U0的大小有关，通常是在规定的输出电压幅值时（如U0 =+10V）测得的值。,通常用分贝数dB表示，则为,一般情况希望Aod越大越好， Aod越大，构成的电路性能越稳定，运算精度越高。 Aod一般可达100dB,最高可达140dB以上。, 如果集成运放差动输入级非常对称，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差动输入级
3、很难达到对称，通常在室温25下，为了使输入电压为零时输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压UIO。UIO的大小反映了运放输入级电路的不对称程度。UIO越小越好，一般为（110）mV。,2、输入失调电压UIO及其温漂 dUIO/dT,另外，输入失调电压的大小还随温度，电源电压的变化而变化。通常输入失调电压UIO对温度的变化率称之为输入电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）用 dUIO/dT表示,一般为(1020)V/.,注意：dUIO/dT不能用外接调零装置来补偿，在要求温漂低的场合，要选用低温漂的运放。,3、输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT,在常温下，输入信号为零时，放大器
4、的两个输入端的基极静态电流之差称之为输入失调电流IIO，有IIO=IB1IB2，它反应了输入级两管输入电流的不对称情况，IIO越小越好，一般为1nA0.1A。,4、输入偏置电流IIB,输入偏置电流(Input bias current)是指集成运放输出电压为零时，两个输入端偏置电流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2，IIB越小越好，一般为10nA10A。,IIO随温度的变化而变化，IIO随温度的变化率称之为输入失调电流温漂，用d IIO /dT表示，单位为nA/。,5、开环差模输入电阻Rid,差模输入电阻是指集成运放的两个输入端之间的动态电阻。它反映输入端向差动信号源索取电流的能力。其
5、值越大越好，一般为几兆欧姆。MOS集成运放Rid 高达106M以上。,6、开环差模输出电阻Rod,集成运放开环时，从输出端看进去的等效电阻，称之为输出电阻。它反映集成 运放输出时的负载能力 ，其值越小越好。一般Rod小于几十欧姆。,7、共模抑制比KCMR,共模抑制比为开环差模电压增益Aod与共模电压增益Aoc之比的绝对值：KCMR=Aud/Auc，它表示集成运放对共模信号抑制能力，其值越大越好，一般KCMR为60130dB之间。,8、最大差模和共模输入电压Uidmax,、Uicmax,Uidmax是指集成运放两个输入端所允许加的最大差模电压，超过此电压，将会使集成运放输入级某一侧三极管发射结反
6、向击穿。 Uicmax是指集成运放两个输入端所允许加的共模最大电压，超过此电压，集成运放的共模抑制比将明显下降。,9、最大输出电压Uom,在给定负载上，最大不失真输出电压的峰峰值称为最大输出电压。,10、转换速率SR(Slew rate),SR是指集成运放在闭环状态下，输入大信号时输出电压随时间的最大变化率，SR越大越好。,11、小信号频率参数,集成运放(741)工作于小信号状态幅频特性如图4.1.2所示。,图中Aod(dB)为直流差模增益，fH为上限频率。,（1）开环带宽BW,BW为运放开环差模电压增益值比直流增益下降了3dB所对应的信号频率。,例如：741的fH =7Hz,图4.1.2 集
7、成运放(741)幅频特性,BWfH,（2）单位增益带宽BWG,BWG为运放开环电压增益频率特性曲线上其增益下降到Aod=1(Aod为0dB)时的频率。,集成运放闭环应用时，BWG就是反馈放大电路的增益带宽积。,741运放Aod=2105时，fT=21057HZ=1.4MHZ。,4.1.2 典型的双运放、四运放简介,双运放F353引脚排列图如图4.1.3所示，该器件是一种高速JFET输入运算放大器。 四运放LM324引脚排列图如图4.1.4所示。它是通用型单片高增益运算放大器，它既可以单电源使用，也可双电源使用。,图4.1.3 双运放F353 图4.1.4 四运放LM324,4.1.3 集成运放
8、理想化条件和线性应用条件,一、集成运放理想化条件 满足理想化的集成运放应具有无限大的差模输入电阻，趋于零的输出电阻，无限大的差模电压增益和共模抑制比，无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移。 在低频情况下的实际使用和分析集成运放电路时，可以近似地把它看成为理想集成运算放大器 (Ideal operational amplifier)。 二、集成运放线性应用条件及其特性 把集成运放接成负反馈组态（Negative freed back configration）是集成运放线性应用的必要条件。 理想集成运放线性应用时具有以下两个特性，即 1.虚短(Virtual short circuit)： u
9、+=u- 2.虚断(Virtual open circuit) ： i+=i-=0,4.2 集成运放运算电路,4.2.1 反相输入放大电路 反相输入放大电路(Inverting proportional circuit) 如图4.2.1所示。,图4.2.1 反相输入放大电路,图中，Rf为反馈电阻，构成电压并联负反馈组态；电阻RP称为直流平衡电阻 。,Ro=0,4.2.2 同相输入放大电路 同相输入放大电路如图4.2.2所示，输入信号ui经电阻R2送到同相输入端，Rf与R1使运放构成电压串联负反馈电路。,图4.2.2 同相输入放大电路,放大电路的输入电阻Ri 放大电路的输出电阻Ro=0,图4.2
10、.3 电压跟随器,4.2.3 差动输入(Differential input)放大电路 图4.2.5所示为差动输入放大电路，它的两个输入端都有信号输入。 ui1通过R1接至运放的反相输入端，ui2通过R2、R3分压后接至同相输入端，而uo通过Rf、R1反馈到反相输入端。,图4.2.5 差动输入放大电路,当取R1=R2和Rf=R3时,则上式为,例4.2.1 两运放组成的抗共模噪声电路如图4.2.6所示，求Auf。,图4.2.6 两运放抗共模噪声电路,解题分析： 在分析多个运放组成电路时，应把输入输出关系搞清楚，然后应用虚短、虚断概念和叠加定理求解。 本例中A1的输出为A2的输入。A1组成同相比例
11、放大器，A2组成差动放大组态。 该电路具有很高的输入电阻可达几十 兆欧。为提高抑制共模信号的能力，要求A1、A2具有较高的共模抑制比。,4.2.4 求和运算电路 一、反相加法器 反相加法器如图4.2.7所示，两个输入信号ui1、ui2分别通过R1、R2接至反相输入端。Rf为反馈电阻，R3为直流平衡电阻。,图4.2.7 反相加法器,当取R1=R2=R时,当取R=Rf时,二、 同相加法器 同相加法器如图4.2.8所示，输入信号ui1、ui2都加到同相输入端，而反相输入端通过电阻R3接地。,图4.2.8 同相加法器,应用叠加定理进行分析,设ui1单独作用，ui2=0,设ui2单独作用，ui1=0,二
12、者迭加得,若取：R1=R2 、R3=Rf ,则,4.2.5 积分和微分电路 一、积分电路 积分运算(Integratial operation)电路如图4.2.10所示。输入信号ui通过电阻R接至反相输入端，电容C为反馈元件。,图4.2.10 积分电路,若C上起始电压为零，则,若C上起始电压不为零，则,图4.2.11 不同输入情况下的积分电路电压波形 （a) 输入为阶跃信号 （b) 输入为方波 （c) 输入为正弦波,二、 微分电路 将图4.2.10中反相输入端的电阻R和反馈电容C位置互换，便构成基本微分运算电路（Differentiatial operation）,如图4.2.12所示。,图4
13、.2.12 基本微分运算电路,4.3 模拟乘法器及其应用 4.3.1模拟乘法器的基本特性、电路符号 模拟乘法器（Analog multiplier）与运算放大器组合，可实现除法、乘方、开方、倍频等各种运算电路，还可以实现检波、调制、解调以及构成各种函数发生器及锁相环电路等。,图4.3.1 模拟乘法器的符号,uo=KuXuY ， K称为模拟乘法器的增益系数,模拟乘法器的电路符号如图4.3.1所示，通常有两个输入端uX和uY及一个输出端uo，其输出电压正比于两个输入电压之乘积。,*4.3.2 变跨导模拟乘法工作原理 变跨导模拟乘法器原理图如图4.3.2所示，V1、V2组成差动电路。,图4.3.2
14、模拟乘法器原理图,图4.3.2所示差动电路具有乘法功能，它的输出电压与输入电压ux、uy的乘积成正比，比例系数在室温下为常数 ux可正可负，而uy必须大于零，该电路才能正常工作，该电路属于二象限乘法器。,4.3.3、模拟乘法器的几种典型应用电路 一、除法电路 将乘法器放在反相放大器的反馈支路中便构成除法运算电路，如图4.3.3所示。,图4.3.3 除法运算电路,uz=KuXuY =Kui2uo,图4.3.3所示电路，只有当ui2为正极性时，才能保证集成运放处于负反馈工作状态，电路才能正常工作，而ui1可正、可负，故电路属二象限除法器。,二、平方运算 平方运算是模拟量的自乘运算，因此将输入信号u
15、i同时加到乘法器的两个输入端即可完成平方运算，电路如图4.3.4所示。其输出电压为,图4.3.4 平方运算电路,在实际使用时，可以利用平方运算实现倍频功能，若输入信号为正弦信号，即 ui =Umsint 则输出电压为,在输出端接入一个隔直电容将直流隔开，则可得到二倍频的余弦波输出电压，实现倍频作用。,三、开方运算 平方根运算电路如图4.3.5 所示，与图4.3.2所示的除法电路比较可知，它是上述除法电路的一个特例，如将除法电路中乘法器的两个输入端都接到运放的输出端，就组成了平方根运算电路。,图4.3.5 平方根运算电路,4.4 有源滤波器 4.4.1 滤波器的功能及其分类 滤波器是从输入信号中选出有用频率信号并使其顺利通过，而将无用的或干扰的频率信号加以抑制的电路。 只用无源器件R、L、C 组成的滤波器称为无源滤波器,采用有源器件和R、C元件组成的滤波器称为有源滤波器。,同无源滤波器相比，有源滤波器具有一定的信号放大和带负载能力可很方便的改变
