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1、20042004年年1010月月制作制作 曾令琴曾令琴主编主编 曾令琴曾令琴集成运放简介及其线性、非线性应用集成运放简介及其线性、非线性应用第二篇第二篇8.2 8.2 集成运放的应用集成运放的应用集成运放的应用集成运放的应用8.1 8.1 集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器第二篇第二篇学习集成运算放大器学习集成运算放大器学习目的与要求学习目的与要求1. 1. 了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号；了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号；2. 2. 掌握集成运放的理想化条件及其分析方法；掌握集成运放的理想化条件及其分析方法；3. 3. 理解集成运放的线性应用及其工作原
2、理；理解集成运放的线性应用及其工作原理；4. 4. 了解一般集成运放的简单非线性应用。了解一般集成运放的简单非线性应用。第第2页页 1 1 1 1集成运算放大器概述集成运算放大器概述集成运算放大器概述集成运算放大器概述 集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。结构具有共同之处，一般由四部分组成。8.1 集成运算集成运算放大器放大器 输入级输入级一般是差动放大器，利用一般是差动放大器，利
3、用其对称特性可以提高整个电路的共模其对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、同相输入端两个输入端；入端、同相输入端两个输入端； 中间级中间级的主要作用是提高电压增的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电路组成；益，一般由多级放大电路组成； 输出级输出级一般由电压跟随器或互补一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。提高带负载能力。 偏置电路偏置电路是为各级提供合适的工是为各级提供合适的工作电流。作电流。 此外还有一些过载保护电路及高此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节
4、等辅助环节。频补偿环节等辅助环节。集成电路的几种外形集成电路的几种外形第第2页页左图所示为左图所示为A741A741集成运算放大器的芯片实物外形图集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出，从实物外形图上可看出，A741A741集成运放有集成运放有8 8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：1 A741A7412876543空脚空脚正电源端正电源端输出端输出端调零端调零端调零端调零端 反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端负电源端负电源端集成运放的电路图符号集成运放的电路图符号 U0U+U-同相输入同相输入反相输入反相输入 +12V输出输出65
5、13724-12V调零电位器调零电位器外部接线图外部接线图第第2页页 2 2 2 2集成运算的主要技术指标集成运算的主要技术指标集成运算的主要技术指标集成运算的主要技术指标（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Au0 指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。集成运放的下的直流差模电压增益。集成运放的Au0一般很高，约为一般很高，约为104107； 集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻
6、很由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间；低，约在几十欧至几百欧之间；（2）差模输入电阻）差模输入电阻ri和输出电阻和输出电阻r0 （1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Au0 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。器件损坏。（3）最大共模输入电压）最大共模输入电压Uicmax 第第2页页 3 3 3 3理想集成运算及其传输特性理想集成运算及其传输特性理想集成
7、运算及其传输特性理想集成运算及其传输特性Auo=、 ri=、 r0=0 、KCMR=。理想特性理想特性集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性u0(V)ui(mV)0U0MU0M实际特性实际特性根据集成运放的实际特性和理想特根据集成运放的实际特性和理想特性，可画出相应的电压传输特性。性，可画出相应的电压传输特性。 为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：理想化，集成运放的理想化参数为： 电压传输特性给出了集成运放开环电压传输特性给出了集成运放开环时输出电压与输入电压之间的关系。时输出电压
8、与输入电压之间的关系。 可以看出，当集成运放工作在线性可以看出，当集成运放工作在线性区区（+U0M U0M)时，时，其实际特性与理其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，放大倍数相当高，即使输入电压很小，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态也足以让运放工作在饱和状态使输出使输出电压保持稳定。电压保持稳定。线性区线性区饱和区饱和区输出、输入电压的关系：输出、输入电压的关系：输出、输入电压的关系：输出、输入电压的关系：第第2页页 根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结根据集成运放的理想化条件
9、，可以导出两个结根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据：（1）虚虚虚虚断断断断：由由ri=，得得ii0，即即理理想想运运放放内内部部不不需需要要向向信信号号源源索索取取任任何何电电流流，两两两两个个个个输输输输入入入入端端端端的的的的电电电电流流流流恒恒恒恒为为为为零零零零。电电流流为为零零相相当当于于断断路路，但实际上两个输入端并未真正断开，因此称为但实际上两个输入端并未真正断开，因此称为虚断虚断虚断虚断；（2）虚虚虚
10、虚短短短短：由由Ado=，得得uu，即即理理想想运运放放两两两两个个个个输输输输入入入入端端端端的的的的电电电电位位位位相相相相等等等等。两两点点等等电电位位相相当当于于短短路路，实实际际上上两两个个输输入入端端并并未未真真正正短短接接，因此称为因此称为虚短虚短虚短虚短。1. 集成运放由哪几部分组成，各部分的主要集成运放由哪几部分组成，各部分的主要作用是什么？作用是什么？2. 理想运放的特点是什么？理想运放的特点是什么？3. 工作在线性区的理想运放有哪两条重要结工作在线性区的理想运放有哪两条重要结论？何谓论？何谓“虚断虚断”？“虚短虚短”？第第2页页 1 1 1 1反相比例运算电路反相比例运算
11、电路反相比例运算电路反相比例运算电路 集成运放的应用分为集成运放的应用分为线性线性应用和应用和非线性非线性应用两大类。当集成运放应用两大类。当集成运放通过外接电路引入负反馈时，集成运放成闭环并工作在线性区，可构通过外接电路引入负反馈时，集成运放成闭环并工作在线性区，可构成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等；若工成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等；若工作在非线性区，集成运放则可构成各种电压比较器和矩形波发生器等。作在非线性区，集成运放则可构成各种电压比较器和矩形波发生器等。 先介绍集成运放的线性应用。先介绍集成运放的线性应用。8.28.2 集成运放的应用集成
12、运放的应用集成运放的应用集成运放的应用式中负号表示输出电压与式中负号表示输出电压与输入电压的相位相反输入电压的相位相反 +12Vu06513724-12VR2R1uii1ifRFR R2 2是是是是平衡电阻：平衡电阻：平衡电阻：平衡电阻：第第2页页 2 2 2 2同相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路 +12Vu06513724-12VR2R1uii1ifRF 可可见见同相比例运算同相比例运算电电路路的的电压电压放大倍数放大倍数必定大于必定大于必定大于必定大于1 1，而且而且仅仅仅仅由外接由外接由外接由外接电电电电阻的数阻的数阻的数阻的数值值值值来来来来决定，与运放本
13、身的参数无决定，与运放本身的参数无决定，与运放本身的参数无决定，与运放本身的参数无关关关关。第第2页页 3 3 3 3加、减法运算电路加、减法运算电路加、减法运算电路加、减法运算电路 （1 1）加法运算电路）加法运算电路）加法运算电路）加法运算电路 +12Vu06513724-12VRPR3ui3i3ifRFR1ui1i1R2ui2i2当当R1=R2=R3=RF 时：时：若再有若再有R1=RF 时，则：时，则：第第2页页例：例：例：例： 可见加法运算电路也和运放本身的参数无关，只要外接电阻可见加法运算电路也和运放本身的参数无关，只要外接电阻可见加法运算电路也和运放本身的参数无关，只要外接电阻可
14、见加法运算电路也和运放本身的参数无关，只要外接电阻阻值足够精确，就可以保证加法运算的精度和稳定性。阻值足够精确，就可以保证加法运算的精度和稳定性。阻值足够精确，就可以保证加法运算的精度和稳定性。阻值足够精确，就可以保证加法运算的精度和稳定性。 减法运算电路工作减法运算电路工作过程自行分析。过程自行分析。（2 2）减法运算电路）减法运算电路）减法运算电路）减法运算电路 +12Vu06513724-12VR3R1ui1i1ifRFR2ui2求出下图电路中求出下图电路中u0、ui的关系。的关系。解解解解：电路由第一级的反相器和第二电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成，因此：级的加法运算
15、电路级联而成，因此：第第2页页 4 4 4 4微分、积分运算电路微分、积分运算电路微分、积分运算电路微分、积分运算电路 （1 1）积分运算电路）积分运算电路）积分运算电路）积分运算电路ui为恒定电压时积分电路为恒定电压时积分电路uo的波形的波形第第2页页（2 2）微分运算电路）微分运算电路）微分运算电路）微分运算电路第第2页页5 5 5 5集成运算放大电路的非线性应用集成运算放大电路的非线性应用集成运算放大电路的非线性应用集成运算放大电路的非线性应用电压比较器电压比较器电压比较器电压比较器 运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输
16、入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压输出电压uo达到最大值达到最大值UOM。第第2页页基准电压基准电压UR=0时，输入电压时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。与零电位比较，称为过零比较器。 输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽忽略正向导通电压，则略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通，时，稳压管正向导通， uo=0；uiUR时，稳压管正向导通，时，稳压管正向导通， uo=UZ；uiUR时，稳压时，稳压管反向击穿，管反向击穿， uo=UZ时。时。
17、 电压比较器广泛应用电压比较器广泛应用在模在模- -数接口、电平检测数接口、电平检测及波形变换等领域。右图及波形变换等领域。右图所示为用过零比较器把正所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子。弦波变换为矩形波的例子。第第2页页检验学习结果检验学习结果检验学习结果检验学习结果何谓何谓“虚地虚地”？何谓？何谓“虚短虚短”？何谓？何谓“虚虚断断”？“虚地虚地”端是端是否可以真的接地？否可以真的接地？你能画出开环比较器你能画出开环比较器和滞回比较器的电路和滞回比较器的电路图和电压传输特性吗图和电压传输特性吗？说明其工作原理？说明其工作原理工作在线性区的集成工作在线性区的集成运放，为什么要引入运放，为什么要引入负反馈？而且反馈电负反馈？而且反馈电路为什么要接到反相路为什么要接到反相输入端？输入端？比较器也可以输出方波，比较器也可以输出方波，但它与方波发生器相比但它与方波发生器相比较，有什么不同？较，有什么不同？答案在书中找答案在书中找第第2页页
