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1、 集成运放的基本应用电路集成运放的基本应用电路, ,从功能来看从功能来看, ,有信有信号的运算、处理和产生电路等。这里所讨论的是号的运算、处理和产生电路等。这里所讨论的是模拟信号运算电路模拟信号运算电路, ,包括加法、减法、微分、积包括加法、减法、微分、积分、对数、反对数分、对数、反对数( (指数指数) )运算电路以及乘法和除运算电路以及乘法和除法运算电路等。法运算电路等。 信号处理电路的内容也较广泛信号处理电路的内容也较广泛, ,包括有源滤包括有源滤波、精密二极管整流电路、电压比较器和取样波、精密二极管整流电路、电压比较器和取样- -保持电路等。保持电路等。集成运放的应用8.1 基本运算电路
2、基本运算电路8.2 实际运放电路的误差分析实际运放电路的误差分析8.3 对数和反对数运算电路对数和反对数运算电路*8.4 模拟乘法器模拟乘法器8.5 有源滤波电路有源滤波电路*8.6 开关电容滤波器开关电容滤波器集成运放的应用主要内容主要内容:8.1 加、减、积分和微分电路8.2 实际运算放大器运算电路的误差分析8.3 滤波电路的基本概念，一阶、二阶有源滤波电路基本要求基本要求:8.1 抓住深度负反馈条件下的“虚短”和“虚断”的概念，讨论基本运算电路8.2 了解实际运放组成的运算电路的误差8.3 了解有源滤波电路的分类及一阶、二阶滤波电路的频率特性教学要点：教学要点：建立运算放大器“虚短”和“
3、虚断”的概念，重点介绍由运算放大器组成的加法、减法、积分和微分电路的组成和工作原理集成运放的应用概述概述 一、理想运放的特性理想运放的特性1、开环电压增益Aod=2、差模输入电阻rid=3、输入偏置电流IB1=IB2=04、输出电阻r0=05、共模抑制比CMRR=6、频带宽度BW=7、输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为零+集成运放的应用一、理想运放的特性理想运放的特性二、两条重要的法则二、两条重要的法则1、理想运放的两输入端之间的电压差为零两输入端短路概述概述2、理想运放的两输入端不取电流两输入端之间开路Ui=0，而ri=即两差动输入端相当于短路，但短路中又无电流流过即两差动输入端相
4、当于短路，但短路中又无电流流过。+集成运放的应用+概述概述1、线性区在线性区，它的输出信号和输入信号满足如下的关系Uo=Aod（U+-U-）通常，集成运放的Aod很大，为了使其工作在线性区，大都引入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超出线性范围。特点:（1）运放的同相输入端与反相输入端的电位相等，即U+=U-。（2）理想运放的输入电流等于零。三、集成运放的工作区分为线性三、集成运放的工作区分为线性区和非线性区区和非线性区集成运放的应用+概述概述2、非线性区输出电压与输入电压之间UoAod（U+-U-）特点（1）输出电压只有两种可能的状态：U+或U-，而U+不一定等于U-。当U+U-
5、时Uo=U+U+U-时Uo=U+（2）运放的输入电流等于零。三、集成运放的工作区分为线性三、集成运放的工作区分为线性区和非线性区区和非线性区集成运放的应用8.1 基本运算电路基本运算电路 加法电路加法电路 微分电路微分电路 积分电路积分电路 减法电路减法电路说明：1、对模拟量进行运算时，要求输出信号反映输入信号的某种运算结果。2、集成运放必须工作在线性区。集成运放的应用一、反相输入求和电路二、同相输入求和电路三、双端输入求和电路四、加减法运算器 加减法电路加减法电路集成运放的应用一、一、 反相输入求和电路反相输入求和电路 在在 反相比例运算电路的基础上，增加一个反相比例运算电路的基础上，增加一
6、个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图12.01。此时两个输入信号电压产生的电流都流。此时两个输入信号电压产生的电流都流向向Rf 。所以输出是两输入信号的比例和。所以输出是两输入信号的比例和。图12.01反相求和运算电路集成运放的应用二、二、 同相输入求和电路同相输入求和电路在同相比例运算电路的基础上，增加在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图路，如图12.02所示。所示。图12.02同相求和运算电路 因因运运放放具具有有虚虚断断的的特特性性，对对运运放放同同相相输输入入端端的
7、的电电位位可可用用叠叠加加原原理理求求得得:集成运放的应用RRRRRRvRRRRRRRvRRRRRRRRRRvRRRRRvRRv+=+=f12i212221i1211f12i2121i12o) /() /() /() /() /() /() /() /(RvRvRRRRRRRRvRRvRRv+=+=2i21i1fnpfffi22pi11po)()(由此可得出/ /fn21pRRRRRRR=式中+-= vv+=RRRvRRRRRvRRv) /() /() /() /(12i2121i12-+=vRRRvof而 ,i2i1of21npvvvRRRRR+=时当，集成运放的应用三、三、 双端输入求和电
8、路双端输入求和电路 双端输入也称差动输入，双端输入求双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图和运算电路如图12.0312.03所示。其输出电压表所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似达式的推导方法与同相输入运算电路相似。图12.03双端输入求和运算电路当vi1=vi2=0时，用叠加原理分别求出vi3=0和vi4=0时的输出电压vop。当vi3=vi4=0时，分别求出vi1=0，和vi2=0时的von。集成运放的应用先求式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf集成运放的应用再求于是于是集成运放的应用四、加减法运算器四、加减法运算器 工作原理：特点：它由差动输入放
9、大器演变而来。U+U-I1IfI2I3UoUi4Ui3Ui2Ui1RRRRRRI4若有更多的相加量或相减量，可以增加或减少电路的相应的输入端。由I0，有I1+I2=IfI3+I4=Ip由集成运放的应用一、一、 积分运算电路积分运算电路二、二、 微分运算电路微分运算电路 积分和积分和微分运算电路微分运算电路集成运放的应用一、积分电路一、积分电路 uouiRPRCiiC工作原理其中UCO是电容两端电压的初始值用途（1）延迟：若将积分电路的输出作为电子开关的输入。例如，设R=100，C=0.05F。在t=0时UCO=0。而u0经过+6V时，电子开关动作，若ui在t=0时，由0-3V，则解得T=1ms
10、即延迟时间为1msuit-3VtuoT+6V集成运放的应用uouiRPRCiiC工作原理其中UCO是电容两端电压的初始值用途（2）将方波变为三角波uituot集成运放的应用uouiRPRCiiC用途（3）移相900设输入信号是正弦波，则uo比ui超前900，且这个相位差与频率无关，但输出电压的幅度随频率升高而下降。（3）在模数转换器中将电压量转换为时间量集成运放的应用二、微分电路二、微分电路 iiR工作原理因输入端存在“虚地”，故而i为也流过R，故电路存在的问题：（1）由于uo与ui成正比，uo对ui的变化非常敏感，故抗干扰能力差。（2）RC环节对于反馈信号具有滞后作用，它和运放电路的滞后作用
11、合在一起，可能引起自激发振荡。（3）当ui发生突变时，uo过大，严重时将使电路不能正常工作。uouiRPRC改进措施：改进措施：限流限制uo相位补偿集成运放的应用8.2 实际运放电路的误差分析实际运放电路的误差分析 共模抑制比共模抑制比KCMR为有限值的情况为有限值的情况 输入失调电压输入失调电压VIO、输入失调电流输入失调电流IIO 不为零时的情况不为零时的情况集成运放的应用一一. 共模抑制比共模抑制比KCMR为有限值的情况为有限值的情况同相比例运算电路同相比例运算电路闭环电压增益闭环电压增益理想情况理想情况越大，误差越小。越大，误差越小。集成运放的应用二、二、 VIO、IIO不为零时的情况
12、不为零时的情况输入为零时的等效电路输入为零时的等效电路VNVoR2R1/Rf(IIB-IIO/2)R2VPVIO(IIB-IIO/2)(R2/Rf)集成运放的应用解得误差电压解得误差电压当当 时，可以时，可以消除偏置电流消除偏置电流 引起的引起的误差，此时误差，此时当电路为积分运算时，当电路为积分运算时，即即 换成电容换成电容C，则，则时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。引起的误差仍存在引起的误差仍存在二、二、 VIO、IIO不为零时的情况不为零时的情况集成运放的应用减小误差的方法减小误差的方法 输入端加补偿电路输入端加补偿电路 利用运放自带
13、的调利用运放自带的调 零电路零电路二、二、 VIO、IIO不为零时的情况不为零时的情况集成运放的应用8.3 8.3 对数和反对数运算电路对数和反对数运算电路1. 1. 对数运算电路对数运算电路2. 2. 反对数运算电路反对数运算电路集成运放的应用1. 1. 对数运算电路对数运算电路图12.08对数运算电路对数运算电路见图对数运算电路见图12.08。由图可知。由图可知 集成运放的应用2. 2. 反对数运算电路反对数运算电路指数运算电路如图指数运算电路如图12.0912.09所示。所示。指数运算电路相当于反对数运算电路。指数运算电路相当于反对数运算电路。图图 12.09 12.09 指数运算电路指
14、数运算电路集成运放的应用综合运算电路综合运算电路 加减法运算器反对数运算器uo对数运算器ui3lnui3对数运算器ui2lnui2对数运算器ui1lnui1同相运算器mlnui1反相运算器-nlnui2集成运放的应用8.5 有源滤波电路有源滤波电路一、基本概念及初步定义基本概念及初步定义二、二、一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 高通滤波高通滤波 低通滤波低通滤波 基本概念基本概念 分类分类三、三、 二阶有源滤波电路二阶有源滤波电路 高通滤波高通滤波 低通滤波低通滤波 带通滤波带通滤波 带阻滤波带阻滤波 带阻滤波带阻滤波 带通滤波带通滤波集成运放的应用一、一、基本概念及初步定义基本概念及初步定义
15、1. 基本概念基本概念滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无 用频率信号得电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路滤波电路滤波电路传递函数定义时，有其中 模，幅频响应 相位角，相频响应时延响应为集成运放的应用2. 分类分类按幅频特性分按幅频特性分 低低通通（LPF）用于工作信号为低频（或直流），并且需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合整流后滤波。 高高通通（HPF）用于信号处于高频，并且需要削弱低频的场合阻容放大器的耦合。 带带通通（BPF）用于突出有用频段的信号，削弱其它频段的信号或干扰和噪声载波通信。 带阻（带阻（BEF）用于抑制干扰。 全通（全通（AP
16、F）一、一、基本概念及初步定义基本概念及初步定义通阻通Au阻通Au通阻Au阻阻 通Au集成运放的应用3、无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路：无源滤波电路：由无源元件R、L、C组成的滤波电路。有源滤波电路：有源滤波电路：由晶体管和R、C网络组成的滤波电路。 一、一、基本概念及初步定义基本概念及初步定义RuiRLCuouiRLCLuo4、由由集集成成运运放放（工工作作在在线线性性区区）和和RC网网络络组组成成的的有有源源滤滤波波电路的优点：电路的优点：（1）体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。（2）电路中的集成运放可以加串联负反馈，使ri高，ro低。（3）除起有源滤波作用
17、外，还可以放大，而且放大倍数容易调节。 集成运放的应用1、一阶一阶RC有源滤波电路有源滤波电路二、二、低通滤波器低通滤波器 RuiCuo最简单的滤波电路缺点：带负载的能力差，例如R=27k，RL=3k，对于直流而言，uo只有ui的使分之一，而当RL断开时，uo=ui，其中当为了提高带负载的能力，可以减小R，提高C，但这不现实，此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。集成运放的应用传递函数传递函数其中其中特征角频率特征角频率故，幅频相应为故，幅频相应为1、一阶一阶RC有源滤波电路有源滤波电路二、二、低通滤波器低通滤波器 集成运放的应用8.5.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路2. 高高通滤波
18、电路通滤波电路 可可由由低低通通和和高通串联得到高通串联得到必须满足必须满足3. 带带通滤波电路通滤波电路低通特征角频率低通特征角频率高通特征角频率高通特征角频率集成运放的应用8.5.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路4. 带阻带阻滤波电路滤波电路 可可由由低低通通和和高高通通并并联得到联得到必须满足必须满足 一一阶阶有有源源滤滤波波电电路路通通带带外外衰衰减减速速率率慢慢（-20dB/十十倍倍频频程程），与与理理想想情情况况相相差差较较远远。一一般般用用在在对对滤滤波波要求不高的场合。要求不高的场合。集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控
19、电压源低通滤波电路压控电压源电路（压控电压源电路（VCVS）对于滤波电路，有对于滤波电路，有得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数（二阶）（二阶）集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路令令称为称为通带增益通带增益称为称为特征角频率特征角频率称为称为等效品质因数等效品质因数则则滤波电路才能稳定工作滤波电路才能稳定工作注意：注意：用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数的频率响应：集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路归一化的幅频响应归一化的幅频响
20、应相频响应相频响应集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅频响应波特图集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路2. 压控电压源高通滤波电路压控电压源高通滤波电路 将将低低通通电电路路中中的的电电容容和和电电阻对换，便成为高通电路。阻对换，便成为高通电路。传递函数传递函数归一化的幅频响应归一化的幅频响应滤波电路才能稳滤波电路才能稳定工作定工作集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路2. 压控电压源高通滤波电路压控电压源高通滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅
21、频响应波特图集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路3. 压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路可由低通和高通串联得到可由低通和高通串联得到集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路3. 压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路令令传递函数传递函数得得集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅频响应波特图3. 压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路4. 双双T带阻带阻滤波电路滤波电路双双T选频网络选频网络集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有
22、源滤波电路有源滤波电路4. 双双T带阻带阻滤波电路滤波电路频率响应频率响应集成运放的应用8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路4. 双双T带阻带阻滤波电路滤波电路双双T带阻滤波电路带阻滤波电路集成运放的应用本本 章章 小小 结结实际集成运放电路的开环电压增益、差模输入电阻、输出电阻、共模抑制比、开环带宽、失调和零飘等指标达不到理想集成运放的极端条件，但是用理想条件代替实际运放电路去估算和分析电路，相对误差是很小的。理想集成运放电路在线性区工作导出的虚短和虚断的特征，特别是反相端输入时还具有虚地的特征。视实际运放为理想运放，应用理想运放的这些条件，将大大简化电路的分析和计算。反相输入和同相输入的比例运放电路是两种最基本的集成运算电路，分别为电压并联负反馈和电压串联负反馈。它们是构成集成运算、处理电路最基本的电路，在此基础上搭接取舍构成了加、减、微分、积分、对数、反对数运算电路等。有源滤波电路是由运放和RC反馈网络构成的电子系统，根据幅频响应不同，可分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波电路。高阶滤波电路一般由一阶、二阶滤波电路组成，而二阶滤波电路传递函数的基本形式是一致的，区别仅在于分子中S的阶次为0、1、2 或其组合。 作作 业业课程习题 8.1.18.1.20, 8.2.18.2.5, 8.2.18.2.2, 8.5.18.5.14集成运放的应用
