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1、第4章 集成运算放大器的应用,掌握集成运算放大器在线性和非线性应用时的分析方法掌握集成运算放大器的反相、同相、差动3种基本输入方式及其电路的特点熟悉比例、加减、积分、微分等基本运算电路的结构、工作原理、特点和功能能分析由基本运算电路组合而成的其他运算电路熟悉电压比较器的电路结构、工作原理和分析方法熟悉一阶滤波器的电路结构、工作原理和分析方法了解采样保持电路、波形发生电路、信号测量电路的结构和工作原理了解集成运放在实际应用中的一些注意事项,学习要点,4.1 模拟运算电路4.2 信号处理电路4.3 波形发生电路4.4 使用运算放大器应注意的几个问题,第4章 集成运算放大器的应用,4.1 模拟运算电
2、路,4.1.1 比例运算电路,1、反相输入比例运算电路,图示电路既能提高输入电阻，也能满足一定放大倍数的要求。根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，可以推出图4-2所示电路的闭环电压放大倍数为：,例 在图4-2所示电路中，已知R1=100k，Rf1=200k，Rf2=200k， Rf3=1k，求：（1）闭环电压放大倍数Auf、输入电阻ri及平衡电阻R2；（2）如果改用图4-1的电路，要想保持闭环电压放大倍数和输入电阻不变，反馈电阻Rf应该多大？,解（1）闭环电压放大倍数为：,2、同相输入比例运算电路,电压跟随器,例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求输
3、出电压uo，并说明输入级的作用。,例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求输出电压uo。,4.1.2 加法和减法运算电路,1、加法运算电路,2、减法运算电路,例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。,解：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。,例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。,解：电路由第一级的同相比例运算电路和第二级的减法运算电路级联而成。,例 试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以下运算关系：,解 由题中给出的运算关系可知ui3与uo反相，而ui1和ui2与uo同相，故可用反相加法
4、运算电路将ui1和ui2相加后，其和再与ui3反相相加，从而可使ui3反相一次，而ui1和ui2反相两次。根据以上分析，可画出实现加减运算的电路图，如图所示。,由图可得：,例：求图示电路中uo与ui的关系。,4.1.3 积分和微分运算电路,1、积分运算电路,积分电路波形,积分电路用于方波三角波转换,例 在图示的电路中。（1）写出输出电压uo与输入电压ui的运算关系。（2）若输入电压ui=1V，电容器两端的初始电压uC=0V，求输出电压uo变为0V所需要的时间。,2、微分运算电路,4.2 信号处理电路,4.2.1 有源滤波器,滤波器：选出所需要的频率范围内的信号，使其顺利通过；而对于频率超出此范
5、围的信号，使其不易通过。不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为低通、高通、带通和带阻四种。无源滤波器：仅由无源元件R、C构成的滤波器。无源滤波器的带负载能力较差，这是因为无源滤波器与负载间没有隔离，当在输出端接上负载时，负载也将成为滤波器的一部分，这必然导致滤波器频率特性的改变。此外，由于无源滤波器仅由无源元件构成，无放大能力，所以对输入信号总是衰减的。有源滤波器：由无源元件R、C和放大电路构成的滤波器。放大电路广泛采用带有深度负反馈的集成运算放大器。由于集成运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使滤波器输出和输入间有良好的隔离，便于级联，以构成滤波特性好或频率特性有特殊要求的滤波器
6、。,1、低通滤波器,截止角频率：,2、高通滤波器,截止角频率：,4.2.2 采样保持电路,采样阶段：控制信号uG出现时，电子开关接通，输入模拟信号ui经电子开关使保持电容C迅速充电，电容电压即输出电压uo跟随输入模拟信号电压ui的变化而变化。保持阶段：uG=0，电子开关断开，保持电容C上的电压因为没有放电回路而得以保持。一直到下一次控制信号的到来，开始新的采样保持周期。,4.2.3 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uo达到最大值UOM。,1、简单比较器,基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，
7、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UZ，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通， uo=0；uiUR时，稳压管反向击穿， uo=UZ时。,输出端接双向稳压管进行双向限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通， uo=UZ；uiUR时，稳压管反向击穿， uo=UZ时。,电压比较器广泛应用在模-数接口、电平检测及波形变换等领域。如图所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子。,2、滞回比较器,设比较器初始状态uo=+UOM，此时同相输入端的电压为：,当ui由低向高变化直至uiuH1时，比较器的输出电压uo由UOM跳变至UOM，此
8、时同相输入端的电压为：,当ui由高向低变化直至uiuH2时，比较器的输出电压uo由UOM跳变至UOM，此时同相输入端的电压又变为uH1。,uH1称为上门限电压，uH2称为下门限电压，两者的差值称为回差电压，用uH表示，即：,与简单比较器相比，滞回比较器具有以下两个优点：（1）引入正反馈后能加速输出电压的转变过程，改善输出电压在跳变时的波形。（2）提高了电路的抗干扰能力。由于回差电压的存在，输出电压uo一旦转变为UOM或UOM后，运算放大器同相输入端的电压u+随即自动变化，因此，输入电压ui必须有较大的反向变化才能使输出电压uo转变。,4.3 波形发生电路,4.3.1 正弦波发生电路,起振过程：
9、在无输入信号（xi=0）时，电路中的噪扰电压（如元件的热噪声、电路参数波动引起的电压、电流的变化、电源接通时引起的瞬变过程等）使放大器产生瞬间输出xo，经反馈网络反馈到输入端，得到瞬间输入xd，再经基本放大器放大，又在输出端产生新的输出信号xo，如此反复。在无反馈或负反馈情况下，输出xo会逐渐减小，直到消失。但在正反馈情况下，xo会很快增大，最后由于饱和等原因输出稳定在xo，并靠反馈永久保持下去。,1、自激振荡条件,起振时必须满足：AF1。,正弦波振荡器的基本组成部分：基本放大电路正反馈网络选频网络,正弦波振荡器的分类：RC正弦波振荡器LC正弦波振荡器,文氏电桥振荡器,2、 RC正弦波振荡器,
10、放大器的电压放大倍数为：,反馈网络具有选频作用。,RC反馈网络的反馈系数为：,4.3.2 非正弦波发生电路,1、方波发生电路,电路组成：由滞回比较器和RC充放电回路两部分组成，图中VDZ是双向稳压管，起限制输出电压幅值的作用，R3是VDZ的限流电阻。,电路工作原理：设t=0时电容上电压uC=0，滞回比较器的输出电压uo=+UOM，则集成运放同相输入端的电位为：,此时输出电压uo通过电阻R向电容C充电，使电容两端的电压uC按指数规律上升。由于电容C接在集成运放的反向输入端，所以，只要uCuH1 ，uo即由UZ跳变至UZ，于是集成运放同相输入端的电位立即变为：,输出电压uo变为UZ后，电容C通过电
11、阻R放电，使电容两端的电压uC按指数规律下降。uC下降到零后，电容C反方向充电。直至时uC uH2，比较器的输出电压uo又立即由UZ跳变至UZ。如此周而复始，便在输出端得到方波电压，而电容两端则得到三角波电压。,2、三角波发生电路,电路组成：在滞回比较器的输出端再接了一个积分电路组成，滞回比较器中的R1没有直接接地，而是接到了积分电路的输出端。,电路工作原理：由于虚断，运放A1反相输入端的电位为零，而同相输入端的电位uH同时与滞回比较器的输出电压uo1和积分电路的输出电压uo有关，根据叠加定理，可得：,设t=0时滞回比较器的输出电压uo1=UZ，积分电路的输出电压uo=0，根据上式可知此时uH
12、0 。此后uo将随时间按线性规律上升，uH也随时间按线性规律上升，当上升到uH=0时，uo1即由UZ跳变至UZ，同时uH也跳变为一个正值。在此之后，uo将随时间按线性规律下降，使uH也随时间按线性规律下降。当下降到uH=0时，uo1又由UZ跳变至UZ，同时uH也跳变为一个负值。然后重复以上过程，于是在滞回比较器的输出端得到的电压uo1为方波，而在积分电路的输出端则得到的电压uo为三角波，其中三角波电压uo的幅度为：,4.4 使用运算放大器应注意的几个问题,4.4.1 选用元件,通常是根据实际要求来选用运算放大器。如测量放大器的输人信号微弱它的第一级应选用高输入电阻、高共模抑制比、高开环电压放，
13、大倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。选好后，根据管脚图和符号图联接外部电路，包括电源、外接偏置电阻、消振电路及调零电路等。,4.4.2 消振,通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。是否已消振，可将输入端接地，用示波器观察输出端有无自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。,4.4.3 调零,4.4.4 保护,调零时应将电路接成闭环。调零分两种，一种是在无输入时调零，即将两个输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。另一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。,1、输入端保护,3、电源保护,2、输出端保护,4.4.5 扩大输出电流,
