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1、第5章 集成运算放大器的应用,end,第5章 集成运算放大器的线性应用,end,运放线性应用的条件与特点（1）,运放的传输特性uo=f(ui),在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui,设电源电压为12V，则运放最大输出电压 UOM=10V,设运放Aod=104，则其传输特性如图所示,-0.1,0.1,-10,10,线性区,非线性区,非线性区,结论：运放在开环状态下线性区很窄，只能工作在非线性区。,理想运放则无线性区,如何使运放工作在线性区呢？,降低电压放大倍数,如何降低电压放大倍数呢？,引入负反馈,结论：运放工作在线性区的条件是在电路中加入负反馈。,运放线性应用的条件
2、与特点（2）,运放工作在线性状态下的两个特点,RF引入负反馈,设U+与U-为运放同相与反相端的电位 ，有 uo=Aod(U+-U-),即： U+-U-=uo/Aod,因为对于理想运放有Aod=，所以,U+=U-,虚接,I-,I+,I-,I+,设I+与I-为运放同相与反相端的输入电流 ，因为对于理想运放有rid=，所以,I+=I-=0,虚断,end,分析运放组成的线性电路的出发点,虚接虚断放大倍数与负载无关， 可以分开分析。,第5章 集成运算放大器的线性应用,比例运算电路（1）,实现将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路,反相比例运算,同相比例运算,-实现运算uo=-kui,-实现运算uo
3、=+kui,1、反相比例运算电路(Inverting Amplifier),电路结构特点,Rf引入深度负反馈,该反馈为何种组态？,输入信号加入反相端,平衡电阻R=R1/RF,实现将信号放大并进行运算的电路,称为运算电路。,比例运算电路（2）,参数计算,因为I-=0，所以 i1=if,即，,又因为U-=U+=RI+=0,所以，,即电压放大倍数,输入电阻,因为电路引入电压负反馈，输出电阻 ro=0,若输出端加负载，uo改变吗？,则实现运算：,虚地,i1,if,I-,例. R1=10k , RF=20k , ui =-1V。求:uo ，RP应为多大？,Auf=-（RF/R1） =-20/10=-2u
4、o= Aufui=(-2)(-1)=2VRP=R1/RF=10/20=6.7 k,反相比例运算电路举例,反相比例电路的特点：,1. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,2. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,1. 由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,2. 在放大倍数较大时，该电路结构不再适用 。,优点,缺点,输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地”是反相输入的特点。,比例运算电路（3）,2、同相比例运算电路(Noninverting Amplifer),电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号加入同相端,平衡电阻R=R
5、1/RF,该反馈为何种组态？,i1,if,I-,参数计算,因为I-=0，所以 i1=if,即:,，又因为U-=U+=ui,所以，,即电压放大倍数,则实现运算：,比例运算电路（4）,i1,if,I-,输入电阻,因为电路引入电压负反馈，输出电阻 ro=0,当Auf=1时，称为电压跟随器(Voltage Follower)。,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,例题. Rf=10k , RF=20k , ui =-1V。求:uo ，RP应为多大？,uo= Au ui=(3)(-1)=-3VRP=Rf/RF =10/20=6.7
6、 k,同相比例运算电路举例,同相比例电路的特点：,1. 共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2. 由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,优点,缺点,比例运算电路（5）,分析图示电路输出电压u0与输入电压ui的关系,i1,if,I-,因为I-=0，所以 i1=if,即:,又因为U-=U+,所以:,则：,U+=？,I+,因为I+=0，所以R2，R3串联,比例运算电路（6）,end,分析图示电路输出电压u0与输入电压ui的关系,U+=？,i1= i2,虚接,虚断,虚断,比例运算电路综合举例,例3：求Auf =?,R
7、2,uO1,i1,i2,i3,i4,例:运放运算电路如图所示，导出 的表达式。,加/减运算电路,反相加法器 同相加法器 减法器 加减器,实现将若干个输入信号之和或之差按比例放大的电路，称为加/减运算电路。,加法与减法运算电路（1）,反相加法器(Summing Amplifer),电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号均加入反向端,平衡电阻R=R1/R2/R3/Rf,输入输出关系计算,因为I-=0，所以 i1+i2+i3=if,即:,又因为U-=U+=RI+=0,若取R1=R2=R3=R，则,则实现运算：,I-=0,加法与减法运算电路（2）,反相加法器的特点：,实际应用时可适当增加或减少输入
8、端的个数， 以适应不同的需要。,2. 由于”虚地”的特点, 调节反相求和电路的某一路 信号的输入电阻，不影响其他输入电压和输出电 压的比例关系, 调节方便。,加法与减法运算电路（2）,同相加法器,电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号均加入同向端,输入输出关系计算,因为I+=0，所以 i1+i2+i3=0,即:,又因为在同相比例器中有:,则实现运算：,I+=0,整理得:,RP=R1/R2/R3,同相加法器的特点：,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,2. 同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相 影响，不能单独调整。,加法与减法运算电路（4）,3. 由于存在共模电压，
9、对输入电压及运放的共 模抑制比要求较高。,加法与减法运算电路（3）,减法器(Difference Amplifer),-输入信号同时加入反相端与同相端,ui1单独作用,=0,ui2单独作用,0=,所以:,若取R1=R2、 R3=Rf则,end,若取R1=R2、 R3=Rf则,差动放大器,加法与减法运算电路（6）,例. R1=10k , R2=20k , ui 1=-1V， ui 2=1V 。求:uo,R2,加法与减法运算电路（7）,加减器,-多个输入信号同时加入反相端与同相端,例2：设计一个加减运算电路,选用的电阻在100 100K ,使uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1
10、)画电路:,系数为负的信号从第二级反相端输入，系数为正的信号从第一级反相端输入。,加法与减法运算举例,加法与减法运算举例(2),1. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小 。,2. 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,比例运算电路与加减运算电路小结,积分与微分运算（1）,1、积分运算电路(Integrator),-电容C引入深度负反馈,i1,ic,I-,在图示电路中,因为I-=0，所以i1=ic,又因为U-=0,所以,uc,则,，对该式积分，有：,若设电容上电压初始值为uc(0)，则,积分电路的主要用途：,1.
11、在电子开关中用于延迟。2. 波形变换。例：将方波变为三角波。3. A/D转换中，将电压量变为时间量。4. 移相。,积分与微分运算（2）,积分与微分运算（2）,例：设积分电路中，uc(0)=0，运放输出U0M=10V。试求：（1）当C=1uF，R1分别为1k和2 k，输入为阶跃信号时，uo=? （2）设R1C=10mS，输入为矩形脉冲，uo=?,解：（1）当R1=1k时，,则，,当R1=2k时，同理有,结论：RC的大小决定积分的速度，称为时间常数,积分与微分运算（3）,当输入为图示矩形脉冲时,可由公式进行分段积分如下：,（1）当0tt1时，ui=-2V,（2）当t1tt2时，ui=2V,（3）当
12、t2tt3时，ui=-2V，同理有,积分与微分运算（4）,实际积分电路中存在积分漂移现象,-积分电路对集成运放中的失调与漂移同样进行积分，使输出达到饱和的现象。,尽可能选用失调与漂移小的运放,在积分电容两端并接电阻Rf,Rf的作用:引入直流反馈,有效的 抑制失调的影响.,积分与微分运算（5）,2、微分运算电路(Differentiator),i1,ic,I-,uc,在图示电路中，因为I-=0，所以 i1=ic,又因为U-=0，所以,则,微分电路输出只与电路输入变化率有关,end,运算电路要求,1. 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2. 掌握以上基本运算电路的级联组合的计
13、算。3. 会用 “虚断(ii=0)”和“虚接(u+=u) ”分析给定运算电路的 放大倍数。,第5章 集成运算放大器的线性应用,end,电压与电流的变换（1）,电压/电流变换(Voltage-to-Current Converter),-将电压信号变换为电流信号,因为U-=U+=ui，iL=i1，所以：,iL=ui/R1,即该电路可将电压信号ui转变为电流信号iL输出,电路特点：适用于负载不需要接地的场合,电压测量：将RL换为一个表头，可测量电压。,由于运放入端电流接近零、输出电流与表头内阻无关，故测量精度很高。,电压与电流的变换（2）,电路特点：适用于负载需要接地的场合,输出电流iL分析,u0
14、,设输出电压为u0，则由叠加原理，反相输入端电位U-为,由KCL有，iL=i3-i2，则：,因为U+=U-，并设Rf/R1=R3/R2，整理得：,iL=-ui/R3,即该电路可将电压信号ui转变为电流信号iL输出,电压与电流的变换（3）,电流/电压变换(Current-to-Voltage Converter),-将电流信号变换为电压信号,因为I-=0，所以：,ii=if,uo=-Rfii,又因为U-=U+=0，所以：,即该电路可将电流信号ii转变为电压信号uo输出,电阻测量：将Rf换为被测电阻RX，可测量电阻。,end,限幅电路（1）,限幅电路（又称钳位电路）,-当输入信号在一定范围内变化时，输出跟随变化；当输入信号变化超出范围后，输出保持恒定。,-UZ,定义：使输出恒定时的输入为门限电压Uth,-Uth,+UZ,+Uth,本电路Uth=？,限幅电路（2）,例：求图示限幅电路的门限电压Uth。,解：电路输出由二极管工作状态决定,若D截止，则：,若D导通，则：,如何判断二极管的工作状态？,ua,设D截止，则：,则当uDUD 时D导通，而D导通时输出变化，即：,所以：,+Uth,UO=？,单向限幅,end,
