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1、运算放大器及其应用,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,各类型号集成芯片,运算放大器的特点,1.元器件参数的一致性和对称性好；2.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；3.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接；4.二极管多用三极管的发射结代替。,一、电路的基本组成,运算放大器方框图,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器。,中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。,偏置电路:由镜像恒流源等电路组成,输出级：与负
2、载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,集成运算放大器的管脚和符号,反相输入端,同相输入端,信号传输方向,输出端,实际运放开环电压放大倍数,(a),(b),(a)符号;,(b)引脚,集成运放 741的电路原理图,同相输入,同相输入,输出,二、主要参数,1.最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2.开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6.共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损
3、坏。,愈小愈好,3.输入失调电压 UIO 4.输入失调电流 IIO 5.输入偏置电流 IIB,1.开环电压放大倍数,2.开环输入电阻,3.开环输出电阻,4.共模抑制比,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,三、理想运算放大器及其分析依据,在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：,线性区：uo=Auo(u+u),非线性区：u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat),1.电压传输特性 uo=f(ui),线性区,理想特性,实际特性,饱和区
4、,O,理想运算放大器图形符号,2.理想运放工作在线性区的特点,因为 uo=Auo(u+u),所以(1)差模输入电压约等于 0 即 u+=u,称“虚短”,(2)输入电流约等于 0 即 i+=i 0,称“虚断”,电压传输特性,Auo越大，运放的 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。,O,3.理想运放工作在饱和区的特点,(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或Uo(sat),(2)i+=i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat)不存在“虚短”现象,四、运算放大器的应用,在信号运算方面的应用：对信号进行比例、加法、
5、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。在信号处理方面的应用:对信号进行滤波、比较等处理。在信号发生方面的应用：用于产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等波形,1）.反相比例运算,(1)电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,(2)电压放大倍数,因虚短和虚断,所以u=u+=0，称反相输入端“虚地”反相输入的重要特点,因虚断，i+=i=0，,所以 i1 if,因要求静态时u+、u 对地电阻相同，所以平衡电阻 R2=R1/RF,1.运算放大器在信号运算方面的运用,例:电路如下图所示，已知 R1=10 k，RF=50 k。求:1.Auf、R2；2.若 R1不变,要求Auf为
6、10,则RF、R2 应为多少？,解：1.Auf=RF R1=50 10=5,R2=R1 RF=10 50(10+50)=8.3 k,2.因 Auf=RF/R1=RF 10=10 故得 RF=Auf R1=(10)10=100 k R2=10 100(10+100)=9.1 k,uO,2）.同相比例运算,因虚断，所以u+=ui,(1)电路组成,(2)电压放大倍数,因虚短，所以 u=u+ui，反相输入端不“虚地”,因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1/RF,3）加法运算电路,a.反相加法运算电路,平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RF,b.同相加法运算电路,如果取 R1=Ri1=
7、Ri2=RF,4)减法运算电路,如果取 R1=R2，R3=RF,如 R1=R2=R3=RF,R2/R3=R1/RF,常用做测量放大电路,5)积分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1=if,if=?,当电容CF的初始电压为 uC(t0)时，则有,将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。,6)微分运算电路,Ui,Ui,比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电
8、压的比例-微分,控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,if,2.运放在信号处理方面的应用,1)有源滤波器,滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。,无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。,按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,a.有源低通滤波器,当 0时，|T(j)|衰减很快,显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶
9、有源低通滤波器。,为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。,b.有源高通滤波器,模拟开关,模拟输入信号,a.电路,2).采样保持电路,采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储电容,控制信号,电压跟随器,b.工作原理,a.电路,采样阶段：uG为高电平，S 闭合(场效应管导通)，ui对存储电容C充电，uo=uC=ui。,保持阶段：uG为 0
10、，S 断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,3)电压比较器,电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。,用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,理想运放工作在饱和区的特点：,1.输出只有两种可能+Uo(sat)或Uo(sat)当 u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat)不存在“虚短”现象 2.i+=i
11、 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性,电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),运放处于开环状态,(1).基本电压比较器,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,当 u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat),即 uiUR 时，uo=Uo(sat),可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,单限电压比较器：当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。,ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat),输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定
12、电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则 ui UR，uo=UZ,uiUR 时，uo=Uo(sat),过零电压比较器,利用电压比较器将正弦波变为方波,(2).滞回比较器,上门限电压,下门限电压,电路中引入正反馈(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生 在同一门限电压上。,当 uo=+Uo(sat)，则,当 uo=Uo(sat)，则,门限电压受输出电压的控制,R2,上门限电压 U+：ui 逐渐增加时的门限电压,下门限电压U+：ui 逐渐减小时的门限电压,两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器,根据叠加原理，有,改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。,当参考电压UR不等于零时,定义
13、：回差电压,与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰 能力越强。,结论：1.调节RF 或R2 可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影响回差 电压U。,电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。,解：对图（1）上门限电压,下门限电压,例：电路如图所示，Uo(sat)=6V，UR=5V，RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,解：对图（2）,例：电路如图所示，Uo(sat)=6V，UR=5V，RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。,（1
14、）,（2）,（1）,（2）,例1：图中所示为运放组成的过温保护电路，R 是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA 是继电器，温度升高，超过规定值，KA 动作，自动切断电源。分析其工作原理。,温度 超过 规定值，ui UR，uo=+UOM，T 导通。KA 动作，切断电源。,温度未超过规定值，Ui UR，uo=UOM，T 截止。KA 不动作。,电压传输特性,UO(sat),UO(sat),例2:电路如图所示,ui 是一正弦电压,画出 uo 的波形。,UO(sat),UO(sat),解:运放为同相输入过零电压 比较器,UO(sat),UO(sat),各电压波形如右图所示。,3.运放在波形产生方面的应用,波
15、形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。,1).RC桥式正弦波振荡电路,RC选频网络正反馈网络,放大电路,用正反馈信号uf作为输入信号,选出单一频率的信号,(1)电路结构,同相比例电路,选频网络,(3)工作原理,输出电压 uO 经正反馈(兼选频)网络分压后，取uf 作为同相比例电路的输入信号 ui。,1)起振过程,2)稳定振荡,A=0，仅在 f 0处 F=0,满足相位平衡条件，所以振荡频率 f 0=1 2RC。,改变R、C可改变振荡频率,由运算放大器构成的RC振荡电路的振荡频率一般不超过1MHz。,3)振荡频率 振荡频
16、率由相位平衡条件决定。,振荡频率的调整,改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C 的大小可实现频率的细调。,振荡频率,4)起振及稳定振荡的条件,稳定振荡条件AuF=1，|F|=1/3，则,起振条件AuF 1，因为|F|=1/3，则,考虑到起振条件AuF 1,一般应选取 RF略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。,由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。,带稳幅环节的电路(1),热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。,在起振时，由于 uO 很小，流过RF的电流也很
17、小，于是发热少，阻值高，使RF 2R1；即AuF1。随着振荡幅度的不断加强，uO增大，流过RF 的电流也增大，RF受热而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1时，稳定于AuF=1，振荡稳定。,半导体热敏电阻,带稳幅环节的电路(2),振荡幅度较小时正向电阻大,振荡幅度较大时正向电阻小,利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。,稳幅环节,2）矩形波发生器,矩形波产生电路,1.电路结构,由滞回比较器、,RC充放电电路组成。,电容电压uc 即是比较器的输入电压，,2.工作原理,设电源接通时，uo=+UZ，uc(0)=0。,电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。,uo 通过 RF 对电容C充
18、电，uc 按指数规律增长。,动画,当 uo=+UZ时，电容充电，uc上升，,电容放电，uc下降，,当uc=UR 时，uo 跳变成 UZ,当 uc=UR 时，uo 跳变成+UZ，电容又重新充电。,2.工作原理,放电,uc,充电,3.工作波形,T=T1+T2,电容充放电过程，uc的响应规律为,4.周期与频率,矩形波的周期,矩形波的频率,充放电时间常数相同：=RC,矩形波常用于数字电路中作为信号源,在充电过程中,在放电过程中,4.运放在信号测量方面的应用,在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等)的变化转换为电信号(电压或电流)，而后输入系统。但这种非电量的变
19、化是缓慢的，电信号的变化量常常很小(一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。,测量放大器的原理电路,对A1和A2有,对A3有,改变R1的阻值，即可调节电压放大倍数,5.使用运算放大器应注意的几个问题,集成运放的用途广泛，在使用前必须进行测试，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，同时还应注意以下问题。,3.调零 为了提高集成运放的精度,消除因失调电压和失调电流引起的误差
20、,需要对集成运放进行调零。,集成运放的调零电路有两类，一类是内调零，集成运放设有外接调零电路的引线端,按说明书连接即可，如常用的741，其中电位器RP可选择10k的电位器,如图所示。,1.选用元件,2.消振,3.调零,(1)输入端保护 当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，可在输入端加入两个反向并联的二极管，如图所示，将输入电压限制在二极管的正向压降以内。,4.保护,A741的调零电路,(1)输入端保护,(2)输出端保护 为了防止输出电压过大,可利用稳压管来保护，如图所示，将两个稳压管反向串联，就可将输出电压限制在稳压管的稳压值UZ的范围内。,输出端保护,4.保护,(3)电源保护 为了防止正负电源接反，可用二极管保护，若电源接错，二极管反向截止，集成运放上无电压，如图所示。,5.相位补偿 集成运放在实际使用中遇到最棘手的问题就是自激。要消除自激，通常是破坏自激形成的相位条件，这就是相位补偿，如图所示。其中，图(a)是输入分布电容和反馈电阻过大(1M)引起自激的补偿方法，图(b)中所接的RC为输入端补偿法，常用于高速集成运放。,相位补偿,6.扩大输出电流,在输出端加接一级互补电路扩大输出电流。,
