第七章 集成運放的應用

1、第七章第七章 集成運放的線性應用集成運放的線性應用 和非線性應用和非線性應用7.1 集成運放的線性應用集成運放的線性應用7.2 集成運放的非線性應用集成運放的非線性應用2022-4-307.1.2 比例運算電路比例運算電路7.1.3 加減運算電路加減運算電路7.1 集成運放的線性應用集成運放的線性應用7.1.4 積分和微分運算電路積分和微分運算電路7.1.5 有源濾波電路有源濾波電路7.1.1 概述概述理想集成運放的主要參數：理想集成運放的主要參數：（1）開環(huán)差模增益（放大倍）開環(huán)差模增益（放大倍數）數）Aod=；（2）差模輸入電阻）差模輸入電阻Rid=；（4）共模抑制比）共模抑制比KCMR=

2、;（5）上限截止頻率）上限截止頻率fH=。（3）輸出電阻）輸出電阻Ro=0；7.1.1 概述 uP uNuo )uu( fuNPo uo uid o線性區(qū)線性區(qū) 非線性區(qū)非線性區(qū) 非線性區(qū)非線性區(qū) UOM-UOM 為實現輸出電壓與輸入電壓為實現輸出電壓與輸入電壓的某種運算關系，的某種運算關系， 集成運放應集成運放應工作在線性區(qū)，工作在線性區(qū)， 因而電路中必因而電路中必須引須引入入負反饋，負反饋， 且為了穩(wěn)定輸且為了穩(wěn)定輸出電壓，出電壓，需引入需引入電壓電壓負反饋。負反饋。 虛短和虛斷虛短和虛斷是分析運算電是分析運算電路的基本出發(fā)點。路的基本出發(fā)點。7.1.1 概述 uP uNuo )uu( f

3、uNPo uo ui o線性區(qū)線性區(qū) 非線性區(qū)非線性區(qū) 非線性區(qū)非線性區(qū) UOM-UOM一、反相比例運算電路一、反相比例運算電路1、基本電路、基本電路R 補償電阻，補償電阻，fR/RR 虛短虛短虛斷虛斷0uuPN FRii 0iiNP fONNIRuuRuu 即即IfOuRRu 虛地虛地電壓并聯負反饋電壓并聯負反饋7.1.2 比例運算電路 反相反相/同相比例運算電路、同相比例運算電路、電壓跟隨器電壓跟隨器輸出電阻：輸出電阻：0Ro 輸入電阻：輸入電阻：RRi 節(jié)點節(jié)點N的電流方程：的電流方程：2M1IRuRu 節(jié)點節(jié)點M的電位：的電位：I12MuRRu 一、反相比例運算電路一、反相比例運算電路

4、2、 T型網絡反相比例運算電路型網絡反相比例運算電路7.1.2 比例運算電路 i1R3和和R4的電流分別為：的電流分別為：I3123M3uRRRRui 324iii 輸出電壓：輸出電壓：4422ORiRiu I342142u)RR/R1 (RRR 一、反相比例運算電路一、反相比例運算電路2、 T型網絡反相比例運算電路型網絡反相比例運算電路7.1.2 比例運算電路 虛短虛短虛斷虛斷IPNuuu FRii fNONRuuR0u 即即IfNfOu)RR1(u)RR1(u 電壓串聯負反饋電壓串聯負反饋二、同相比例運算電路二、同相比例運算電路7.1.2 比例運算電路 電壓串聯負反饋電壓串聯負反饋PNOu

5、uu 由于由于IOuu 即反饋系數為即反饋系數為1。三、電壓跟隨器三、電壓跟隨器7.1.2 比例運算電路 。試問：。試問：例：已知例：已知2142RR,RR 的比例系數為多少？的比例系數為多少？與與IOuu)1(解：解：0uuPN 由于由于1I12Ruii M點的電位點的電位I1222MuRRRiu 可以認為可以認為由于由于,RR42I4312M43Ou)RR1(RRu)RR1(u I43Ou)RR1(u 7.1.2 比例運算電路 。試問：。試問：例：已知例：已知2142RR,RR 的比例系數為多少？的比例系數為多少？與與開路，則開路，則若若IO4uuR)2(解：解：反相比例運算電路反相比例運

6、算電路開路，則電路變?yōu)殚_路，則電路變?yōu)?RIOuRRRu132 則則IOuRRu）（即即131 7.1.2 比例運算電路 關關系系將將產產生生什什么么變變化化？輸輸出出電電壓壓與與輸輸入入電電壓壓的的與與地地接接反反，則則值值；若若，求求例例：已已知知I5IOuRu55u A1:同相比例運算電路同相比例運算電路A2:反相比例運算電路反相比例運算電路解：解：II121Ou11u)RR1(u II51O45Ou55u11k100RuRRu k500R57.1.2 比例運算電路 A1:反反相比例運算電路相比例運算電路A2:反相比例運算電路反相比例運算電路解：解：II121Ou10uRRu II1O4

7、5Ou50)u10(5uRRu k500R5 由于各級電路的輸出電阻均為零，由于各級電路的輸出電阻均為零， 所以不所以不存在負載效應，即后級電路雖然是前級電路存在負載效應，即后級電路雖然是前級電路的負載，但不影響前級電路的運算關系，各的負載，但不影響前級電路的運算關系，各級電路可以單獨分析。級電路可以單獨分析。7.1.2 比例運算電路 關關系系將將產產生生什什么么變變化化？輸輸出出電電壓壓與與輸輸入入電電壓壓的的與與地地接接反反，則則值值；若若，求求例例：已已知知I5IOuRu55u uI虛短虛短虛斷虛斷0uuPN 0iiPN fO33I22I11IRuRuRuRu 即即F321iiiiKCL

8、 定律定律根據根據)RuRuRu(Ru33I22I11IfO 7.1.3 加減運算電路 一、反相輸入求和電路一、反相輸入求和電路反相反相/同相雙端輸入求和電路同相雙端輸入求和電路4p3p3I2p2I1p1IRuRuuRuuRuu 4321iiii 4321P33I22I11IPPR/R/R/RR)RuRuRu(Ru 式中式中所以同相輸入端電位所以同相輸入端電位NfOu)RR1(u PfOu)RR1(u )RuRuRu(RRR)RuRuRu(R)RR1(u)RR1(u33I22I11INPf33I22I11IPfPfO )RuRuRu(Ru33I22I11IfO 7.1.3 加減運算電路 二、同

9、相輸入求和電路二、同相輸入求和電路-+PR4i4 當當ui1=ui2 =0時，求時，求出出ui3和和ui4 作用時的輸作用時的輸出電壓出電壓uo。7.1.3 加減運算電路 三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路 當當ui3 = ui4 =0時，求時，求出出ui1和和ui2 作用時的輸作用時的輸出電壓出電壓uo。疊加原理：疊加原理：)RuRu(Ru22I11If1O )RuRu(Ru44I33If2O 543f21R/R/RR/R/R 若若)RuRuRuRu(Ruuu22I11I44I33If2O1OO 7.1.3 加減運算電路 三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路差分比例運算電路差分比例

10、運算電路)uu(RRu1I2IfO 7.1.3 加減運算電路 三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路例題例題2I1f1I1fOu)RR1(uRRu 1R2RfR1Iu2IuOuA 7.1.4 加減運算電路 三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路差分比例運算電路差分比例運算電路例題例題1I11f1Ou)RR1(u 第一級電路的輸出：第一級電路的輸出：2I32f1O32fOu)RR1(uRRu 第二級電路的輸出：第二級電路的輸出：則則若若,RR,RR1f32f1 ）（1I2I32fOuu)RR1(u 7.1.3 加減運算電路 三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路例題例題設計一個運算電路設計

11、一個運算電路,要求輸出電壓和輸入電壓的要求輸出電壓和輸入電壓的運算關系式為運算關系式為 uO=10uI1-5uI2-4uI3解：解：則則若若,R/RR/R/R14f23 )RuRuRu(Ru33I22I11IfO ,k100Rf 選取選取1R2R3R4RfR1Iu2Iu3IuOuA k25R,k20R,k10R321 4RR,5RR,10RR3f2f1f 7.1.3 加減運算電路 三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路例題例題111f324k0k)1011001251201(R1R1R1R1R1 1R2R3R4RfR1Iu2Iu3IuOuA 1R2R3RfR1Iu2Iu3IuOuA 7.1.

12、3 加減運算電路 三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路，于是，于是根據虛地有根據虛地有Ruii IRC tduRC1tdiC1uuICCO 當輸入信號是常量時，即當輸入信號是常量時，即求解求解t1到到t2時間段的積分值時間段的積分值)t (utduRC1u1OttIO21 )t (u)tt (ERC1u1O12O 7.1.4 積分和微分運算電路 一、積分運算電路一、積分運算電路 例題例題畫出在給定輸入波形畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。作用下積分器的輸出波形。)t (u)tt (ERC1u1O12O 7.1.4 積分和微分運算電路 一、積分運算電路一、積分運算電路-UOMtdud

13、RC tdudRC RiRiu ICCRO 顯顯然然7.1.4 積分和微分運算電路 二、微分運算電路二、微分運算電路7.1.5 有源濾波電路 一、濾波電路的用途一、濾波電路的用途 濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。一些較高頻率成分的干擾。 它是在有源元件（晶體管、它是在有源元件（晶體管、場效應管、集成運放）的基礎上增加一些場效應管、集成運放）的基礎上增加一些R、C、L等無源元件而構成的。等無源元件而構成的。 有源濾波器分為：有源濾波器分為： 低通濾波器（

14、低通濾波器（LPF）、）、 高通濾波器（高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF）、）、 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF） 無源濾波電路：無源濾波電路：僅由無源元件（電阻、電僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成。容、電感）組成。有源濾波電路：有源濾波電路： 是一種具有特定是一種具有特定頻率響應的放大器。頻率響應的放大器。7.1.5 有源濾波電路 二、濾波電路的分類二、濾波電路的分類理想濾波器的幅頻特性理想濾波器的幅頻特性(a) 低通濾波器低通濾波器7.1.5 有源濾波電路 二、濾波電路的分類二、濾波電路的分類(c) 帶通濾波器帶通濾波器(b) 高通濾波器高通濾波器(d) 帶阻濾波器

15、帶阻濾波器 （1）為了避免）為了避免50Hz電網電壓的干擾進入放大器，電網電壓的干擾進入放大器，應選用應選用 濾波電路。濾波電路。 （2）已知輸入信號的頻率為）已知輸入信號的頻率為10kHz12kHz，為了，為了防止干擾信號的混入，應選用防止干擾信號的混入，應選用 濾波電路濾波電路 。 （3）為了獲得輸入電壓中的低頻信號，應選用）為了獲得輸入電壓中的低頻信號，應選用 濾波電路濾波電路 。 （4）為了使濾波電路的輸出電阻足夠小，保證負）為了使濾波電路的輸出電阻足夠小，保證負載電阻變化時濾波特性不變，應選用載電阻變化時濾波特性不變，應選用 濾波電路濾波電路 。7.1.5 有源濾波電路 二、濾波電路

16、的分類二、濾波電路的分類2022-4-307.2.2 電壓比較器的分類電壓比較器的分類 7.2.3 單限電壓比較器單限電壓比較器7.2 集成運放的非線性應用集成運放的非線性應用7.2.4 滯回比較器滯回比較器7.2.1 概述概述 電壓比較器是對輸入信號進行鑒幅與比較的電電壓比較器是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路，路， 是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。 電壓比較器電壓比較器 集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋：引入正反饋： 7.2.1 概述 )uu( fuNPo uo ui o線性區(qū)線性區(qū) 非線性區(qū)非線性區(qū) 非線性區(qū)非線性區(qū) UOM

17、-UOM在電壓比較器電路中，在電壓比較器電路中，+A uP uN uo 反饋通路反饋通路 +A uP uN uo ouP-uN uo-UOM +UOM ouN-uP uo+UOM -UOM 1、單限比較器、單限比較器 電路只有一個閾值電壓電路只有一個閾值電壓UT， ouP-uN uoUT 在輸入電壓從小增大或從大減小在輸入電壓從小增大或從大減小 的過程中，的過程中，只要通過只要通過UT， 電壓都會發(fā)生躍變。電壓都會發(fā)生躍變。 +UOM -UOM 2、滯回比較器、滯回比較器 電路有兩個閾值電壓電路有兩個閾值電壓UT1、UT2，ouP-uN uoUT1 UT2 在輸入電壓從小增大過程中，在輸入電壓

18、從小增大過程中， 通過通過UT1時輸出電壓不發(fā)生躍變，時輸出電壓不發(fā)生躍變， 通過通過UT2時輸出電壓才發(fā)生躍變；時輸出電壓才發(fā)生躍變；+UOM -UOM 在輸入電壓從大減小過程中，在輸入電壓從大減小過程中， 通過通過UT2時輸出電壓不發(fā)生躍變，時輸出電壓不發(fā)生躍變， 通過通過UT1時輸出電壓才發(fā)生躍變；時輸出電壓才發(fā)生躍變；7.2.2 電壓比較器的分類 輸出電輸出電 單限比較器單限比較器和滯回比較器在輸入電壓單方向變化時，和滯回比較器在輸入電壓單方向變化時， 3、窗口比較器、窗口比較器 電路有兩個閾值電壓電路有兩個閾值電壓UT1、UT2， 輸出電輸出電壓只躍變一次。壓只躍變一次。 窗口比較器

19、輸入電壓單方向變化時，窗口比較器輸入電壓單方向變化時， 在通過在通過不同的閾值電壓時，輸出電壓會產生兩次躍變。不同的閾值電壓時，輸出電壓會產生兩次躍變。 ouP-uN uoUT1 UT2 +UOM 7.2.2 電壓比較器的分類 閾值電壓閾值電壓 UT = 0 ui uo +A oui uo+UOM -UOM ui uo +A oui uo-UOM +UOM 反相輸入反相輸入 同相輸入同相輸入 7.2.3 單限單限電壓比較器一、過零比較器一、過零比較器ui uo +A DZ1 DZ2 Roui uo+UZ1 -UZ2 ui uo +A DZ Roui uo+UZ -UZ ui uo +A DZ

20、R7.2.3 單限單限電壓比較器一、過零比較器一、過零比較器ui uo +A DZ RR1 R2 UREF NPUREF 參考電壓參考電壓 Nui211uRRR REF212URRR 當當uN=uP=0時，時， 輸出電壓會發(fā)生躍變，輸出電壓會發(fā)生躍變， 這時的這時的ui就是閾值電壓就是閾值電壓UT。 0URRRURRRREF212T211 REF12TURRU oui uoUT +UZ1 -UZ2 7.2.3 單限單限電壓比較器二、一般單限比較器二、一般單限比較器 例題例題 在圖所示電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓在圖所示電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ= 6V， R1=R2=5k ，UREF=2V，輸入

21、電壓為圖示三角波。試畫，輸入電壓為圖示三角波。試畫出輸出電壓的波形。出輸出電壓的波形。 ui uo +A DZ RR1 R2 UREF oui/V t 5 -5 REF12TURRU V2 oui/V uo/V-2 +6 -6 ouo/V t -2 -6 6 7.2.3 單限單限電壓比較器二、一般單限比較器二、一般單限比較器單限比較器，單限比較器， 電路簡單，電路簡單，靈敏度高，靈敏度高，抗干擾能力差?？垢蓴_能力差。uiuoUREFuiouiUREFuoouiUOHUOL 滯回比較器具有滯滯回比較器具有滯 回特性，回特性， 即具有慣性，即具有慣性， 因而具有一定的擾干因而具有一定的擾干 擾能力

22、。擾能力。 在反相輸入單限比在反相輸入單限比較器的基礎上，較器的基礎上， 引入正反饋網絡，引入正反饋網絡， 就構成了滯回比較器。就構成了滯回比較器。 7.2.4 滯回滯回比較器雙門限電壓比較器雙門限電壓比較器ui uo +A DZ RR2 R1 UZ NPZoUu iNuu )U(RRRuZ211P 當當uN=uP時，時， 輸出電壓會發(fā)生躍變，輸出電壓會發(fā)生躍變， 這時的這時的ui就是閾值電壓就是閾值電壓UT。 Z211TURRRU UT1 下門限電壓下門限電壓UT2 2 上門限電壓上門限電壓oui uo UT1 UT2 +UZ -UZ 一、參考電壓為零的滯回比較器一、參考電壓為零的滯回比較器 7.2.4 滯回滯回比較器ui uo +A DZ RR2 R1 UREF UZ NPZoUu iNuu PuREF212URRR )U(RRRZ211 當當uN=uP時，時， 輸出電壓會發(fā)生躍變，輸出電壓會發(fā)生躍變， 這時的這時的ui就是閾值電壓就是閾值電壓UT。 Z211REF212TURRRURRRU oui uo UT1 UT2 +UZ -UZ 二、參考電壓不為零的滯回比較器二、參考電壓不為零的滯回比較器 7.2.4 滯回滯回比較器 UREF會改變閾值電壓會改變閾值電壓UT1、UT2的大小，但不會的大小，但不會改變閾值電壓的寬度。改變