集成運算放大器的基本應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第7章 集成運算放大器的基本應(yīng)用7.1集成運算放大器的線性應(yīng)用7.1.1比例運算電路7.1.2加法運算電路7.1.3減法運算電路7.1.4積分運算電路7.1.5微分運算電路7.1.6電壓電流轉(zhuǎn)換電路7.1.7電流電壓轉(zhuǎn)換電路7.1.8有源濾波器*7.1.9精密整流電路7.2 集成運放的非線性應(yīng)用7.2.1單門限電壓比較器7.2.2滯回電壓比較器7.3 集成運放的使用常識7.3.1 合理選用集成運放型號7.3.2 集成運放的引腳功能7.3.3 消振和調(diào)零7.3.4 保護(hù)本章重點:1. 集成運算放大器的線性應(yīng)用：比例運算電路、加減法運算電路、積分微分運算電路、一階有源濾波

2、器、二階有源濾波器2. 集成運算放大器的非線性應(yīng)用：單門限電壓比較器、滯回比較器本章難點:1. 虛斷和虛短概念的靈活應(yīng)用2. 集成運算放大器的非線性應(yīng)用3. 集成運算放大器的組成與調(diào)試集成運算放大器(簡稱集成運放)在科技領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，形成了各種各樣的應(yīng)用電路。從其功能上來分，可分為信號運算電路、信號處理電路和信號產(chǎn)生電路。從本章開始和以后的相關(guān)章節(jié)分別介紹它們的應(yīng)用。7.1集成運算放大器的線性應(yīng)用 集成運算放大器的線性應(yīng)用 7.1.1比例運算電路1. 同相比例運算電路 (點擊查看大圖)反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋因為有負(fù)反饋，利用虛短和虛斷虛短:    

3、;  u-= u+= ui虛斷:     i+=ii-=0 ， i1=if 電壓放大倍數(shù):平衡電阻R=Rf/R12. 反相比例運算(點擊查看大圖)反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋因為有負(fù)反饋，利用虛短和虛斷i-=i+= 0（虛斷）u+ =0，u=u+=0（虛地）i1=if電壓放大倍數(shù):例題： R1=10kW , Rf=20kW , ui =-1V。求:uo 、Ri。說明R0的作用， R0應(yīng)為多大？ (點擊查看大圖)解：R0為平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):R0=R1/Rf特點：共模輸入電壓=0，（u=u+=0）缺點：輸入電阻小（ Ri

4、=R1）7.1.2  加法運算電路(點擊查看大圖)i-=i+= 0（虛斷）u+ =0，u=u+=0（虛地）i1 + i2= if若R1 =R2 =R, 平衡電阻:R0= R1/ R2/Rf【例】在上圖電路中，設(shè)R1=220k ，運放的最大輸出電壓UOPP=±12V ，電路的輸出電壓為 uo=-(10ui1+22ui2)。    (1)  確定R1、R2和 R的阻值；    (2)  若ui2=0.5V ，求 ui1的允許變化范圍。解: 由得   (2)  

5、 由于該運放的Vopp=±12V ，因此必須滿足所以      7.1.3            減法運算電路 (點擊查看大圖)根據(jù)疊加定理ui1作用：ui2作用：綜合：當(dāng)R1=R2=R3=Rf=R時則有：7.1.4        積分運算電路(點擊查看大圖)反相積分器：如果ui=直流電壓U，輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。上式表明輸出電壓與積分時

6、間t近似成線性關(guān)系，且是一條起始電壓為零，終點電壓為的斜率為的直線，波形如下圖(a)所示。當(dāng)輸入為方波信號時，輸出則為三角波；當(dāng)輸入為正弦信號時，輸出則為余弦波信號，輸出波形分別如下圖(b)、(c)所示。(點擊查看大圖)為限制電路的低頻電壓增高，通常將反饋電容C與電阻并聯(lián)，當(dāng)電路輸入信號頻率大于  時，電路為積分器。若輸入信號的頻率遠(yuǎn)低于，則電路近似為一個反相器，低頻電壓增益為    (7-8)7.1.7電流電壓轉(zhuǎn)換電路在光電檢測裝置中，需要把光電池輸出的微弱電流轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓，這時就需要用到電流電壓轉(zhuǎn)換電路。Uo=  -if·

7、;Rf  =  -i1Rf(點擊查看大圖)7.1.8有源濾波器濾波器的功能：對頻率進(jìn)行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，而保留其有用信號。 濾波器的分類：低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）。(點擊查看大圖)1一階有源低通濾波器(LPF)(點擊查看大圖)2.       一階有源高通濾波器(HPF)(點擊查看大圖)傳遞函數(shù):幅頻特性： 其中幅頻特性曲線(點擊查看大圖)3.二階有源低通濾波器(LPF)(點擊查看大圖)幅頻特性曲線以上兩式表明，當(dāng)2<Aup<3時，

8、Q>1，在 f=f0處的電壓增益將大于Aup，幅頻特性在 f=f0 處將抬高。當(dāng)Aup3時，Q =，有源濾波器自激。由于將C1接到輸出端，等于在高頻端給LPF加了一點正反饋，所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。(點擊查看大圖)4. 二階有源高通濾波器(HPF)(1)通帶增益: (2)頻率響應(yīng)其中：頻率響應(yīng)特性曲線    (點擊查看大圖)結(jié)論：當(dāng)ff0時，幅頻特性曲線的斜為+40 dB/dec；  當(dāng)Aup3時，電路自激。5. 有源帶通濾波器(BPF)帶通濾波器的作用是只允許某一頻帶內(nèi)的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻止通過。在各種抗干

9、擾設(shè)備中，就是利用帶通濾波器的這種作用來接收某一頻帶范圍內(nèi)的有用信號，而消除高、低頻段的干擾和噪聲。 帶通濾波器是由低通和高通濾波器串聯(lián)而成的。兩者同時被覆蓋的頻帶即等于fH-fL形成一個通頻帶。  (a)圖是二階壓控電壓源帶通濾波器電路。其中R、C1構(gòu)成低通網(wǎng)絡(luò)， R2、C2組成高通網(wǎng)絡(luò)。二者串聯(lián)后接在集成運放的同相輸入端?？汕蟮枚A壓控電壓源帶通濾波器的頻率特性為可由低通和高通串聯(lián)得到低通特征角頻率: 高通特征角頻率: (點擊查看大圖)6. 有源帶阻濾波器(BEF)帶阻濾波器的作用是在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號被阻止通過，而在此頻帶之外的信號能夠順利通過。帶阻濾波器(又名陷波器)和帶通濾

10、波器一樣常用于各種抗干擾設(shè)備電路中。如抑制50Hz交流電源引起的工頻干擾信號，在工業(yè)控制中常常用到它。 將低通濾波器和高通濾波器并接在一起，就形成了帶阻濾波器。兩者同時被阻斷的頻帶即為該濾波器的阻帶。其原理示意圖見圖7-26。 由圖可知，凡是f<fL的信號均可從低通濾波器通過，凡是f>fH的信號則可從高通濾波器通過，惟有fL<f<fH的信號被阻斷。fL為低通濾波器的通帶截止頻率，fH為高通濾波器通帶截止頻率。 圖7-27所示為典型的雙T帶阻濾波器，信號經(jīng)并聯(lián)而成的雙T網(wǎng)絡(luò)加到運放的同相輸入端。 可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足(點擊查看大圖)*7.1.9精密整流電路 精密

11、整流電路是由于硅二極管的起始導(dǎo)通電壓約為0.5V，用它來進(jìn)行整流，會產(chǎn)生很大的誤差的緣故而提出對小信號電壓進(jìn)行整流，若采用由集成運放組件和二極管組成的如圖所示整流電路就可完成對微弱信號進(jìn)行半波精密整流。 (1)  當(dāng)ui>0 時，集成運放輸出電壓 uo為負(fù)，于是二極管D1導(dǎo)通，深度的電壓并聯(lián)負(fù)反饋使運放的反相輸入端 點為“虛地”，即 u0。因此， uo -0.7V，此時二極管D2截止，電路輸出電壓 uo=0 。（）  當(dāng)ui<0 時，集成運放輸出電壓 uo為正，于是二極管D2導(dǎo)通，深度的電壓并聯(lián)復(fù)反饋通過D2和Rf加在虛地點 ，使u0 。此時電路輸出電壓為。(點

12、擊查看大圖)由分析可知，即使 ui<0.5V(硅二極管的起始電壓)，輸出電壓uo 仍為 |-ui|，該二極管具有較高精度。假設(shè)運放的開環(huán)電壓增益Auo=5×104 ，二極管的導(dǎo)通電壓Uon=0.5V ，那么只要輸入電壓ui>10V ，就會使D1導(dǎo)通，而當(dāng) ui<-10V ，則又會使D2導(dǎo)通。也就是說，只要輸入電壓的幅度超過 10V ，電路就能正常工作，最小整流電壓峰值僅為10V 。(點擊查看大圖)7.2集成運放的非線性應(yīng)用7.2.1單門限電壓比較器1.  過零比較器（門限電平=0）(點擊查看大圖) （a）信號從同相端輸入  &

13、#160;        （b）信號從反相端輸入例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?點擊播放FLASH演示動畫電壓比較器)(EWB模擬仿真過零比較器)2.       單門限比較器（與參考電壓比較）（1）信號從同相端輸入(點擊查看大圖)運放處于開環(huán)狀態(tài)當(dāng)ui > UREF時 ,  uo = +Uom當(dāng)ui < UREF時 ,  uo = -Uom UREF為參考電壓2）信號從反相端輸入當(dāng)ui < UREF時 ,  u

14、o = +Uom當(dāng)ui  >UREF時 ,  uo = -Uom (點擊查看大圖)(EWB模擬仿真單門限比較器)3. 限幅電路使輸出電壓穩(wěn)定（1）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓(點擊查看大圖)（2）穩(wěn)幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上  (點擊查看大圖)7.2.2滯回電壓比較器特點:電路中使用正反饋。1.滯回比較器1)因為有正反饋，所以輸出飽和。2)當(dāng)uo正飽和時(uo = +Uom) ：3)當(dāng)uo負(fù)飽和時(uo = -Uom) (點擊查看大圖)設(shè)初始值: uo =+Uom, U+= UTH1設(shè)ui , 當(dāng)ui > UTH1,uo從+Uo

15、m ® -Uom這時, uo = -Uom, U+= UTH2設(shè)ui ¯, 當(dāng)ui < UTH2, uo從-Uom ® +Uom2.傳輸特性UTH1 ：上門限電壓UTH 2：下門限電壓UTH 1  - UTH2：為回差UTH  例:設(shè)輸入為正弦波, 畫出輸出的波形。(點擊播放FLASH演示動畫遲滯比較器)(EWB模擬仿真滯回電壓比較器)7.3  集成運放的使用常識7.3.1  合理選用集成運放型號按照集成運放指標(biāo)、性能不同分類，集成運放可分為高放大倍數(shù)的通用型、高輸入阻抗、低漂移、低功能、高速、寬帶、高壓、大功率和電壓

16、比較器等專用集成運放。在結(jié)構(gòu)上還有單片多運放型功放。在選用集成運放時，要遵循經(jīng)濟(jì)適用原則，選用性價比較高的運放，一般指標(biāo)性能高的運放、專用集成運放，價格也相應(yīng)較高，在無特別要求的場合應(yīng)盡量選用通用型、多運放型運放。7.3.2  集成運放的引腳功能集成運放的種類、門類很多，管腳數(shù)、管腳的功能和作用也不相同。如果不充分了解管腳的功能，盲目使用，就會造成使用失當(dāng)，引來麻煩。因此在使用前必須認(rèn)真查閱該型號器件的技術(shù)資料，從中了解其指標(biāo)參數(shù)和使用方法 7.3.3  消振和調(diào)零1.  產(chǎn)生高頻自激振動原因：極間電容和其他寄生參數(shù)2.  消除高頻自激振動方法：相位補(bǔ)償

17、相位補(bǔ)償?shù)脑恚菏窃诰哂懈叻糯蟊稊?shù)的集成運放內(nèi)部的中間級利用電容CB(幾十皮法幾百皮法)構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。 目前大多數(shù)集成運放內(nèi)部電路已設(shè)置消振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如 5G6234。但有些運放，如 5G24、寬帶運放 5G1520等需外接消振補(bǔ)償電容后，才能使用，如下圖的 5G24的89腳間跨接30pF小電容CB就是利用相位補(bǔ)償來消振的。 (點擊查看大圖)圖-調(diào)零原理：在運放的輸入端外加一個補(bǔ)償電壓，以抵消運放本身的失調(diào)電壓，達(dá)到調(diào)整的目的。 調(diào)零方法：（1）靜態(tài)調(diào)零法即將兩個輸入端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器Rp，使輸出為零；（2）動態(tài)調(diào)零法，即加入信號前將示波器的掃描線調(diào)到熒光屏的中心位置，加入信號后掃描線的位置若發(fā)生偏移，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使波形回到熒光屏中心的對稱位置，這樣運放的動態(tài)零點就被調(diào)好。 調(diào)零電路有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零兩種電路。 (點擊查看大圖)圖-本章小結(jié)1集成運放可以構(gòu)成加法、減法、積分、微分等多種運算電路。在這些電路中，均存在深度負(fù)反