J電工電子技術基礎電子電工電子技術 集成運算放大器

會計學1J電工電子技術基礎電子電工電子技術集成運算放大器第8章集成運算放大器8.2集成運放的應用8.1集成運算放大器第二篇第1頁/共18頁學習集成運算放大器學習目的與要求1.了解和熟悉集成運算放大器的組成及其圖符號；2.掌握集成運放的理想化條件及其分析方法；3.理解集成運放的線性應用及其工作原理；4.了解一般集成運放的簡單非線性應用。第2頁第2頁/共18頁

1．集成運算放大器概述

集成運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結構具有共同之處，一般由四部分組成。8.1

集成運算放大器

輸入級一般是差動放大器，利用其對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和電路性能，輸入級有反相輸入端、同相輸入端兩個輸入端；中間級的主要作用是提高電壓增益，一般由多級放大電路組成；輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些過載保護電路及高頻補償環(huán)節(jié)等輔助環(huán)節(jié)。集成電路的幾種外形第2頁第3頁/共18頁左圖所示為μA741集成運算放大器的芯片實物外形圖

從實物外形圖上可看出，μA741集成運放有8個管腳，管腳的排列圖、電路圖符號如下：1μA7412876543空腳正電源端輸出端調零端調零端反相輸入端同相輸入端負電源端集成運放的電路圖符號∞＋＋－U0U+U-同相輸入反相輸入∞＋＋－+12V輸出6513724-12V調零電位器外部接線圖第2頁第4頁/共18頁

2．集成運算的主要技術指標（1）開環(huán)電壓放大倍數Au0

指集成運放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負載，無負反饋情況下的直流差模電壓增益。集成運放的Au0一般很高，約為104～107；

集成運放的差動輸入電阻很高，可高達幾十千歐和幾十兆歐；由于運放總是工作在深度負反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間；（2）差模輸入電阻ri和輸出電阻r0（1）開環(huán)電壓放大倍數Au0

指運放兩個輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個電壓時，運放的輸入級將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。（3）最大共模輸入電壓Uicmax第2頁第5頁/共18頁

3．理想集成運算及其傳輸特性Auo=∞、ri=∞、r0=0、KCMR=∞。理想特性集成運放的電壓傳輸特性u0(V)ui(mV)0＋U0M－U0M實際特性根據集成運放的實際特性和理想特性，可畫出相應的電壓傳輸特性。

為簡化分析過程，同時又能滿足實際工程的需要，常把集成運放理想化，集成運放的理想化參數為：

電壓傳輸特性給出了集成運放開環(huán)時輸出電壓與輸入電壓之間的關系。

可以看出，當集成運放工作在線性區(qū)（+U0M~－U0M)時，其實際特性與理想特性非常接近；由于集成運放的電壓放大倍數相當高，即使輸入電壓很小，也足以讓運放工作在飽和狀態(tài)—使輸出電壓保持穩(wěn)定。線性區(qū)飽和區(qū)輸出、輸入電壓的關系：第2頁第6頁/共18頁

根據集成運放的理想化條件，可以導出兩個結論，作為集成運放在線性區(qū)工作的重要分析依據：（1）虛斷：由ri=∞，得i＋＝i－＝0，即理想運放內部不需要向信號源索取任何電流，兩個輸入端的電流恒為零。電流為零相當于斷路，但實際上兩個輸入端并未真正斷開，因此稱為虛斷；（2）虛短：由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想運放兩個輸入端的電位相等。兩點等電位相當于短路，實際上兩個輸入端并未真正短接，因此稱為虛短。1.集成運放由哪幾部分組成，各部分的主要作用是什么？2.理想運放的特點是什么？3.工作在線性區(qū)的理想運放有哪兩條重要結論？何謂“虛斷”？“虛短”？第2頁第7頁/共18頁

1．反相比例運算電路

集成運放的應用分為線性應用和非線性應用兩大類。當集成運放通過外接電路引入負反饋時，集成運放成閉環(huán)并工作在線性區(qū)，可構成模擬信號運算放大電路、正弦波振蕩電路和有源濾波電路等；若工作在非線性區(qū)，集成運放則可構成各種電壓比較器和矩形波發(fā)生器等。先介紹集成運放的線性應用。8.2

集成運放的應用式中負號表示輸出電壓與輸入電壓的相位相反∞＋＋－+12Vu06513724-12VR2R1uii1ifRFR2是平衡電阻：第2頁第8頁/共18頁

2．同相比例運算電路

∞＋＋－+12Vu06513724-12VR2R1uii1ifRF

可見同相比例運算電路的電壓放大倍數必定大于1，而且僅由外接電阻的數值來決定，與運放本身的參數無關。第2頁第9頁/共18頁

3．加、減法運算電路

（1）加法運算電路∞＋＋－+12Vu06513724-12VRPR3ui3i3ifRFR1ui1i1R2ui2i2當R1=R2=R3=RF時：若再有R1=RF時，則：第2頁第10頁/共18頁例：

可見加法運算電路也和運放本身的參數無關，只要外接電阻阻值足夠精確，就可以保證加法運算的精度和穩(wěn)定性。

減法運算電路工作過程自行分析。（2）減法運算電路∞＋＋－+12Vu06513724-12VR3R1ui1i1ifRFR2ui2求出下圖電路中u0、ui的關系。解：電路由第一級的反相器和第二級的加法運算電路級聯而成，因此：第2頁第11頁/共18頁

4．微分、積分運算電路

（1）積分運算電路ui為恒定電壓時積分電路uo的波形第2頁第12頁/共18頁（2）微分運算電路第2頁第13頁/共18頁5．集成運算放大電路的非線性應用——電壓比較器

運算放大器處在開環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運算放大器便進入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達到最大值UOM。第2頁第14頁/共18頁基準電壓UR=0時，輸入電壓ui與零電位比較，稱為過零比較器。

輸出端接穩(wěn)壓管限幅。設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向導通電壓，則ui>UR時，穩(wěn)壓管正向導通，uo=0；ui<UR時，穩(wěn)壓管反向擊穿，uo=UZ時。第2頁第15頁/共18頁

輸出端接雙向穩(wěn)壓管進行雙向限幅。設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向導通電壓，則ui>UR時，穩(wěn)壓管正向導通，uo=－UZ；ui<UR時，穩(wěn)壓管反向擊穿，uo=＋UZ時。

電壓比較器廣泛應用在模-數接口、電平檢測及波形變換等領域。右圖所示為用過零比較器把正弦波變換為矩形波的例子。第2頁第16頁/共1