集成運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器1集成運(yùn)算放大器的簡單介紹2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用4

運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用5使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題3

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用1集成運(yùn)算放大器的簡單介紹運(yùn)算放大器是電壓放大器，最常見的電子器件之一。最早被設(shè)計(jì)出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進(jìn)行加法，減法等運(yùn)算，因此被稱為“運(yùn)算放大器”。運(yùn)算放大器是一個(gè)電路單元(circuitunit)?？梢允褂梅至⒌钠骷部梢约稍趩纹陌雽?dǎo)體芯片上。741集成運(yùn)算放大器是微電子工業(yè)發(fā)展歷史上的一個(gè)里程碑。DIP-8型式封裝741集成運(yùn)算放大器1.2電路的簡單說明運(yùn)算放大器方框圖輸入級(jí)：要求輸入電阻高，差分放大電路

。中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。共發(fā)射極放大電路。

偏置電路:一般由各種恒流源等電路組成。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)功率放大電路或射極輸出器構(gòu)成。集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相輸入端同相輸入端信號(hào)傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)算放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號(hào);(b)引腳741集成運(yùn)放管腳說明1.3主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOM能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo運(yùn)放沒有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

6.最大共模輸入電壓UICM運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)

(2)差模輸入電阻(3)開環(huán)輸出電阻(4)共模抑制比由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問題大大簡化,為此,后面對(duì)運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)在分析運(yùn)算放大器時(shí)，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：

u+–u–

uO1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)線性區(qū)：uO

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時(shí)，uO

=+UO(sat)

u+<u–

時(shí)，uO

=–UO(sat)

1.電壓傳輸特性u(píng)O=f(uI)+UO(sat)–UO(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)O理想運(yùn)算放大器圖形符號(hào)UO(sat)與運(yùn)算放大器的電源電壓有關(guān),一般較電源電壓低1~2V。2.理想運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡O

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0,即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0,

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。反向輸入和輸出建立聯(lián)系。它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系由電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。3.理想運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+UO(sat)或–UO(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時(shí)，uO

=+UO(sat)

u+<u–

時(shí)，uO

=–UO(sat)不存在“虛短”現(xiàn)象

2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬電壓信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分等運(yùn)算。2.1比例運(yùn)算1.反相比例運(yùn)算(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)。因虛斷i+=i–=0iFi1i–i+所以i1iF

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻

R2=R1//RF結(jié)論：(1)Auf為負(fù)值，即uO與uI

極性相反。因?yàn)閡I加在反相輸入端。(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān),與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無關(guān)。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。例1:電路如下圖所示,已知R1=10k,RF=50k。求:(1)Auf、R2；(2)若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？解：(1)Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k(2)因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10k=100k

R2=10100(10+100)k

=9.1k2.同相比例運(yùn)算(1)電路組成因虛短，所以

u–=uI

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻

R2=R1//RF因虛斷i+=i–=0

所以i1iF

(2)電壓放大倍數(shù)結(jié)論：(1)Auf為正值，即uO與uI

極性相同。因?yàn)閡I加在同相輸入端。(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無關(guān)。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。當(dāng)R1=且RF

=0時(shí),uO=uI,Auf=1,稱電壓跟隨器。解:由圖可求得uO=7.5V,且輸出電壓uO只與電源電壓和分壓有關(guān)，其精度和穩(wěn)定度較高，可作為基準(zhǔn)電壓。例：電路如圖，求uO。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。2.2加法運(yùn)算

1.反相加法運(yùn)算電路iI2iI1iF因虛短,u–=u+=0因虛斷，i–=0

所以

iI1+iI2=iF

當(dāng)R11=R12=R1，則上式為當(dāng)R1=RF時(shí)，則平衡電阻：

R2=R11

//R12

//RF2.同相加法運(yùn)算電路根據(jù)疊加原理

uI1單獨(dú)作用(uI2＝0)時(shí)，同理，uI2單獨(dú)作用時(shí)2.3減法運(yùn)算由虛斷可得：由虛短可得分析方法：

如果取

R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比，可以進(jìn)行減法運(yùn)算。解：例1：分析同相串聯(lián)的減法運(yùn)算電路的輸出。例2：已知ui1＝0.5V，ui2＝2V，ui3＝1V,運(yùn)算放大器構(gòu)成何電路，求uO、R3。解:第一級(jí)為反向加法電路,第二級(jí)為減法電路。2.4積分運(yùn)算由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=iFiF=?uC+–

當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時(shí)，則有iFi1uitO積分飽和線性積分時(shí)間–UO(sat)uOtO+UO(sat)uI=UI>0

uI=–UI<0

輸出電壓隨時(shí)間線性變化UI–UI線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間≤≤若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即uI=UI

時(shí)，則比例?積分運(yùn)算電路電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例?積分。這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。iFi1—PI調(diào)節(jié)器uOtO2.5微分運(yùn)算iFi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=iFuItOUI–UI由于微分電路的輸出電壓與輸入電壓的變化率成比例，而電路中的干擾信號(hào)都是迅速變化的高頻信號(hào),因此微分器抗干擾能力差。比例?微分運(yùn)算電路—PD調(diào)節(jié)器iFiRiC上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例?微分。控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用3.1有源濾波器

濾波器是在無線電通信、測量和控制系統(tǒng)中常用到的一種選頻電路。如傳感器輸出的電量信號(hào)，一般都需要經(jīng)過濾波和放大再送給后續(xù)電路。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。有源濾波器：含有有源器件(運(yùn)算放大器)。缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。濾波器按工作頻率范圍,可分為低通、高通、帶通等。濾波器的功能是使指定頻段的信號(hào)通過，而抑制其他頻段的信號(hào)。1.有源低通濾波器設(shè)輸入為正弦波信號(hào),則有故根據(jù)同相比例運(yùn)算關(guān)系稱為截止角頻率2.有源高通濾波器設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有故稱為截止角頻率3.2采樣保持電路

采樣保持電路是多用于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)之前。

對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣,并把采樣值保存一段時(shí)間。用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。應(yīng)用：3.2采樣保持電路SuC+–uI+–uO+–++–模擬開關(guān)模擬輸入信號(hào)1.電路采樣存儲(chǔ)電容控制信號(hào)電壓跟隨器2.工作原理3.2采樣保持電路1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通)，

uI對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，uO=uC

=uI。保持階段：

uG為0，

S斷開(場效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用理想運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：(1)輸出只有兩種可能+UO

(sat)

或–UO

(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uO

=+UO

(sat)

u+<u－

時(shí)，uO

=–UO

(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象。

飽和區(qū)(2)i+=i－0，仍存在“虛斷”現(xiàn)象。電壓傳輸特性線性區(qū)3.3電壓比較器功能：電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。

電壓比較器是一種模擬輸入、數(shù)字輸出的模擬接口電路。用途：用于越限報(bào)警、波形發(fā)生和波形變換以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等場合。

運(yùn)算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：UR

運(yùn)算放大器處于開環(huán)狀態(tài)當(dāng)u+>u–

時(shí)，uO=+UO

(sat)

u+<u–

時(shí)，uO=–UO

(sat)

即uI<UR時(shí)，uO

=+UO

(sat)

uI

>UR

時(shí)，uO

=–

UO

(sat)可見，在uI=UR處輸出電壓uO

發(fā)生躍變。參考電壓uI>UR，uO=+UO(sat)uI

<UR，uO=–UO(sat)輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端思考過零電壓比較器輸出帶限幅的電壓比較器UZ–UZ限幅作用設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，則uI

<

UR，uO

=UZ

uI>UR，uO

=–UZuI<UR時(shí)，u'O

=+UO

(sat)

uI

>UR

時(shí)，u'O

=–

UO

(sat)

uO例1:電路如圖所示,ui是一正弦電壓,畫出uO

的波形。解:(1)

運(yùn)算放大器為同相輸入過零電壓比較器。輸入和輸出電壓波形電壓傳輸特性(2)經(jīng)RC微分電路輸出正負(fù)尖脈沖。(3)二極管D和RL構(gòu)成限幅電路。利用二極管的單向?qū)щ娦?，削去?fù)向尖脈沖，輸出僅為正向尖脈沖。例1:電路如圖所示,ui是一正弦電壓,畫出uO

的波形。輸入和輸出電壓波形解：2.滯回比較器上門限電壓下門限電壓當(dāng)uO

=+UO(sat)，則當(dāng)uO

=–UO(sat)，則RF門限電壓受輸出電壓的控制

電路中引入正反饋：(1)提高了比較器的響應(yīng)速度。(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。上門限電壓U'+：uI逐漸增加時(shí)的門限電壓。下門限電壓U"+：uI

逐漸減小時(shí)的門限電壓。兩次跳變之間具有遲滯特性所以稱滯回比較器回差電壓：優(yōu)點(diǎn)：(1)改善了輸出波形在躍變時(shí)的陡度。(2)回差電壓提高了電路的抗干擾能力,U越大,抗干擾能力越強(qiáng)。調(diào)節(jié)RF

或R2可以改變回差電壓的大小。跳轉(zhuǎn)解：(1)

求上、下門限電壓例2：電路如圖所示，若RF

=20k，R2=10k，

UO(sat)

=±6V，輸入電壓ui=3sin314tV，試畫出對(duì)應(yīng)的輸出電壓uO

波形。下門限電壓上門限電壓解：(2)輸出電壓uO

波形例2：電路如圖所示，若RF

=20k，R2=10k，

UO(sat)

=±6V，輸入電壓ui=3sin314tV，試畫出對(duì)應(yīng)的輸出電壓uO

波形。4