第十七講集成運放的線性應(yīng)用課件

集成運放的基本應(yīng)用信號運算：比例、加、減、乘、除、微分、積分、對數(shù)、指數(shù)等；信號處理：有源濾波、電壓比較、取樣—保持電路等；信號產(chǎn)生：正弦波、矩形波、方波、三角波、鋸齒波等；線性應(yīng)用：（運放工作在線性區(qū)，閉環(huán)狀態(tài)）非線性應(yīng)用：（運放工作在非線性區(qū)，開環(huán)或引入正反饋）施加線性負反饋——比例、加、減、微分、積分等施加非線性負反饋——對數(shù)、指數(shù)等2、按運放的工作狀態(tài)分：1、按電路的功能分：集成運放的基本應(yīng)用信號運算：比例、加、減、乘、除、微分、積分1§7-4集成運放的線性應(yīng)用—基本運算電路

運算電路的功能：

運算電路的結(jié)構(gòu)特征－－均引入電壓負反饋。在運算電路中，以輸入電壓為自變量，以輸出電壓為函數(shù)；當輸入電壓變化時，輸出電壓將按一定的規(guī)律變化，即輸出電壓反映輸入電壓某種運算的結(jié)果。（如比例、加減、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等）為了實現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的某種運算關(guān)系，運放必須工作在線性區(qū)，因而電路必須引入負反饋；因為是電壓之間的運算關(guān)系，應(yīng)該穩(wěn)定輸出電壓，因此都引入電壓負反饋。由于運放優(yōu)良的性能指標，引入的均為深度負反饋?！?-4集成運放的線性應(yīng)用—基本運算電路運算電路的功能27-4-1比例運算電路-+uiuO——uO與ui之間是比例的關(guān)系，可實現(xiàn)比例運算。運放的三種輸入方式：（1）反相輸入（2）同相輸入（3）差分輸入-+uiuO-+ui1uOui27-4-1比例運算電路-+uiuO——uO與ui之間是比3一、反相比例運算電路1、電路結(jié)構(gòu)-+uiuOR1R'Rf輸入信號自反相輸入端輸入；同相輸入端經(jīng)電阻R'接地；電阻Rf

引入一個反饋；反饋組態(tài)為：電壓并聯(lián)負反饋由于運放的開環(huán)增益很高，所以一般都能滿足深負反饋條件，因此運放工作在線性區(qū)。R——平衡電阻。1+AB>>1i-iii+if由虛斷：由虛短：—“虛地”是反相輸入方式獨有的一個重要特點。2、運算關(guān)系分析“虛地”的好處是：運放的共模輸入電壓為0，共模抑制比高。輸出和輸入是反相比例關(guān)系，或稱之為反相放大器。一、反相比例運算電路1、電路結(jié)構(gòu)-+uiuOR1R'Rf43、平衡電阻R的作用和計算：-+uiuOR1R'Rfi-i+-+uiuOR1Rfi-i+平衡電阻的作用是：在靜態(tài)時使運放輸入級的差動放大電路的參數(shù)保持一致，以避免在輸入端產(chǎn)生附加的偏置電壓。在運放的應(yīng)用電路中都要求運放的兩個輸入端在靜態(tài)時的對地等效電阻相等：反相輸入端的對地等效電阻同相輸入端的對地等效電阻T1Rb-EERemuO1RCECRCT2uO2Rb計算平衡電阻的依據(jù)3、平衡電阻R的作用和計算：-+uiuOR1R'Rfi-i54、輸入電阻和輸出電阻由于虛地，輸入電阻為：-+uiuOR1R'Rfi-iii+if因引入電壓負反饋，所以輸出電阻很小：5、單位增益倒相器當Rf=R1時，Auf=-1；稱之為單位增益倒相器。4、輸入電阻和輸出電阻由于虛地，輸入電阻為：-+uiuOR16二、同相比例運算電路1、電路結(jié)構(gòu)-+uiuOR1R'Rf輸入信號自同相輸入端輸入；反相輸入端經(jīng)電阻R1接地；輸出與輸入之間通過電阻Rf

引入一個負反饋；反饋組態(tài)為：電壓串聯(lián)負反饋平衡電阻R'：二、同相比例運算電路1、電路結(jié)構(gòu)-+uiuOR1R'Rf輸入7-+uiuOR1R'Rf2、運算關(guān)系分析i-i1i+if由虛斷：由虛短：輸出和輸入是同相比例的運算關(guān)系，或稱之為同相放大器。-+uiuOR1R'Rf2、運算關(guān)系分析i-i1i+if由虛83、輸入電阻和輸出電阻因引入電壓負反饋，所以輸出電阻很?。?、電壓跟隨器uO=ui，稱為電壓跟隨器。同相輸入方式輸入電阻很高。這也是同相輸入方式的優(yōu)點。電壓串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大。-+uiuOR1R'Rfi-i1i+if-+uiuO-+uiuORR3、輸入電阻和輸出電阻因引入電壓負反饋，所以輸出電阻很?。?9【例題】圖中的uO/ui約為（）(A)-10(B)+10(C)+209k+-A1+-A21k1k10k10k1k+-

uiuO+-uO1uO20.9k【例題】圖中的uO/ui約為（）(A)-1010三、差分比例運算電路（減法電路）1、電路結(jié)構(gòu)ui1經(jīng)電阻R1接反相輸入端；平衡電阻R'：-+ui2uOR1R'Rfui1R2ui2經(jīng)電阻R2接同相輸入端；三、差分比例運算電路（減法電路）1、電路結(jié)構(gòu)ui1經(jīng)電阻R111-+ui2uOR1R'Rfui1R22、運算關(guān)系分析i-i1i+if由虛斷和虛短：i2如果滿足條件：R1

=R2；R'=Rf則有：（差分比例關(guān)系）Rf=R1（減法運算）同相輸入反相輸入-+ui2uOR1R'Rfui1R22、運算關(guān)系分析i-i1123、輸入電阻和輸出電阻因引入電壓負反饋，所以輸出電阻很?。?+ui2uOR1R'Rfui1R2i-i1i+ifi23、輸入電阻和輸出電阻因引入電壓負反饋，所以輸出電阻很?。?13比例電路的典型應(yīng)用——三運放數(shù)據(jù)放大器R4R4R6uOuO2+-R6-++--+R1R2R2A1A2A3uIuO1uO1-uO2R1+2R2=uIR1uO2R2uIR11+=R6R4-根據(jù)虛短，R1兩端的電壓為：根據(jù)虛斷，流過R2和R1的電流相等，三者為串聯(lián)連接。+-uR1電路特點：（1）采用同相輸入方式，輸入電阻很高。（2）采用對稱的電路結(jié)構(gòu)，漂移和失調(diào)相互抵消，提高精度。比例電路的典型應(yīng)用——三運放數(shù)據(jù)放大器R4R4R6uOuO2147-4-2加法運算電路——輸出電壓等于多個輸入電壓信號之和。一、反相加法運算電路-+ui1uOR1R'Rfui2R2ui3R3i-ii1i+ifii2ii3根據(jù)“虛斷”和“虛短”，當R1=R2=R3=Rf時，7-4-2加法運算電路——輸出電壓等于多個輸入電壓信號之15二、同相加法運算電路-+RR'Rfui2R2ui3R3ui1R1uOi-ii1i+ifii2ii3i'根據(jù)“虛斷”和“虛短”:（不好調(diào)節(jié)）二、同相加法運算電路-+RR'Rfui2R2ui3R3ui116二、同相加法運算電路-+RR'Rfui2R2ui3R3ui1R1uOi-ii1i+ifii2ii3i'由反相加法運算電路實現(xiàn)同相相加-+ui1R1R'Rfui2R2ui3R3-+uO2R2'R4R4uO1AA單位增益倒相器根據(jù)“虛斷”和“虛短”:（不好調(diào)節(jié)）二、同相加法運算電路-+RR'Rfui2R2ui3R3ui117【例題】試用集成運放實現(xiàn)以下運算關(guān)系：-+ui1R1R1'RF1ui3R3-+uOR2'RF2R4uO1A1A2ui2R2利用A1實現(xiàn)：利用A2實現(xiàn)：其他電阻的值即可確定。20k100k10k6.2k100k10k100k8.3k【例題】試用集成運放實現(xiàn)以下運算關(guān)系：-+ui1R1R1'187-4-3積分運算電路和微分運算電路積分運算和微分運算互為逆運算。在自動控制系統(tǒng)中，常用積分電路和微分電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)（如PID控制）；此外，它們還廣泛應(yīng)用于波形的產(chǎn)生和變換，延遲、移相，以及各種儀器儀表之中。積分電路和微分電路的結(jié)構(gòu)特征是在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入電容元件。-+uiuOR1R'RfCi-iii+ifuC-+uiuOCR'Rfi-iii+if7-4-3積分運算電路和微分運算電路積分運算和微分運算互19-+uiuORR'RfCi-iii+iC+-uC一、基本積分電路由虛斷和虛短：平衡電阻：積分時間常數(shù)求解t1到t2時間段的積分值時：(1)輸入為正弦波時的輸出電壓波形？(2)輸入為方波時的輸出電壓波形？余弦波，超前移相三角波，波形變換-+uiuORR'RfCi-iii+iC+-uC一、基本積分20-+uiuORR'RfCi-iii+iC+-uC一、基本積分電路實際應(yīng)用的積分電路基本積分電路存在的問題：當輸入低頻或直流信號時，由于電容的容抗很大，電容可視為開路，運放相當于工作在開環(huán)狀態(tài)，此時電路會因增益過大而出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，使輸出電壓接近電源電壓值而產(chǎn)生非線性失真。-+uiuORR'RfCRfRf通常取1M左右。-+uiuORR'RfCi-iii+iC+-uC一、基本積分21二、基本微分電路由虛斷和虛短：-+uiuOCR'Ri-iCi+iR(1)輸入為正弦波時的輸出電壓波形？(2)輸入為方波時的輸出電壓波形？余弦波，滯后移相尖脈沖，波形變換-+uiuORR'RfC二、基本微分電路由虛斷和虛短：-+uiuOCR'Ri-iCi22二、基本微分電路-+uiuOCR'Ri-iCi+iR實際應(yīng)用的微分電路基本微分電路存在的問題：①因為輸出電壓于輸入電壓的變化率成正比，當輸入電壓產(chǎn)生階躍變化或者有脈沖式大幅值的干擾時，會使運放出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。②反饋網(wǎng)絡(luò)為滯后環(huán)節(jié)，它與集成運放內(nèi)部的滯后環(huán)節(jié)相疊加，容易滿足自激振蕩條件。DZ1DZ2RC1R1CR'uiuO+-限制輸入電流相位補償限制輸出電壓幅值二、基本微分電路-+uiuOCR'Ri-iCi+iR實際應(yīng)用237-4-4對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路對數(shù)運算和指數(shù)運算互為逆運算。利用PN結(jié)分伏安特性所具有的指數(shù)規(guī)律，將二極管或者三極管分別接入集成運放的反饋回路和輸入回路，可以實現(xiàn)對數(shù)運算和指數(shù)運算；而利用對數(shù)運算、指數(shù)運算和加減運算相組合，便可以實現(xiàn)乘法、除法、乘方和開方等運算。7-4-4對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路對數(shù)運算和指數(shù)運算24-+uiuORR'V一、對數(shù)運算電路i-i+iDii由虛斷和虛短：-+uiuORR'V一、對數(shù)運算電路i-i+iDii由虛斷和25二、指數(shù)運算電路由虛斷和虛短：-+uiuORR'Vi-i+iRii-+uiuORR'V二、指數(shù)運算電路由虛斷和虛短：-+uiuORR'Vi-i+i26三、乘法電路和除法電路對數(shù)電路1對數(shù)電路2ui1ui2求和電路lnui1lnui2指數(shù)電路ui1×ui2對數(shù)電路1對數(shù)電路2ui1ui2減法電路lnui1lnui2指數(shù)電路1、乘法電路2、除法電路三、乘法電路和除法電路對數(shù)電路1對數(shù)電路2ui1ui2求和l27ui1+-A1-+A2+-A3+-A4ui2uORRR1R2RRRR3RR4乘法電路【例題】試說明圖中所示電路實現(xiàn)什運算功能？ui1+-A1-