第4章-集成运算放大器的应用课件

4.1 集成运放理想化条件和线性应用条件 4.2 集成运放线性应用基本电路4.3 运算电路4.4 集成运放在信号转换中的应用4.5 有源滤波器 4.6 集成运算放大器的非线性应用4.7 集成运放使用常识及其应用示例第第4章章 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用 本章教学目标本章教学目标1、掌握运放理想化条件、线形应用条件及其掌握运放理想化条件、线形应用条件及其“虚短虚短”、“虚虚断断”特性。特性。2、掌握运放三种基本放大电路的组成、性能、特点。、掌握运放三种基本放大电路的组成、性能、特点。3、掌握求和、积分、微分运算电路的组成及其输入输出关系。、掌握求和、积分、微分运算电路的组成及其输入输出关系。5、了解模拟乘法器的基本特性、电路符号及由其构成的除、了解模拟乘法器的基本特性、电路符号及由其构成的除法、平方、开方运算电路。法、平方、开方运算电路。6、熟悉滤波器功能及其分类。了解一阶、二阶有源滤波器、熟悉滤波器功能及其分类。了解一阶、二阶有源滤波器的组成、性能、特点。的组成、性能、特点。4、熟悉测量放大器原理及其应用。、熟悉测量放大器原理及其应用。本章教学目标本章教学目标7、熟悉由集成运放组成的电压熟悉由集成运放组成的电压-电流转换电路、电流电流转换电路、电流-电压转电压转换器原理，了解半波精密整流电路原理。换器原理，了解半波精密整流电路原理。8、掌握集成运放非线性应用条件及其特点。掌握单值电压比掌握集成运放非线性应用条件及其特点。掌握单值电压比较器、迟滞比较器、窗口比较器的电路组成、工作原理。会较器、迟滞比较器、窗口比较器的电路组成、工作原理。会计算阀值电压，会画出电压传输特性图，根据计算阀值电压，会画出电压传输特性图，根据ui波形画出波形画出uo波波形。了解集成电压比较器，熟悉比较器的应用。形。了解集成电压比较器，熟悉比较器的应用。9、熟悉特殊集成运放选用常识，熟悉集成运放的外接电阻选、熟悉特殊集成运放选用常识，熟悉集成运放的外接电阻选用、单电源交流放大调零、消振与保护等运放应用知识。用、单电源交流放大调零、消振与保护等运放应用知识。10、选学集成运放应用示例，感兴趣者可安装、调试集成运选学集成运放应用示例，感兴趣者可安装、调试集成运放放大电路。放放大电路。4.1 集成运放理想化条件和线性应用条件集成运放理想化条件和线性应用条件 一、集成运放理想化条件一、集成运放理想化条件 满足理想化的集成运放应具有无限大的差模输入电阻，趋于零的输出电阻，无限大的差模电压增益和共模抑制比，无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移。虽然实际的集成运放不可能具有上述理想特性，但是在低频工作时它的特性是接近理想的。因此在实际使用和分析集成运放电路时，就可以近似地把它看成为理想集成运算放大器(Ideal operational amplifier)。4.1 集成运放理想化条件和线性应用条件集成运放理想化条件和线性应用条件 二、集成运放线性应用条件二、集成运放线性应用条件 把集成运放接成负反馈组态是集成运放线性应用的必要条件。在分析集成运放线性应用时，可应用集成运放理想化条件。集成运放理想化具有以下两个特性:1.虚短(Virtual short circuit)2.虚断(Virtual open circuit)4.1 集成运放理想化条件和线性应用条件集成运放理想化条件和线性应用条件 1.虚短 (Virtual short circuit)由式（3.2.1）得 因为集成运放开环电压增益趋于无穷大，当运放的输出电压u为有限值时，集成运放的输入电压趋于零，即两个输入端电压相等，即 u+=u-因此，集成运算放大器同相输入端与反相输入端可视为短路。4.1 集成运放理想化条件和线性应用条件集成运放理想化条件和线性应用条件 2.虚断(Virtual open circuit)需要注意的是，虚短不能认为两个输入端短路，因为实际上的uid不可能等于零，虚断也不能认为是开路，因为实际上iid不可能等于零。理想集成运放的输入电阻趋于无穷大，故其输入端相当于开路，集成运放就不需要向前级索取电流，即 i+=i-=0 利用以上两个特性，可以十分方便地分析各种运放的线性应用电路。集成运放主要参数就是它的非理想特性的客观反映。集成运放主要参数就是它的非理想特性的客观反映。1 1、开环差模电压增益、开环差模电压增益Aod 集成运放的开环差模电压增益(Open-Loop differential voltage gain)是指集成运放工作在线性区，接人规定负载而无负反馈情况下的直流差模电压增益。Aod与输出电压U0的大小有关，通常是在规定的输出电压幅值时（如U0=+10V）测得的值。通常用分贝数dB表示，则为 一般情况希望Aod越大越好，Aod越大，构成的电路性能越稳定，运算精度越高。Aod一般可达100dB，最高可达140dB以上。如果集成运放差动输入级非常对称，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差动输入级很难达到对称，通常在室温25下，为了使输入电压为零时输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压UIO。UIO的大小反映了运放输入级电路的不对称程度。UIO越小越好，一般为（110）mV。2、输入失调电压、输入失调电压UIO及其温漂及其温漂 dUIO/dT 另外，输入失调电压的大小还随温度，电源电压的变化而变化。通常输入失调电压UIO对温度的变化率称之为输入电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）用 dUIO/dT表示,一般为(1020)V/.注意：dUIO/dT不能用外接调零装置来补偿，在要求温漂低的场合，要选用低温漂的运放。3、输入失调电流、输入失调电流IIO及其温漂及其温漂dIIO/dT 在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称之为输入失调电流IIO，有IIOIB1IB2 它反应了输入级两管输入电流的不对称情况，IIO越小越好，一般为1nA0.1A。IIO随温度的变化而变化，IIO随温度的变化率称之为输入失调电流温漂，用d IIO/dT表示，单位为nA/。4 4、输入偏置电流、输入偏置电流I IIBIB 输入偏置电流(Input bias current)是指集成运放输出电压为零时，两个输入端偏置电流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2，IIB越小越好，一般为10nA10A。5、开环差模输入电阻开环差模输入电阻Rid 差模输入电阻是指集成运放的两个输入端之间的动态电阻。它反映输入端向差动信号源索取电流的能力。其值越大越好，一般为几兆欧姆。MOS集成运放Rid 高达106M以上。6、开环差模输出电阻、开环差模输出电阻Rod 集成运放开环时，从输出端看进去的等效电阻，称之为输出电阻。它反映集成 运放输出时的负载能力，其值越小越好。一般Rod小于几十欧姆。7、共模抑制比、共模抑制比KCMR 共模抑制比为开环差模电压增益Aod与共模电压增益Aoc之比的绝对值：KCMR=Aud/Auc，它表示集成运放对共模信号抑制能力，其值越大越好，一般KCMR为60130dB之间。8、最大差模和共模输入电压、最大差模和共模输入电压Uidmax,、Uicmax Uidmax是指集成运放两个输入端所允许加的最大差模电压，超过此电压，将会使集成运放输入级某一侧三极管发射结反向击穿。Uicmax是指集成运放两个输入端所允许加的共模最大电压，超过此电压，集成运放的共模抑制比将明显下降。9、最大输出电压、最大输出电压Uom 在给定负载上，最大不失真输出电压的峰峰值称为最大输出电压。10、转换速率、转换速率SR(Slew rate)SR是指集成运放在闭环状态下，输入大信号时输出电压随时间的最大变化率，SR越大越好。1111、小信号频率参数小信号频率参数 集成运放(741)工作于小信号状态幅频特性如图4.1.2所示。图中Aod(dB)为直流差模增益，fH为上限频率。（1）开环带宽）开环带宽BW BW为运放开环差模电压增益值比直流增益下降了3dB所对应的信号频率。例如：741的fH=7Hz 图4.1.2 集成运放(741)幅频特性 BWfH（2）单位增益带宽）单位增益带宽BWG BWG为运放开环电压增益频率特性曲线上其增益下降到Aod=1(Aod为0dB)时的频率。集成运放闭环应用时，BWG就是反馈放大电路的增益带宽积。741运放Aod=2105时，fT=21057HZ=1.4MHZ。4.1.2 4.1.2 典型的双运放、四运放简介典型的双运放、四运放简介 双运放F353引脚排列图如图4.1.3所示，该器件是一种高速JFET输入运算放大器。四运放LM324引脚排列图如图4.1.4所示。它是通用型单片高增益运算放大器，它既可以单电源使用，也可双电源使用。图4.1.3 双运放F353 图4.1.4 四运放LM324 4 4.2 2 集成运放基本线性应用电路集成运放基本线性应用电路 4.2.1 4.2.1 反相输入放大电路反相输入放大电路 图4.2.1 反相输入放大电路 图中，Rf为反馈电阻，构成电压并联负反馈组态；电阻RP称为直流平衡电阻。Ro=0 4.2.2 4.2.2 同相输入放大电路同相输入放大电路图4.2.2 同相输入放大电路 放大电路的输入电阻Ri放大电路的输出电阻 Ro=0 输入信号ui经电阻R2送到同相输入端，Rf与R1使运放构成电压串联负反馈电路。图4.2.3 电压跟随器 图4.2.4 电压跟随器其它形式电路 电压跟随器与射极跟随器类似，但其跟随性能更好，输入电阻更高、输出电阻为零，常用作变换器或缓冲器。在电子电路中应用极广。其实用电路还有其它两种形式，电路如图4.2.4所示。图b电路在同相输入端加一隔离电阻，防止因输入电阻过高而引人周围电场的干扰，Ri=R。4.2.3 差分输入差分输入(Differential input)放大电路放大电路图4.2.5 差分输入放大电路 当取R1=R2和Rf=R3时,则上式为 差分输入放大电路的两个输入端都有信号输入。ui1通过R1接至运放的反相输入端，ui2通过R2、R3分压后接至同相输入端，而uo通过Rf、R1反馈到反相输入端。4.3.1 4.3.1 求和运算电路求和运算电路图4.3.1 反相加法器 当取R1=R2=R时 当取R=Rf时 两个输入信号ui1、ui2分别通过R1、R2接至反相输入端。Rf为反馈电阻，R3为直流平衡电阻。一、反相加法器一、反相加法器 4.3 4.3 运算电路运算电路 二、二、同相加法器同相加法器图4.3.2 同相加法器 应用叠加定理进行分析：设ui1单独作用，ui2=0 同相加法器如图4.3.2所示，输入信号ui1、ui2都加到同相输入端，而反相输入端通过电阻R3接地。图4.3.2 同相加法器 设ui2单独作用，ui1=0 二者迭加得 若取：R1=R2、R3=Rf,则 4.3.2 4.3.2 积分和微分电路积分和微分电路图4.3.4 积分电路 若若C上起始电压为零，则上起始电压为零，则 若若C上起始电压不为零，则上起始电压不为零，则 一、积分电路一、积分电路 积分运算(Integratial operation)电路如图4.3.4所示。输入信号ui通过电阻R接至反相输入端，电容C为反馈元件。图4.3.5 积分运算电路在不同输入情况下的波形 图4.3.6 实用积分电路 在实用电路中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制，如图4.3.6所示。二、二、微分电路（微分电路（Differentiatial operation）图4.3.7 微分电路 将图4.3.4中反相输入端的电阻R和反馈电容C位置互换，便构成基本微分运算电路，如图4.3.7所示。图4.3.7所示电路并不实用，当输入电压产生阶跃变化或有脉冲式大幅值干扰，都会使集成运放内部的放大管进入饱和截止状态，以至于当信号消失了，内部管子还不能脱离原状态而回到放大区，出现阻塞现象，电路只有切断电源后方能恢复，即电路无法正常工作。此外基本微分电路容易产生自激振荡，使电路不能稳定工作。为解决上述问题，组成微分实用电路如图4.3.8（a）所示。R1限制输入电流亦即限制了R中电流，VZ1、VZ2用以限制输出电压，防止阻塞现象产生，C1为小容量电容，起相位补偿作用，防止产生自激振荡。若输入为方波，且RCT/2（T为方波周期），则输出为尖顶波，如图4.3.8（b）所示。图4.3.8 实用微分运算电路4.3.3 4.3.3 测量放大器测量放大器 在精密测量和控制系统中，需要把来自各种传感器的电信号在共模条件下按一定的倍数精确地放大，这些电信号往往是微弱的差值信号，这就要求放大电路具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻、放大倍数能在大范围内可调，且误差小、稳定性好等特点，这样的放大电路称为测量放大电路(Instrumental Amp)，又称为精密放大电路或仪用放大电路。典型的测量放大电路如图4.3.9所示，图中所有电阻均采用精密电阻。图4.3.9 测量放大电路 由于A1、A2采用高输入阻抗的同相输入放大电路的形式。根据虚短的概念，uN1=ui1，uN2=ui2，根据虚断的概念，流过R1、RP为同一电流iR1，且iR1=（ui1ui2）/RP。因此运放A1和A2输出电压之差为 运放A3为减法运算电路，有 上式表明，输入电压与输出电压的差值成正比。该电路的放大倍数Au（即差模电压放大倍数）为 调节RP就可方便地改变放大倍数，且RP接在运放A1、A2的反相输入端之间，它的阻值改变不会影响电路的对称性。该电路具有很高的共模抑制比。只要A3的两输入端所接的电阻对称，uo1和uo2共模成分则可以互相抵消。例如，若ui1、ui2为共模信号，即ui1ui2，由式（3.1.13）可知uo0，即KCMR。从以上分析可知，即使运放本身KCMR不是很大，只要A1、A2对称性很好，各电阻阻值的匹配精度高，整个电路的KCMR仍然非常大。若电阻匹配误差为0.001%，KCMR可达100dB。测量放大电路应用非常广泛，目前已有单片集成芯片产品，如AD524、AMP-02、AMP-03、INA102、LH0036、LH0038等，增益可调范围为11000，输入电阻高达108数量级，共模抑制比为105。图4.3.10 模拟乘法器图形符号 uo=KuXuY，K称为模拟乘法器的增益系数 模拟乘法器的电路符号如图4.3.10所示，通常有两个输入端uX和uY及一个输出端uo，其输出电压正比于两个输入电压之乘积。4.3.4 4.3.4 模拟乘法器及其在运算电路中的应用模拟乘法器及其在运算电路中的应用 模拟乘法器（Analog multiplier）与运算放大器组合，可实现除法、乘方、开方、倍频等各种运算电路，还可以实现检波、调制、解调以及构成各种函数发生器及锁相环电路等。一、概述一、概述 根据两个输入电压的不同极性的限制，乘法器可以有四象限乘法器(即两个输入电压可正、可负)、二象限乘法器（即要求一个输入电压为单极性，另一个输入电压可正、可负）和单象限乘法器（即两个输入电压均为单极性）。二、模拟乘法器的几种典型应用电路二、模拟乘法器的几种典型应用电路图4.3.11 除法运算电路 uz=KuXuY=Kui2uo 1.除法电路除法电路 将乘法器放在反相放大器的反馈支路中便构成除法运算电路，如图4.3.11所示。图4.3.11所示电路，只有当ui2为正极性时，才能保证集成运放处于负反馈工作状态，电路才能正常工作，而ui1可正、可负，故电路属二象限除法器。2.平方运算平方运算图4.3.12 平方运算电路 在实际使用时，可以利用平方运算实现倍频功能，若输入信号为正弦信号，即 ui=Umsint 则输出电压为 在输出端接入一个隔直电容将直流隔开，则可得到二倍频的余弦波输出电压，实现倍频作用。平方运算是模拟量的自乘运算，因此将输入信号ui同时加到乘法器的两个输入端即可完成平方运算，其输出电压为 3.平方根运算平方根运算图4.3.13 平方根运算电路 平方根运算电路如图4.3.13所示，与图4.3.11所示的除法电路比较可知，它是上述除法电路的一个特例，如将除法电路中乘法器的两个输入端都接到运放的输出端，就组成了平方根运算电路。4.4 4.4 集成运放在信号转换中的应用集成运放在信号转换中的应用 将输入电压变换为输出电流的电路（不受RL的影响），称为电压电流转换器（Voltage current converter），又叫做U/I转换电路。它经常用在驱动继电器、模拟仪表等应用中。根据不同的应用情况，电压-电流转换器可分别驱动悬浮负载和接地负载。4.4.1 电压电流转换电路电压电流转换电路 4.4 4.4 集成运放在信号转换中的应用集成运放在信号转换中的应用 图4.4.1 电压-电流转换电路 4.4.1 电压电流转换电路电压电流转换电路 4.4 4.4 集成运放在信号转换中的应用集成运放在信号转换中的应用 上式表明，负载电流iL仅由输入电压决定，而与负载RL的大小无关。当输入电压不变时，负载电阻在一定的范围内变化，输出电流将保持不变，此电路就成为恒流源。图4.4.1（b）所示是同相电压-电流转换电路，分析方法同上述相同。图4.4.1所示是基本的电压-电流转换电路。图4.4.1（a）所示是反相电压-电流转换电路，负载RL接在输出端和反相输入端之间，是悬浮负载（负载不接地）。流过负载的电流为 4.4 4.4 集成运放在信号转换中的应用集成运放在信号转换中的应用 对于接地负载，可用如图4.4.2所示的电路进行分析，负载电流由输入电压控制。经过简单推导得知 图4.4.2 带接地负载的电压-电流转换电路 当 时，4.4 4.4 集成运放在信号转换中的应用集成运放在信号转换中的应用 图4.4.3 电流-电压转换电路 4.4.2 电流电压转换电路电流电压转换电路 在自动测量系统中，经常需要将微弱的电流信号转换成电压来实施控制。例如光电检测装置，它需要把光电池输出的微弱电流转换成与之成正比的电压。uo=ifRf=iIRf 电路的输出电压与输入电流成正比，实现了从电流到电压的转换。4.4 4.4 集成运放在信号转换中的应用集成运放在信号转换中的应用 4.4.3 精密整流电路精密整流电路 精密整流电路将微弱的交流电压转换成单向脉动电压，整流电路的输出保留输入电压的形状，而仅仅改变电压的相位，它又称线性检波电路。从本书的1.1节可知，由于二极管的非线性特性，当输入信号的电压幅值小于二极管的死区电压时，尽管二极管正偏，仍不能导通，电路不能对小于死区电压的交流信号整流。即使ui足够大，输出电压也只能反映输入电压大于死区电压的那部分电压的大小。因此电路将无法实现对微弱信号的整流。4.4 4.4 集成运放在信号转换中的应用集成运放在信号转换中的应用 4.4.3 精密整流电路精密整流电路 当输入电压处于正半周，图4.4.4 半波精密整流电路及其波形图 当输入电压处于负半周，电路输出电压为零。4.5 4.5 有源滤波器有源滤波器 同无源滤波器相比，有源滤波器具有一定的信号放大和带负载能力可很方便的改变其特性参数等优点；此外，因其不使用电感和大电容元件，故体积小，重量轻。但是由于集成运放的带宽有限，因此有源滤波器的工作频率较低，一般在几千赫兹以下，而在频率较高的场所，采用LC无源滤波器或固态滤波器效果较好。4.5.1 滤波器的基本概念滤波器的基本概念 滤波器是从输入信号中选出有用频率信号并使其顺利通过，而将无用的或干扰的频率信号加以抑制的电路。只用无源器件R、L、C 组成的滤波器称为无源滤波器,采用有源器件和R、C元件组成的滤波器称为有源滤波器。按照功能（或幅频特性）的不同，滤波器分为 低通滤波器（Low-pass filter,简写LPF）、高通滤波器(High-pass filter简写HPF)、带通滤波器（Band-pass filter简写BPF）、带阻滤波器（Band-elimination filter简写BEF）。其理想的幅频特性如图4.5.1所示。图4.5.1 各种滤波器的理想幅频特性 我们把能够通过的信号频率范围定义为通带，反之，把阻止信号通过或衰减信号的频率范围定义为阻带。通带与阻带的分界点的频率称为截止频率，如图4.5.1所示的fL、fH分别为下限截止频率和上限截止频率。4.5.2 4.5.2 一阶低通滤波器一阶低通滤波器图4.5.2 一阶有源低通滤波器 特征频率：通带增益：一阶低通滤波器电路如图4.5.2所示，它是由运放和RC网络组成。由电路可得其频率特性 当当f f=0=0时，时，4.5.3 一阶低通滤波器的幅频特性 当当f f=f f0 0时时 当当f f=10=10f f0 0时时衰减斜率为-20dB/十倍频 4.5.34.5.3 一阶高通滤波器一阶高通滤波器图4.5.4 一阶高通滤波器 把图4.5.2中的R、C的位置互换，则可以得到如图4.5.4所示的一阶有源高通滤波器，同样可得到它的特征频率和通带电压放大倍数分别为：图4.5.5 一阶高通滤波器的幅频特性曲线 4.5.4 4.5.4 二阶有源滤波器二阶有源滤波器图4.5.6 二阶低通滤波器 图4.5.7 二阶低通滤波器的幅频特性 一、二阶低通滤波器一、二阶低通滤波器 在图4.5.2的基础上再增加一节RC低通网络，使衰减斜率更大些，这样就构成了二阶LPF，目前使用较多的是二阶压控电压源LPF，其中运放、R1、Rf组成电压控制的电压源，故名压控电压源LPF。其电路构成如图4.5.6所示。经推导，该电路的频率特性为：式中，为通带增益 f0为特征频率Q为品质因数，令 则电压放大倍数为 当Q=0.707时，幅频特性响应曲线较平坦。而当Q0.707时，高频端将出现升峰，一般这是我们不希望的。二、二阶高通滤波器二、二阶高通滤波器 图4.5.8 二阶压控电压源高通滤波器 其中 二阶压控电压源高通滤波器的频率特性为：4.5.5 4.5.5 带通滤波器和带阻滤波器带通滤波器和带阻滤波器图4.5.9 带通滤波器方框图和幅频特性 一、带通滤波器一、带通滤波器 带通滤波器可由高通和低通滤波器串联而成，两者同时覆盖的同一频段形成一个通频段，即构成带通滤波器。其原理框图和幅频特性如图4.5.9所示。二阶压控电压源带通滤波器电路如图4.5.10所示。图中R1、C1组成低通网络，R2、C2组成高通网络，两者相串联就组成了带通滤波器。该电路的频率特性为 图4.4.10 二阶压控电压源BPF 由图中可以看出Q值越大，带宽 BW 越窄，选频特性越好。通带宽度为以上两个截止频率之差 BW=fHfL=(3Auf)f0=f0/Q 带通滤波器的通带截止频率有两个，分别为 二、带阻滤波器二、带阻滤波器 图 4.5.11 带阻滤波器原理框图与幅频特性 带阻滤波器是用来抑制或衰减某一频段内的信号，而对此频段外的信号允许通过，故也称为陷波器。这种滤波器经常用于电子系统抗干扰。带阻滤波器由低通和高通滤波器并联而成，两者对某一频段均不覆盖，形成带阻频段。其原理框图和理想幅频特性如图4.5.11所示。图4.5.12所示为典型的双T 带阻滤波器。图4.5.12 双T二阶压控电压源BEF由图中可以看出Q值越大，BW越窄，选择性越好。其低通和高通RC网络并联形成双T网络，与运放和电阻R1、Rf形成二阶压控电压源的BEF。阻带宽度为以上两个截止频率之差 BW=fHfL=2(2Auf)f0=f0/Q 带阻滤波器的通带截止频率有两个，分别为 4.6 4.6 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用 4.6.1 4.6.1 集成运放非线性应用条件集成运放非线性应用条件 集成运放有线性和非线性两种工作状态。在开环工作或加正反馈时，由于集成运放的放大倍数很高，输入信号即使很小，也足以使运放工作在非线性工作状态。集成运放处于非线性工作时的电路统称为非线性应用电路。这种电路大量地被用于信号比较、信号转换和信号发生、以及自动控制系统和测试系统中。为了简化分析，同集成运放的线性运用一样，仍然假设电路中的集成运放为理想元件。图4.6.1 集成运放开环工作状态电路 集成运放开环工作状态电路如图4.6.1所示。u+为同相输入电压，u为反相输入电压，uid为差动输入电压 uid=u+u,uo=Aod(u+u)由于Aod,所以，当 uid=u+-u0 即 u+u 时，输出电压达到正向最大值,uo=+Uom，其值比正电源电压低12V；当uid=u+-u 0即u+u 时，输出电压达到负向最大值，uo=Uom，其值比负电源电压高12V。由于集成运放差模输入电阻很大，在非线性应用时，输入电流约为零，仍有“虚断”的特性。4.6.2 4.6.2 电压比较器（电压比较器（Voltage comparator）4.6.2 单值电压比较器及传输特性 一、单值电压比较器一、单值电压比较器 1单值电压比较器工作原理 开环工作的运算放大器是最基本的单值比较器，电路如图4.6.2a所示。在电路中，输入信号ui与基准电压UREF进行比较。当uiUREF时，Uo=-Uom,在ui=UREF时，uo发生跳变。该电路理想传输特性如图4.5.2b所示。如果以地电位为基准电压，即同相输入端通过电阻R接地，组成如图4.6.3a所示电路，就形成一个过零比较器(Zero crossing comparator)，则 当ui0时，则Uo=-Uom 也就是说，每当输入信号过零点时，输出信号就发生跳变。在过零比较器的反相输入端输入正弦波信号可以将正弦波转换成方波，波形图如图4.6.3b所示图4.6.3 过零比较器 2电压比较器的阈值电压(Threshold voltage)由上述分析可知，电压比较器翻转的临界条件是运放的两个输入端电压u+=u，对于图4.6.2所示电路为ui与UREF比较，当ui=UREF时（即u+=u时）电路状态发生翻转。我们把比较器输出电压发生跳变时所对应的输入电压值称为阈值电压或门限电压Uth。图4.6.2所示电路的Uth=UREF,过零比较器的Uth=0。因为这种电路只有一个阈值电压，故称为单值电压比较器。二、迟滞比较器二、迟滞比较器(Regenerative comparator)单限比较器有一缺点，如果输入信号在阈值电压附近发生抖动时或者受到干扰时，比较器的输出电压就会发生不应有的跳变，就会使后续电路发生误动作。为了提高比较器的抗干扰能力，人们研制了一种具有滞回特性的比较器，亦称迟滞比较器。迟滞比较器电路如图4.6.4a所示。图中输入信号通过平衡电阻R接到反相端，基准电压UREF通过R1接到同相输入端，同时输出电压uo通过R2接到同相输入端，构成正反馈。图4.6.4 迟滞比较器 由图4.6.4可知，i-=0，电阻R上的压降为零，即u-=ui，而同时u+受UREF和uo的影响，当uo=+Uom时，由叠加定理可求得 此时ui=u-，输出电压将保持Uom值，但当ui减少，使u-时，uo将再次由Uom跳变到+Uom。其传输特性曲线如图4.6.4b所示。此时，ui=uUREF 时，uo=+UOM 当 uI 10MHZ）和较高的转换速率（一般要求SR30V/s）。它们主要用于D/A转换和A/D转换、有源滤波器、锁相环、高速采样和保持电路以及视频放大器等要求输出对输入响应迅速的地方。国产超高速运放F3554的SR=1000V/s、BWG=1.7GHZ。4.低功耗型低功耗型 低功耗型一般用于遥感、遥测、生物医学和空间技术研究等要求能源消耗有限制的场所。如UA735、UPC253等。5.高压型高压型 一般用于获取较高的输出电压的场合，如典型的3583型，电源电压达150V，UOmax=+140V。6.大功率型大功率型 用于输出功率要求大的场合，如LM12，输出电流达10A。4.7.2 外接电阻器的选用外接电阻器的选用 外接电阻的选择，对集成运放放大电路的性能有重大的影响。由于一般集成运放的最大输出电流Iom为（510）mA，从图4.2.1所示反相比例放大电路可知，流过反馈电阻Rf的电流if应满足下列要求：而uo一般为伏级，故Rf至少取k以上的数量级。如果Rf和R1取值太小，会增加信号源的负载。如果取用M级，也不合适，其原因有二：其一，电阻是有误差的，阻值越大，绝对误差越大，且电阻会随温度和时间变化产生时效误差，使阻值不稳定，影响精度；其二，运放的失调电流IIO会在外接高阻值电阻时引起较大的误差信号。综合上述分析，运放的外接电阻值尽可能配用几千欧至几百千欧之间。另外还应使反相和同相输入端外接直流通路等效电阻平衡。如图4.2.1中应取RP=R1/Rf。在设计反相输入放大电路中，外接电阻取值范围应在1k1M之间，最好在100k以内。放大倍数限定在0.1100倍之间，否则，如不采取其他措施很难保证放大电路增益的稳定性。最佳反馈电阻按下式选取 式中，Rid为运放差模输入电阻，ro为运放输出电阻，RL为负载电阻，Fu为反相输入放大电路的反馈系数 由于Rf也是运放的负载之一，为保证放大电路工作时，不超过运放额定输出电流，最佳反馈电阻的选取还必须满足下式 同相输入放大电路受外接电阻等条件限制，同相放大器电压放大为1100。其最佳反馈电阻值可由下式决定 式中，Auf为设计任务所要求的闭环增益，Rid为运放开环差模输入电阻，ro为开环输出电阻。4.7.3 性能参数测试性能参数测试 集成运放出厂前需要进行性能参数测试，以便对其检验和筛选。集成运放在使用前一般也需要进行性能参数测试。参数测试的方法和测试电路有很多种，请参阅有关文献。现介绍用万用表粗测LM324的方法。LM324系列产品包括LM124、LM224、LM324，国产对应型号为FX124、FX224、FX324。它们都是由四个独立的低功耗、高增益、频率内补偿式运算放大器组成。其管脚排列如图4.7.1所示。4.7.3 性能参数测试性能参数测试 用万用表可检测其好坏，选择500万用表R 1k档分别测量各管脚间的电阻值，典型数据见表4.7.1。图4.7.1 LM124/224/324管脚排列 4.7.3 性能参数测试性能参数测试 4.7.3 性能参数测试性能参数测试 测试时应注意以下几点：(1)应分别检查LM324的四个运算放大器，各对应管脚的电阻值应基本相等，否则参数的一致性差。2)若用不同型号的万用表测量，电阻值会略有差异。但上述测量中，只要有一次电阻为零，即说明内部有短路故障；读数为无穷大时，说明开路，运放已损坏。4.7.4 集成运放电路的调试集成运放电路的调试 一、集成运放电路静态调试 在设计和制造集成运放时，已解决了内部各晶体管的偏置问题。因此在线性应用时，只要按技术要求，提供合适的电源电压，运放内部各级工作点就是正常的。这里说的静态调试，主要是指由单电源供电时的调试和调零等内容。1双电源改单电源供电 有的集成运放需正、负两组电源供电，且大都需要正、负对称电源供电。它们的电压有一个允许范围，使用前需查对清楚。单电源供电的集成运放功能与双电源供电的运放功能大致相同。4.7.4 集成运放电路的调试集成运放电路的调试 将双电源供电的集成运放改成单电源供电时必须满足：U+、U-、Uo三端的直流电压相等且等于电源电压的一半。如图4.7.2（a）所示电路为A741构成的反相交流电压放大器电路。其中R2、R3称为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。为获得最大动态范围，通常使同相输入端静态工作点U+=1/2VCC，即 所以取R2=R3。静态时，放大器输出电压应等于同相输入端电位，即 4.7.4 集成运放电路的调试集成运放电路的调试 将双电源供电的集成运放改成单电源供电时必须满足：U+、U-、Uo三端的直流电压相等且等于电源电压的一半。如图4.7.2（a）所示电路为A741构成的反相交流电压放大器电路。其中R2、R3称为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。为获得最大动态范围，通常使同相输入端静态工作点U+=1/2VCC，即 所以取R2=R3。静态时，放大器输出电压应等于同相输入端电位，即 如图4.7.2（b）所示电路为单电源供电自举式同相交流放大器。该电路接入R4的目的是为了提高放大器的输入电阻。接入R4后，放大器的输入电阻为 式中，ric为集成运放共模输入电阻。R4越大，放大器的输入电阻越大。图4.7.2 单电源交流放大器 2.调零调零 为了消除集成运放的失调电压和失调电流引起的输出误差，以达到零输入零输出的要求，必须进行调零。对有外接调零端的集成运放，可通过外接调零元件进行调零。A741外接调零元件的调零电路如图4.7.3所示。将输入端接地，调节RP使输出为零。图4.7.3 外接调零元件调零 当集成运放没有调零端时，可采用外加补偿电压的方法进行调零。它的基本原理是：在集成运放输入端施加一个补偿电压，以抵消失调电压和失调电流的影响，从而使输出为零。当集成运放没有调零端时，可采用外加补偿电压的方法进行调零。它的基本原理是：在集成运放输入端施加一个补偿电压，以抵消失调电压和失调电流的影响，从而使输出为零。如图4.7.4所示。图4.7.4 外加补偿电压调零 对用于弱信号工作的集成运放，上述电路的电阻应采用金属膜电阻或线绕电位器，以减少电阻本身的温漂影响。对于使用交流信号工作的集成运放，电路中有耦合电容可以不进行调零。但耦合电容最好选用无极性电容器或漏电少的电解电容器。（1）不能调零及堵塞现象 集成运放不能调零是指所加调零电位器不起作用。常见有以下几种情况。如集成运放处于非线性应用状态即开环状态或组成正反馈电路。输出电压为正电平或负电平，接近正电源电压或负电源电压，调零电位器不起作用属正常情况。如将集成运放的输出信号引回到输入端，且接成负反馈组态时，输出电压仍为某一极限值，调零电位器不起作用可能是看错输入端，接线有误，接成正反馈状态；或是负反馈支路虚焊，成开环状态；也有可能集成运放组件内部损坏。3静态调试中可能产生的问题及其解决办法 “堵塞”现象。所谓“堵塞”现象，是指运放不能正常工作或者不能调零，关断电源过一段时间开机又可恢复正常工作或可以调零。产生“堵塞”现象的原因是：运放输入信号幅度过大或混入干扰后，使集成运放输入级某级晶体管饱和，它的集电结由反偏变为正偏，其集电极电压变比的相位将和基极电压变化的相位相同，因而原来引入的负反馈变成正反馈，致使输出电压升至极限值，对输入信号不再起反应，即使输入电压减至零，也不能使输出电压回到零，而需切断电源重新开机方能正常。严重堵塞时可能会烧毁运放组件。堵塞现象可以采用如图 4.7.5所示输入限幅保护电路加以防止。3静态调试中可能产生的问题及其解决办法 3静态调试中可能产生的问题及其解决办法 图4.7.5 输入限幅保持电路 （2）温漂严重 如果集成运放实际的输入电压温漂与温漂指标属于同一数量级，这属于正常现象。在实际温漂量过大，而运放组件本身又完好的情况下，应从以下几个方面查找故障原因，予以排除。接线是否牢靠，有否虚焊，运放组件是否自激或受强电磁干扰。输入回路的保护二极管是否受到光的照射。运入组件是否靠近发热元件。调零电位器滑动臂的接触是否良好，以及它的温度系数和运放的要求是否一致。二、集成运放电路的动态调试二、集成运放电路的动态调试 集成运放电路动态参数测试方法和分立元件放大电路相同。由于集成运放具有理想化的特点，其集成运放的动态调整十分方便。如线性应用时，只需改变外接反馈电阻值就可解决。非线性应用电路中的电压比较器，只需调整外接电阻及稳压二极管的稳压值，亦可灵活方便地实现输出电压幅值和门限电压的调整。由于集成运放增益很高，易产生自激振荡（Self excited oscillation），消除自激振荡是动态调试的重要内容。二、集成运放电路的动态调试二、集成运放电路的动态调试 运放是高电压增益的多级直接耦合放大器。在线性应用时，外电路大多采用深度负反馈电路。由于内部晶体管极间电容和分布电容的存在，信号在传输过程中产生附加相移。因此在没有输入电压的情况下，而有一定频率、一定幅度的输出电压，这种现象称为自激振荡，消除自激振荡的方法是外加电抗元件或RC移相网络进行相位补偿。高频自激振荡波形如图4.7.6所示。图4.7.6 高频自激振荡波形 二、集成运放电路的动态调试二、集成运放电路的动态调试 一般需进行相位补偿的运放在其产品说明书中注明了补偿端和补偿元件参考数值。按说明接入相位补偿元件或相移网络即可消振(Oscillation elioninating)。但有一些需要进行实际调试。如F004，其调试电路如图4.7.7所示。图4.7.7 补偿电容调试电路 二、集成运放电路的动态调试二、集成运放电路的动态调试 首先将输入端接地，用示波器可观察输出端的高频振荡波形。当在5端（补偿端）接上补偿元件后，自振荡幅度将下降。将电容C由小到大调节，直到自激振荡消失，此时示波器上只显示一条光线。测量此时的电容值，并换上等值固定电容器，调试任务完成。接入RC网络后，若仍达不到理想消振效果，可再在电源正、负端与地之间分别接上几十微法和0.010.1F的磁片电容。三、集成运放电路调试需注意的问题三、集成运放电路调试需注意的问题 在调试过程中下列几个问题应引起注意，否则会引起电路工作不正常或损坏器件。1电极接地端子应良好接地 在采用稳压电源调试时，由于一组直流电源有+、三个接线端子。当采用正电源时，若将“”“”端子相连作为负端，则接地端与机壳相连，如与大地接触不良，将会引入较大的交流干扰，使运放损坏。因此，可将接地端子脱开，将“”端连于电路“地”端，避免器件损坏。2应在切断电源情况下更换元器件 在运放接通电源时更换元器件，易使运放器件工作不正常而损坏。3在加信号前应先进行调零和消振。4.7.5 集成运放的保护电路集成运放的保护电路 图4.7.8 运放电源端保护 1.电源端保护 为了防止电源极性接反而造成运算放大器组件的损坏，可以利用二极管的单向导电性原理，在电源连接线中串接二极管，以阻止电流倒流，如图 4.7.8所示。当电源极性接反时，VD1、VD2不导通，相当于电源短路。2.输出保护输出保护 图4.7.9 运放输出端的保护 为防止集成运放的输出电压过高，可用两只稳压管反向串联后并联在负载两端或并联在反馈电阻Rf两端，如图4.7.9所示。当输出电压小于稳压管稳定电压UZ时，稳压管不导通，保护电路不工作，当输出电压大于Uz时，稳压管工作，将输出端的最大电压幅度限制在（UZ+0.7V）。4.7.6 4.7.6 集成运放应用示例集成运放应用示例 一、力传感器桥式放大器一、力传感器桥式放大器 图4.7.10所示的电路为一个桥式放大器。图中的SFG-15N1A为Honeywell公司生产的硅压阻式力传感器。当力作用在硅膜片上时，膜片产生变形，电桥中两个桥臂电阻的阻值增大；另外两个桥臂电阻的阻值减小，电桥失去平衡，输出与作用力成正比的电压信号（U2-2）。力传感器由12V电源经三个二极管降压后（约10V）供电。A1A3组成测量放大器，其差分输入端直接与力传感器2脚、4脚连接。A4的输出用于补偿整个电路的失调电压。图4.7.10 力传感器桥氏放大器 二、峰值选取电路二、峰值选取电路图4.7.11 峰值选取电路 在自动控制系统中，往往要求对几个信号的幅度进行比较，然后加以选择。选择其中最高的或最低的作为控制或报警的对象，分别叫做上限检测和下限检测。上限（峰值）检测电路如图4.7.11所示。本电路只可选通正向峰值电压，不能选通负向峰值电压。设输入信号ui1ui2ui30,则A1外接VD1优先导通，箝位在u0=ui1,VDF1截止。其他两路u02=ui2,u03=ui3,VD2、VD3反偏截止，隔离u0、u02输出。若ui1与ui2、ui3的差值大于二极管的阈值电压，则VDF2、VDF3导通，防止当u0为正而ui2、ui3为负时在运放两输入端存在过高电压而使运放内部输入级管子击穿，起到保护作用。若要实现下限检测，将所有二极管极性反接即可。4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 一、集成运放交流放大电路设计示例一、集成运放交流放大电路设计示例 图4.7.12 集成运放交流放大电路电路图 4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 二、制作示例二、制作示例 图4.7.13 参考印制电路板图 图4.7.14 参考装配图 4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 二、制作示例二、制作示例 图4.7.15 实物照片 4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 二、制作示例二、制作示例 4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 三、实测数据三、实测数据 电路采用15V供电，实测为15.3V和15.15V。此时输入一正弦波信号，频率f1000Hz，峰峰值UiP-P29.2mV，数字示波器上的显示如下图所示。4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 三、实测数据三、实测数据 测量第一级的输出信号，结果为UoP-P280 mV，如下图所示。4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 三、实测数据三、实测数据 估算第一级的Au19.59，比设计值10倍稍小。再测量两级电路的总输出信号，结果为UoP-P27.4V，如下图所示。4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 三、实测数据三、实测数据 估算两级电路的总电压放大倍数Au938，比设计值1000倍稍小。造成偏差的主要原因为所选元件的实际值与标称值之间有误差。4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 三、实测数据三、实测数据 下面对该电路频率特性的上限频率进行了一个简单测试。根据设计要求上限频率需要达到10kHz，现在频率f1000Hz时输出为27.4V，则其上限频率处对应的电压为27.40.70719.3V。调节输入信号的频率，使输出幅值达到19.3V，发现此时的频率值为8.69kHz，如下图所示。4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 三、实测数据三、实测数据 继续升高信号频率至10 kHz，输出信号电压的峰峰值为17.6V，如下图所示。4.7.7 集成运放交流放大电路设计与制作示例集成运放交流放大电路设计与制作示例 三、实测数据三、实测数据 该项测试结果说明电路的上限频率没有达到设计值，稍低，当然这与元器件的参数误差以及所用集成运放电路LM741的特性有关。设计时我们认为741的增益带宽积为1MHz，但查阅美国国半公司的LM741产品说明文档，该产品有不同等级，带宽在0.437MHz1.5MHz，本次电路设计中使用标识为LM741CN，为等级较低的产品。查阅其他公司的此产品文档，LM741CN的带宽一般标记为0.9MHz。本章小结本章小结 1、集成运放线性应用的必要条件是将集成运放组成负反馈电路，在分析电路时可把运放理想化，可应用“虚短”“虚断”的概念进行分析。2、集成运放的线性基本应用主要有：比例运算放大电路、加法运算放大电路、减法运算电路、积分器等。模拟乘法器已作为基本功能单元，应用极其广泛。3、有源滤波器属于信号处理电路，滤波器中的运放组件大多工作于线性区。4、集成运放的非线性应用主要介绍电压比较器，集成运放的非线性应用时工作在正反馈或开环状态 5、在集成运放应用中应注意型号的选取、平衡电阻的选取、调零、消振等问题。