运算放大器应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.2,集成运算放大器,5.2.1,集成运算放大器的外形和符号,5.2.2,集成运算放大器的放大倍数和参数,5.2.3,集成运算放大器的理想特性,5.2.4,集成运算放大器的应用举例,5.2.5,集成运放使用常识,5.2,集成运算放大器,集成电路的类型：,以集成度即管子和元件数量可分为一百以下的小规模集成电路；一百至一千个之间的中规模集成电路；一千至十万个之间的大规模集成电路；十万以上的超大规模集成电路。按所用器件又可分为双极型器件组成的双极型集成电路；单极型器件组成的单极型集成电路；双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。,集成电路：,把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体基片上而形成具有电路功能的器件。,集成电路的优点：,体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。,集成运算放大器（简称集成运放）：,直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。,1,.,集成电路的外形：,国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。,5.2.1,集成运算放大器的外形和符号,2.,集成运放的型号,国家标准（,GB3430-82,）,规定，由字母和阿拉伯数字表示，例如,CF741,、,CF124,等，其中,C,表示国家标准，,F,表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。,国产第二代集成运放,CF741,接线如图所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：,3.,集成运放的管脚顺序及功能,CF741,外接线图,接正电源,(,+9+18),V,接负电源（,-9-18,）,V,为同相输入端（输出信号与输入信号同相位）,为反相输入端（输出信号与输入信号反相位）,为空脚,为输出端,脚,1,、,4,、,5,外接调零电位器,国产第一代集成运放,F004,接线如图所示。圆壳式集成运放的管脚顺序是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向排列。管脚功能如下：,不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。,脚,7,接正电源（,+15,）,V,，,脚,4,接负电源（,-,15,）,V,，,脚,6,为输出端，,脚,1,、,4,、,8,接调零电位器，脚,3,为同相输入端，脚,2,为反相输入端，脚,5,、,6,之间的,300,k,电阻及,R,P,、,C,P,的作用是消除自激，可通过调试决定数值。,图（,a,）,是国家新标准（,GB4728,1385,）,规定的符号；图（,b,）,是曾用过的符号。画电路时，通常只画出输入和输出端，输入端标“,+”,号表示同相输入端，标“,-”,号表示反相输入端。,4,.,集成运放的图形符号,闭环放大倍数：有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。其数值根据具体电路的反馈情况来计算。,5.2.2,集成运算放大器的放大倍数和参数,一、两种放大倍数,1.,开环放大倍数,A,V,O,开环放大倍数,A,V,O,：,无反馈时集成运放的放大倍数。,（,5,.,2,.,1,）,2.,闭环放大倍数,A,VF,输入电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。一般为微安数量级，,I,IB,越小越好。,二、主要参数,1.,输入失调电压,V,IO,输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。一般为毫伏级。它表征电路输入部分不对称的程度，,V,IO,越小，运放性能越好。,2.,输入失调电流,I,IO,输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。其值为两个输入端静态基极电流之差。,3.,输入偏置电流,I,IB,电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。,r,o,越小，运放性能越好。一般在几百欧左右。,4.,开环电压放大倍数,A,V,O,电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。,A,V,O,越大，集成运放运算精度越高。一般中增益运放的,A,V,O,可达,10,5,倍。,5.,开环输入阻抗,r,i,指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。,r,i,越大，运放性能越好。一般在几百千欧至几兆欧。,6.,开环输出阻抗,r,o,开环电压放大倍数随信号频率升高而下降,3,dB,所对应的频宽。以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。,7.,共模抑制比,K,CMR,电路开环情况下，差模放大倍数,A,V,D,与共模放大倍数,A,V,C,之比。,K,CMR,越大，运放性能越好。一般在,80,dB,以上。,8.,输出电压峰,-,峰值,V,OPP,放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰,-,峰值。,9.,静态功耗,P,D,电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。,10.,开环频宽,BW,通用型集成运放的特点是：最大差模输入电压和最大共模输入电压大；输出有短路保护功能；电源电压适用范围宽；不需外接补偿电容。如性能较好的,CF741,等。,三、集成运放产品分类简介,1.,通用型,2.,特殊型,特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。如：,（,1,）高输入阻抗型 差模输入电阻不小于,10,9,。,（,2,）,高精度型,V,IO,小于,2,V,。,（,3,）,宽带型 增益带宽大。,（,4,）低功耗型 当电源电压时，最大功耗不大于,6,mW,。,（,5,）,高速型 转换速率大于,30,V,s,。,（,6,）,高压型 输出电压较高。,在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。,5.2.3,集成运算放大器的理想特性,集成运放的理想特性为：,1.,输入信号为零时，输出端应恒定为零；,2.,输入阻抗,r,i,=,；,3.,输出阻抗,r,o,=0,；,4.,频带宽度,BW,应从,0,；,5.,开环电压放大倍数,VO,=,。,（集成运放的理想特性）,5.2.4,集成运算放大器的应用举例,一、数学运算方面的应用举例,1.,简单的比例运算功能,所以,（,1,）反向输入比例运算电路,是电压并联负反馈放大电路。,根据运放“理想特性”，而 又是有限值，则,，,（,5.2.2,）,由于，即,A,端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把,A,端称为“虚地”。,故反相输入比例运放的闭环放大倍数,（,5.2.3,）,输出电压,（,5.2.4,）,结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数 只取决于,电压成反相比例关系。,之比，与开环放大倍数 无关；输出电压与输入,与,根据运放“理想特性”，而又为有限值。得,（,2,）同相输入比例运算电路,是电压串联负反馈放大电路。,因此，输入电压,(5.2.5),，,故同相输入比例运放的闭环放大倍数,其中,输出电压,(5.2.6),结论，同相输入比例运算电路的放大倍数与 无关，只取决于 与 的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。,因为 ，则 ，于是,2.,减法比例运算电路。,由图可知 ，,整理得,而,故电路又称为减法器。,因 ，故,由于,，得,(5.2.7),结论，输出电压正比于两个输入电压之差。,如果 ，则,(5.2.8),整理可得,(5.2.9),3.,加法比例运算电路,由运放理想特性知 ，因而,由于,A,点为“虚地”，因此,若取 ，上式简化为,(5.2.10),结论，电路的输出电压正比于各输入电压之和。,如果 ，则,(5.2.11),故电路称为“加法器”。,例,5,.,2,.,1,计算各电路的阻值并连接集成运放电路图，使它满足 与 之间的下列运算关系：,（,1,）；,（,2,）。,解（,1,）由 可知 。所以只要按减法比例运算电路连接，其中，且 即符合要求。,集成运放除了组成上述运算单元电路外，还可改变反馈元件或连接方式组成乘法、除法、开方、平方、指数、对数以及微分、积分等各种运算电路。,（,2,）同理，用加法比例电路接线，使，且 ，,的要求。,，即满足,二、其它方面的应用举例,1.,反相器,图中“,1”,表示放大系数为,1,。,符号：,2,.,电压跟随器,如果令同相输入比例运放中的 ，即输出电压 全部反馈到输入端，而且同相。则,于是,即输出电压与输入电压数值相等且同相，称为电压跟随器。,电压与输入电压在数值上相等且相位相反，称为“反相器”。,，即输出,，则,如果令反相比例运放中的,3.,LM324,组成的电平指示电路,（,1,）,LM324,简介,LM324,是含有四个运放的集成组件。简称四运放集成电路。,GND,为接地端，,V,CC,为电源正极端（,6,V,），,每个运放的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。例如，,等等。,端及输出端。依此类推，、是表示,2,号运放器的，,、分别表示,1,号运放的反相输入端、同相输入,四个运放的同相输入端连接于由,V,（,2AP9,）、,R,10,、,C,2,组成的整流电路输出端，作为信号的输入端。输出端分别通过限流电阻,R,6,、,R,7,、,R,8,、,R,9,接有发光二极管,V,1,、,V,4,、,V,3,、,V,2,。,反相输入端分别经电阻分压网络,R,P1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,、,R,5,分压后加上量值不等的正电压。,（,2,）,LM324,组成的电平指示器,无信号输入时，四个运放同相输入端皆为零电平，因反相输入端皆为正电位，所以各运放输出低电平，因此,V,1,V,4,各发光二极管均不发光。有信号输入时，信号经整流后的对地电压（电位）若仅大于第,2,脚电位，则第,1,脚的发光二极管,V,1,发光。若同相输入端的电位都高于相应运放反相输入端的电位时，四个发光二极管,V,1,、,V,4,、,V,3,、,V,2,全部发光。这样，随着音频信号强弱的变化，电路中发光二极管的个数和亮度也随之变化。其中，改变,R,P1,的阻值，可调整发光二极管的亮度。,5.2.5,集成运放使用常识,方法：加阻容补偿网络。具体参数和接法可查阅使用说明书。目前，由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。,一、零点调整,方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。,二、消除自激振荡,利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏。当电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起到保护作用。,三、保护电路,1.,电源极性的保护,2.,输入保护,利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏集成运放的内部结构。无论是输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压，则,V,1,或,V,2,中就会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，起到了保护作用。,利用稳压管,V,1,和,V,2,接成反向串联电路。若输出端出现过高电压，集成运放输出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。,3.,输出保护,