集成运算放大器及应用

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,*,*,集成运算放大器及应用,5.1,集成运算放大器简介,5.2,集成运算放大器的线性运算关系,5.3,集成运算放大器在波形变换中的应用,第,5,章,5.1.1,集成运算放大器的组成、特点以及 图形符号,5.1.2,集成运算放大器的电压传输特性 和等效电路模型,5.1.3,集成运算放大器的主要参数,5.1.4,理想集成运算放大器的基本特点,5.1,集成运算放大器简介,集成运算放大器的组成、特点以及图形符号,集成电路,:,把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。,集成运算放大器：,具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。,一,.,基本组成：,由输入级、中间级、输出级、偏置电路和保护电路五部分组成，如图：,输入级：,差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。,输出级：,射极输出器或互补对称功率放大器，提高带载能力。,中间级：,电压放大。,偏置电路：,为各级提供稳定、合适的静态工作点。,二,.,集成运算放大器主要特点有：,因此在集成运算放大器中无电感、无大容量电容和大,阻值电阻；,在集成电路中，比较合适的电阻值一般为几十欧到几十千欧,之间；,具有输入阻抗很高、零点漂移很小，对共模干扰信号有很强的抑制,能力；,开环增益非常,高；,可靠性,高、寿命长、体积小、重量轻和耗电,少；,三,.,图形符号如图：,长方形框的左边引线,为信号,输入端,，它有,两个输入端和另一个,输出端。反相输入端,标上,“,-”,号，同相输入,端和输出端标上,“,+”,号。,它们对,“,地,”,的电压（即各端的电位）分别用,u,-,、,u,+,和,u,0,表示。,“”,表示开环电压放大倍数的理想化条件。,如果将,换成放大器未接反馈电路时的电压放大倍数,A,u0,，,A,u0,称为,开环放大倍数,，则输出与输入的关系可表示为,5.1.2,集成运算放大器的电压传输特性和等效电路模型,集成运算放大器的电压传输特性,集成运算放大器的输出信号和输入信号之间的关系曲线，称为,传输特性,，其电压传输特性曲线如图,电压传输特性曲线,等效电路模型,5.1.3,集成运算放大器的主要参数,1,开环电压放大倍数,A,u0,10,4,10,7,dB,2,最大输出电压,U,op,p,在一定电源电压下，集成运算放大器输出电压和输入电压保持不失真关系的输出电压的峰,-,峰值。,3,最大差模输入电压,U,id max,反向输入端和同相输入端之间所能承受的最大电压值。,4,最大共模输入电压,U,ic max,集成运算放大器所能承受的最大共模输入电压,5,差模输入电阻,r,id,集成运算放大器两个输入端之间的电阻值。,6,输出电阻,r,o,指集成运算放大器输出级的输出电阻。,7,共模抑制比,K,CMR,指集成运算放大器的开环差模输入电压放大倍数与共模电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称程度。,5.1.4,理想集成运算放大器的基本特点,1,常用集成运算放大器的基本特点：,它的开环电压放大倍数的数值很大,;,差模输入电阻很高,;,输出电阻较低,;,2,理想集成运算放大器的主要参数,开环电压放大倍数,A,u0,=;,差模输入电阻,r,id,=;,开环输出电阻,r,0,=0;,共模抑制比,K,CMR,=;,3.,理想集成运算放大器工作在线性区的重要结论：,（虚短）,由于理想集成运算放大器,A,u0,=,，而输出电压,u,0,为有限值，所以,即,（虚断）,由于理想集成运算放大器的输入电阻,r,id,=,。,例,集成运算放大器,F007,的开环电压增益,A,u0,=100 dB,，即,A,u0,=10,5,，差模输入电阻,r,id,=2M,。当工作在线性区时，若输出电压,u,0,=10V,，求两输入端应加的信号电压的大小和输入电流。,解：,输入电压,V=0.1 mV,输入电流,A=0.0510,-9,A=0.05 nA,4,理想集成运算放大器工作在非线性区，也有两个重要结论,理想集成运算放大器的输入电流为零，即,i,I,=0,。,输出电压有两种取值可能：,当,u,+,u,-,时，则,u,0,=+U,om,，,+U,om,为正饱和值。,当,u,-,u,+,时，则,u,0,=-U,om,，,-U,om,为负饱和值。,u,-,=u,+,只是两种状态的转换点。,当集成运算放大器开环或将输出引入到同相输入端形成正反馈时，集成运算放大器工作在非线性工作区。,5.2,集成运算放大器的线性运算关系,5.2.1,比例运算电路,5.2.2,加法、减法运算电路,5.2.3,微分、积分运算电路,5.2.1,比例运算电路,1,反相比例运算电路,2,同相比例运算电路,图（,a,）跟随器,5.2.2,加法、减法运算电路,1,反相加法运算,当,u,I1,作用时，令,u,I2,、,u,I3,不作用，即与地短接。由于,u,-,=0,（虚地），所以此,时,R,12,、,R,13,被短路。直接应用,公式得到,u,0,与,u,11,的关系：,如果取,R,11,=R,12,=R,13,=R,1,，则,选择平衡电阻,R,2,=R,11,R,12,R,13,R,F,。,2,同相加法运算,由前面对同相比例运算电路分析可知,根据弥尔曼定理有,代入上式得,若使,R,21,=R,22,=R,23,=R,1,，且,R,F,=2R,1,，则有,u,0,=u,I1,+u,I2,+u,I3,3,减法运算电路,用叠加定理求解，把输出,u,0,看作是由两个单个信号源,u,I1,、,u,I2,单独作用时输出的和。,u,I1,单独作用时，,u,I2,短接置零，此时电路相当于,反向比例运算，则,R,2,R,3,相当于平,衡电阻，由式（）可得,u,I2,单独作用时，,u,I1,短接置零，此时电路相当于同相比例运算，由式（）可得,应用叠加定理,当,R,1,=R,2,且,R,3,=R,F,时,（,u,I2,-u,I1,）,电路实现了中权减法运算。若取,R,1,=R,2,=R,3,=R,F,时，则,u,0,=u,I2,-u,I1,例,某理想集成运算放大器电路如图所示。求输出电压,u,0,。,解：,由于集成运算放大器,A,1,构成电压跟随器，所以,u,01,=2 V,。集成运算放大器,A,2,构成同相比例运算，由式（）可得,=2v,集成运算放大器,A,3,构成减法运,算，由式（）可得,5.2.3,微分、积分运算电路,1,微分电路,2,积分运算电路,例,分析如图所示集成运算放大器应用电路中，输出电压与输入电压的关系。,解：,集成运算放大器,A,1,实现了减法运算，由式（）可得,由于集成运算放大器,A,2,是跟随器，所以,从而,即 ，,5.3,集成运算放大器在波形变换中的应用,5.3.1,比较器,5.3.2 RC,有源滤波器,5.3.1,比较器,比较器是对输入信号进行鉴别和比较的电路，视输入信号是大于给定值还是小于给定值来决定输出状态。,1,有参比电压的比较器,作用：将输入信号电压,u,I,与参比电压（也称参考电压）,U,R,作大小比较，比较结果用输出电压的正、负极性（或有与无）来显示，电路如图（,a,）所示，当信号,u,I,是正弦信号时，比较器输出波形如图（,c,）所示,（,a,）电路；（,b,）电压传输特性；（,c,）工作波形,信号,u,I,加在开环集成运算放大器的反相端，参比电压,U,R,加在同相端。,2,过零比较器,参比电压,U,R,=0,的比较器称为过零比较器，如图所示,（,a,）电路；（,b,）电压传输特性；（,c,）工作波形,3,滞回比较器（又称施密特触发器）,利用正反馈来改变比较器的传输特性，电路如图（,a,）所示，将输出电压通过电阻,R,F,反馈到同相输入端，这时比较器的输入,-,输出特性曲线具有滞迟回线形状，如图（,b,），这种比较器就称为,滞回比较器。,（,a,）电路；（,b,）电压传输特性,如果比较器当前输出电压,要使,u,0,变为,-U,om,，必须使,在上图（,b,）中,称为,上阈值电压,（或,上门限电压,），即,u,I,U,TH1,后，,u,0,从,+U,om,变为,-U,om,。,要使,u,0,变为,+U,om,，必须使,如果比较器输出电压，,称为,下阈值电压,（或,下门限电压,），即,u,I,0,时信号衰减得快些，常将两级,RC,电路串接起来，如图（,a,）所示，称为二阶有源低通滤波器，其幅频特性如图（,b,）所示。,（,a,）电路；（,b,）幅频特性,2,有源高通滤波器,将有源低通滤波器中,RC,电路的,R,和,C,对调，则成为有源高通滤波器，如图所示。,（,a,）电路；（,b,）频率特性,由,RC,电路得出,根据同相比例运算电路的公式有,故,式中，,电路的,频率特性,：,其,幅频特性,：,相频特性：,=0,时，,=,0,时，,=,时，,