第5章 集成运算放大器及应用1.ppt

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 5 1 1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u0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Au0 Au0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Au0 104 107dB2 最大输出电压Uopp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Uidmax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Uicmax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rid集成运算放大器两个输入端之间的电阻值 6 输出电阻ro指集成运算放大器输出级的输出电阻 7 共模抑制比KCMR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Au0 差模输入电阻rid 开环输出电阻r0 0 共模抑制比KCMR 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Au0 而输出电压u0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rid 例5 1 1集成运算放大器F007的开环电压增益Au0 100dB 即Au0 105 差模输入电阻rid 2M 当工作在线性区时 若输出电压u0 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 1mV 输入电流A 0 05 10 9A 0 05nA 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iI 0 输出电压有两种取值可能 当u u 时 则u0 Uom Uom为正饱和值 当u u 时 则u0 Uom Uom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uI1作用时 令uI2 uI3不作用 即与地短接 由于u 0 虚地 所以此时R12 R13被短路 直接应用公式得到u0与u11的关系 如果取R11 R12 R13 R1 则选择平衡电阻R2 R11 R12 R13 RF 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R21 R22 R23 R1 且RF 2R1 则有u0 uI1 uI2 uI3 3 减法运算电路用叠加定理求解 把输出u0看作是由两个单个信号源uI1 uI2单独作用时输出的和 uI1单独作用时 uI2短接置零 此时电路相当于反向比例运算 则R2 R3相当于平衡电阻 由式 5 2 1 可得uI2单独作用时 uI1短接置零 此时电路相当于同相比例运算 由式 5 2 4 可得 应用叠加定理当R1 R2且R3 RF时 uI2 uI1 电路实现了中权减法运算 若取R1 R2 R3 RF时 则u0 uI2 uI1 例5 2 1某理想集成运算放大器电路如图所示 求输出电压u0 解 由于集成运算放大器A1构成电压跟随器 所以u01 2V 集成运算放大器A2构成同相比例运算 由式 5 2 2 可得 2v集成运算放大器A3构成减法运算 由式 5 2 8 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5 2 2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A1实现了减法运算 由式 5 2 8 可得由于集成运算放大器A2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 2RC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uI与参比电压 也称参考电压 UR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uI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uI加在开环集成运算放大器的反相端 参比电压UR加在同相端 2 过零比较器 参比电压UR 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RF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u0变为 Uom 必须使在上图 b 中称为上阈值电压 或上门限电压 即uI UTH1后 u0从 Uom变为 Uom 要使u0变为 Uom 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uI UTH2后 u0从 Uom变为 Uom 两者之差称为回差 4 限幅比较器 大多数电路中 其输入电压都不能太高 通常比较器的后接电路并不希望比较器输出值高达 Uom 只是希望其输出电压稳定在某一个数值 为了满足这样的要求 可以用双向稳压管限幅 如图 a b 所示电路 a 电路1 b 电路2 c 电压传输特性 5 3 2RC有源滤波器 定义 滤波器 实质是一种选频电路 它能选出有用的信号 而抑制无用的信号 使设定频率范围内的信号能顺利通过 衰减很小 而在此频率范围以外的信号不易通过 衰减很大 分类 按设定频率范围的不同 滤波器可分为低通 高通及带通等 按电路组成的不同分为 无源滤波器 由RC电路组成的滤波器 有源滤波器 由RC电路与集成运算放大器组成的滤波器 因为集成运算放大器是有源器件 1 有源低通滤波器 a 电路 b 频率特性 设输入电压ui为某一频率的正弦电压 则可用相量表示 由RC电路得出 根据同相比例运算电路的公式得出故式中 称为截止角频率 频率特性 幅频特性 相频特性 0时 0时 时 为了改善滤波效果 使