电子技术集成运算放大器

第3章集成运算放大器 3 1集成运算放大器的简单介绍 3 2运算放大器在信号运算方面的应用 3 3运算放大器在信号处理方面的应用 3 4运算放大器组成的波形产生电路 3 1集成运算放大器的简单介绍 3 1 1集成运算放大器的组成 输入端 输出端 特点 多级直接耦合放大电路 输入级采用差分放大电路 ri很高 中间级采用多级共射电路 Au很高 输出级采用共集放大电路或互补对称放大电路 ro很小 带负载能力很强 集成运算放大器 是一种放大倍数很大的直接耦合的多级放大电路 简称集成运放 图3 1 2集成运放的图形符号 反相输入端同相输入端 输出端uo u u ud 输入方式 反相输入 同相输入 差分输入 u u uo 图3 1 3F007的外部接线和管脚图 3 1 3理想运算放大器及其分析依据 1 理想运算放大器 Auo ri ro 0 2 电压传输特性uo f ui 线性区 uo Auo u u 非线性区 u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 线性区 理想特性 实际特性 饱和区 O 3 理想运放工作在线性区的特点 因为uo Auo u u 所以 1 差模输入电压约等于0即u u 称 虚短 2 输入电流约等于0即i i 0 称 虚断 电压传输特性 Auo越大 运放的线性范围越小 必须加负反馈才能使其工作于线性区 O 4 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 Uo sat 或 Uo sat 电压传输特性 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 2 输入电流约等于0即i i 0 虚断 1 线性应用电路结构上存在从输出端到反向输入端的负反馈支路 输入信号幅度足够小 以保证集成运算放大器的输出处于最大输出电压的范围内 集成运算放大器的应用 2 非线性应用电路结构上 集成运算放大器处于开环 无反馈 或存在从输出端到同相输入端的正反馈支路 输出总是处于饱和状态 即输出在正 负最大值之间变化 集成运算放大器电路分析的方法首先判断应用类型 然后利用理想运算放大器的特征对电路进行分析 3 2运算放大器在信号运算方面的运用 集成运算放大器与外部电阻 电容 半导体器件等构成闭环电路后 能对各种模拟信号进行比例 加法 减法 微分 积分 对数 反对数 乘法和除法等运算 运算放大器工作在线性区时 通常要引入深度负反馈 所以 它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数 而与运算放大器本身的参数关系不大 改变输入电路和反馈电路的结构形式 就可以实现不同的运算 3 2 1比例运算 1 反相比例运算 1 电路组成 以后如不加说明 输入 输出的另一端均为地 2 电压放大倍数 因虚短 所以u u 0 称反相输入端 虚地 反相输入的重要特点 因虚断 i i 0 所以i1 if 因要求静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 RF 结论 Auf为负值 即uo与ui极性相反 因为ui加在反相输入端 Auf只与外部电阻R1 RF有关 与运放本身参数无关 Auf 可大于1 也可等于1或小于1 因u u 0 所以反相输入端 虚地 例 电路如下图所示 已知R1 10k RF 50k 求 1 Auf R2 2 若R1不变 要求Auf为 10 则RF R2应为多少 解 1 Auf RF R1 50 10 5 R2 R1 RF 10 50 10 50 8 3k 2 因Auf RF R1 RF 10 10故得RF Auf R1 10 10 100k R2 10 100 10 100 9 1k 2 同相比例运算 因虚断 所以u ui 1 电路组成 2 电压放大倍数 因虚短 所以u ui 因要求静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 RF 结论 Auf为正值 即uo与ui极性相同 因为ui加在同相输入端 Auf只与外部电阻R1 RF有关 与运放本身参数无关 Auf 1 不能小于1 u u 0 反相输入端不存在 虚地 现象 当R1 且RF 0时 uo ui Auf 1 称电压跟随器 由运放构成的电压跟随器输入电阻高 输出电阻低 其跟随性能比射极输出器更好 左图是一电压跟随器 电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端 当负载RL变化时 其两端电压uo不会随之变化 3 2 2加法运算电路 1 反相加法运算电路 因虚短 u u 0 平衡电阻 R2 Ri1 Ri2 RF 因虚断 i 0 所以ii1 ii2 if 2 同相加法运算电路 方法1 根据叠加原理ui1单独作用 ui2 0 时 同理 ui2单独作用时 方法2 平衡电阻 Ri1 Ri2 R1 RF u u 也可写出u 和u 的表达式 利用u u 的性质求解 3 2 3减法运算电路 由虚断可得 由虚短可得 分析方法1 如果取R1 RF R2 R3 如R1 R2 R3 RF R2 R3 R1 RF 输出与两个输入信号的差值成正比 分析方法2 利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加 u 3 2 4积分运算电路 由虚短及虚断性质可得i1 if if 若输入信号电压为阶跃信号 即ui Ui时 则 积分饱和 线性积分时间 线性积分时间 Uo sat ui Ui 0 ui Ui 0 采用集成运算放大器组成的积分电路 由于充电电流基本上是恒定的 故uo是时间t的一次函数 从而提高了它的线性度 输出电压随时间线性变化 Ui Ui 将比例运算和积分运算结合在一起 就组成比例 积分运算电路 电路的输出电压 上式表明 输出电压是对输入电压的比例 积分 这种运算器又称PI调节器 常用于控制系统中 以保证自控系统的稳定性和控制精度 改变RF和CF 可调整比例系数和积分时间常数 以满足控制系统的要求 3 2 5微分运算电路 由虚短及虚断性质可得i1 if Ui Ui 比例 微分运算电路 上式表明 输出电压是对输入电压的比例 微分 控制系统中 PD调节器在调节过程中起加速作用 即使系统有较快的响应速度和工作稳定性 PD调节器 if 3 3 2电压比较器 电压比较器的功能 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小 当两者幅度相等时输出电压产生跃变 由高电平变成低电平 或者由低电平变成高电平 由此来判断输入信号的大小和极性 运放工作在开环状态或引入正反馈 3 3运放在信号处理方面的应用 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 Uo sat 或 Uo sat 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 电压传输特性 电压传输特性 Uo sat Uo sat 运放处于开环状态 1 基准电压比较器 阈值电压 门限电平 输出跃变所对应的输入电压 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 即uiUR时 uo Uo sat 可见 在ui UR处输出电压uo发生跃变 参考电压 ui UR uo Uo sat ui UR uo Uo sat 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 输出带限幅的电压比较器 设稳压管的稳定电压为UZ 忽略稳压管的正向导通压降则uiUR uo UZ uiUR时 uo Uo sat 过零电压比较器 利用电压比较器将正弦波变为方波 2 滞回比较器 上门限电压 下门限电压 电路中引入正反馈输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上 当uo Uo sat 则 当uo Uo sat 则 R2 上门限电压U ui逐渐增加时的门限电压 下门限电压U ui逐渐减小时的门限电压 两次跳变之间具有迟滞特性 滞回比较器 根据叠加原理 有 改变参考电压UR 可使传输特性沿横轴移动 当参考电压UR不等于零时 解 对图 1 上门限电压 下门限电压 例 电路如图所示 Uo sat 6V UR 5V RF 20k R2 10k 求上 下门限电压 1 2 解 对图 2 例