第五章-集成运算放大器应用电路.ppt

5.1集成运算放大电路概述,1集成运放电路的组成及各部分的作用,集成运算放大器实质上是一种双端输入、单端输出，具有高增益，高输入阻抗、低输出阻抗的多极直接耦合放大电路。当给他施加不同的反馈网络时，就能实现模拟信号的多种数学运算功能（如比例、求和、求差、积分、微分），故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。,（）集成运放内部电路的组成集成运放内部组成框图如图5-1所示。,图5-1集成运放内部组成框图,输入级输入级又称前置级，它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。中间级中间级是整个放大电路的主要放大电路。其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压放大倍数，经常采用复合管做放大管，以恒流源作集电极负载。其电压放大倍数可达千倍以上。输出级输出级具有输出电压线性范围宽，输出电阻小（即带负载能力强），非线性失真小等优点。多采用互补对称发射极输出电路。,偏置电路偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。与分立元件不同，集成运放多采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。集成运放的电路符号如图5-2所示。图(a)为国外常用符号，图(b)为我国常用符号。,图5-2集成运放的符号,2.集成运放的主要参数,(1)传输特性参数,开环差模增益Aud在集成运放无外加反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模增益。共模抑制比KCMR共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，差模输入电阻Rid集成运放在输入差模信号时的输入电阻。输出电阻Ro集成运放开环状态下的输出电阻。,(2)直流参数,输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT理想集成运放，当输入为零时，输出也为零。但实际集成运放的差分输入级不易做到完全对称，在输入为零时，输出电压可能不为零。为使其输出为零，人为的在输入端加一补偿电压，称此补偿电压为输入失调电压，用UIO表示。输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT集成运放在常温下，当输出电压为零时，两输入端的静态电流之差，称为输入失调电流，用IIO表示，,(3)输出信号的响应参数在书的95页，不再列出。,5.2集成运算放大电路的应用,1.集成运放的分析方法,(1)集成运放的理想化参数是：开环差模增益（放大倍数）Aud=；差模输入电阻Rid=；输出电阻Ro=0；共模抑制比KCMR=；,(2)两条重要结论,理想集成运放两输入端的净输入电压等于零。即,理想集成运放的两输入端电流均为零。即,通常称为“虚短路”,通常称为“虚断路”,图5-3集成运放引入反馈,为了保证集成运放工作在线性区，需要在电路中引入负反馈。如图5-3所示。,2.基本运算电路,（1）比例运算电路,反相比例运算电路反相比例运算电路如图5-4所示。,根据两条重要结论，分析可得：整理得：,图5-4反相比例运算NN电路,因为电路引入了深度电压负反馈，所以输出电阻很小（Ro0），电路带负载后运算关系不变。因为从电路输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻，所以输入电阻Rif=R1,uo与uI成比例关系，比例系数为-Rf/R，负号表示uo与uI反相，比例系数的数值可以是大于，等于或小于1的任何值,同相比例运算电路,同相比例运算电路如图5-5所示，输入信号由同相端输入，反相端经电阻R1接地，在输出端与反相端间有反馈电阻Rf，引入电压串联负反馈。,图5-5同相比例运算电路,根据理想集成运放的两条重要结论，利用“虚短路”和“虚断路”的概念，有：,将uN=up=uI代入上式：,在图4-15电路中，若Rf=0，R1=（断开R1）则有uO=uI，这说明电路起到了电压跟随的作用，故称为电压跟随器，如图5-6所示,图5-6电压跟随器,(2)加法运算电路,反相加法运算电路反相加法运算电路如图5-7所示。两个输入信号均作用于集成运放的反相输入端。,根据分析电路的两条重要结论，并利于“虚短”和“虚断”的概念，有,式中负号是因为在反相端输入所引起的。若R1=R2=Rf，则输出电压的表达式变为uo=-(uI1+uI2),图5-7反相加法运算电路,同相加法电路同相加法电路图5-8所示电路即为。两个信号uI1、uI2同时加到同相输入端，反相输入端外接电阻R接地，电阻Rf引回电压串联负反馈。,图5-8同相加法运算电路,运用叠加原理，根据两条重要结论，可求得,若R1=R2=R3，则,【例5-1】电路如图5-9所示。设A为理想集成运放，R1=10k，Rf=100k。试求：输出电压uO与输入电压uI之间的关系，并说明该电路实现了什么运算功能。,图5-9例5-1的图,解根据理想集成运放的两条结论，利用“虚短”和“虚断”的概念，有：uN=up=uI，iI=0则：由此可知该电路实现了同相比例运算功能。,【例5-2】电路如图5-10所示，已知A1、A2均为理想集成运放，R1=20k，R2=10k，R3=50k，Rf1=Rf2100k。试求输出电压uO与输入电压uI1、uI2之间的关系，并说明该电路实现了什么运算功能。,图5-10例5-2的图,解A1构成一个反相加法电路，其输出电压uO与两输入电压uI1，uI2的反相和成正比。即而A2构成一反相比例运算电路，则uO与的关系为：,故有该电路实现了同相比例加法运算功能。,（3）减法运算电路,利用差分电路以实现减法运算,图5-11所示电路为一减法运算电路。两个输入信号分别加到集成运放的反相输入端和同相输入端，相当于差分输入方式。,图5-11减法运算电路,利用“虚短路”和“虚断路”的概念，有：,整理得：,如果选取电阻值满足Rf/R1=R3/R2的关系，输出电压可简化为：,当R1=R2时，则有：,即输出电压u0与两输入电压uI之差（uI2-uI1）成比例，故称减法电路,利用反相信号求和以实现减法运算,图5-12用加法电路构成减法电路,电路如图5-12所示。第一级为反相比例运算电路，第二级为反相加法电路。,若Rf1=R1，则uO1=-uI；第二级为反相加法电路，可导出,若R2=Rf2时，则：,反相输入结构的减法电路，由于出现“虚地”，放大电路没有共模信号，故允许uI1、uI2的共模电压范围较大，但输入阻抗较低。,【例5-3】设计一个运算电路，要求输出电压和输入电压的运算关系式为uO=5uI210uI1。解根据已知的运算关系式可以知道，当采用单个集成运放构成电路时，uI2应接同相输入端，而uI1应接反相输入端，如图5-13所示。,图5-13例5-3图,具体参数计算如下：,选取Rf=100k，若R2/R3=R1/Rf，则因为，故R2=20k；又因为，故R1=10k，所以：,（4）积分电路,积分电路如图5-14所示。,图5-14积分电路,利用“虚地”和“虚断”的概念：uN=0，iI=0，因此有i1=i2，电容C就以电流i2=uI/R进行充电。假设电容C初始电压为零，则：或上式表明，输出电压uO为输入电压uI对时间的积分，所以称为积分电路。负号表示它们在相位上是相反的。,（5）微分电路,将图5-14积分电路中的电阻和电容元件对换位置，并选取比较小的时间常数RC，便得图5-15所示的微分电路。,图5-15微分电路,在这个电路中，同样存在“虚地”即uN=0；“虚断”，即iI=0，故i1=i2。设t=0时，电容器C的初始电压uC=0，当接入信号电压uI后，便有从而得：上式表明，输出电压uO与输入电压uI的微分成正比，该电路实现了对输入信号求微分的运算，故称之为微分电路。,5.3.1电压比较器电压比较器简称比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平，据此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模拟转换以及越限报警等许多场合。,5.3集成运放的非线性应用,电压比较器通常由集成运放构成，与前面章节不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈状态。只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时，虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。,比较器可以利用通用集成运放组成，也可以采用专用的集成比较器组件。对它的要求是电压幅度鉴别的准确性、稳定性、输出电压反应的快速性以及抗干扰能力等。下面分别介绍几种比较器。1.电平比较器（过零比较器）通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。,有时，为了和后面的电路相连接以适应某种需要，常常希望减小比较器输出幅度，为此采用稳压管限幅。为了使比较器输出的正向幅度和负向幅度基本相等，可将双向击穿稳压二极管接在电路的输出端或接在反馈回路中，如图5.26所示。,图5.26限幅电路及过压保护电路,为了防止输出信号过大，损坏集成运放，除了在比较器的输出回路中串联接入电阻外，还可以在集成运放的两个输入端之间并联两个相互反接的二极管，如图5.27所示。,图5.27限幅电路及过压保护电路,2.任意电平比较器（非过零比较器）将零电平比较器中的接地端改为一个参考电压UR（高为直流电压），由于UR的大小和极性均可调整，电路成为任意电平比较器或称非过零比较器。,电平电压比较器结构简单，灵敏度高，但它的抗干扰能力差。也就是说，如果输入信号因干扰在阈值附近变化时，输出电压将在高、低电平之间反复地跳变，可能使输出状态产生误动作。为了提高电压比较器的抗干扰能力，下面介绍有两个不同阈值的滞回电压比较器。,3.滞回电压比较器滞回电压比较器又称施密特触发器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。它们的电路及传输特性如图5.31所示。,图5.31滞回比较器及传输特性,集成运放输出端至反相输入端为开环。输出端至同相输入端引入正反馈，目的是加速输入状态的跃变，使运放经过线性区过渡的时间缩短。UR是某一个固定电压，改变UR值能改变阈值及回差大小。（1）正向过程（2）负向过程,4.窗口电压比较器电平比较器和滞回比较器有一个共同特点，即uI单方向变化（正向过程或负向过程）时，uO只跳为一次。只能检测到一个输入信号的电平，这种比较器称为单限比较器。,5.4集成运放在应用的实际问题国内外的集成运放种类繁多，应用非常广泛。除通用型集成运放外，还有很多特殊运放，它们的部分性能比通用型好得多。例如，高输入阻抗型，主要用作测量放大器、模拟调节器、有源滤波器及采样保持电路；高精度型，一般用于精密检测、自控仪表等；高速型，一般用于快速模数和数模转换器、有源滤波器、精度比较器、高速采样保持电路和视频放大器等要求输出对输入响应迅速的情况；低功耗型，一般用于遥测，遥感、生物医学和空间技术等要求能源消耗有限制的场合。,除了根据用途和要求正确选型之外，为了能达到使用要求和精度，避免在调试过程中损坏，在调试使用时还应注意以下问题。,1.调零失调电压、失调电流的存在，使得实际运放当输入信号为零时，输出不为零。为此，有些运放在引脚中设有调零端子，接上调零电位器可调零。电位器应选用精密的线绕电位器。调零时，将电路的输入端接地，调整电位RP，同时用最低挡直流电压表测输出电压，使输出电压为零即可，如图5.26所示。,图5.26集成运放,有些集成运放没设调零端，例如有些双运放、四运放就不设调零端。为此，使用中可采取辅助调零的办法，如图5.27所示。,图5.27辅助调零措施,2.消除自激运放工作时很容易产生自激振荡，此时用示波器接在输出端，可看到输出信号上叠加了波形近似正弦的高频振荡，偶尔也有出现低频振荡情况。为了消除自激，有些集成运放在内部已做了消振电路，有些集成运放则引出消振端子，外接RC消振网络。在实际应用中，为了使电路稳定，有些电路分别在运放的正、负电源端与地之间并接上几十微法与0.010.1F的电容，有些在反馈电阻两端并联电容。有些在输入端并联一个RC支路，见图5.28。,图5.28集成运放的消振电路,3.保护措施在使用过程中，由于电源极性接反、输入信号过大、输出端负载过重等原因会造成集成运放损坏。因此，除操作过程中加以注意外，还应在电路上采取一定的保护措施。,（1）输入保护运放的差模或共模输入信号电压过高会引起其输入级损坏，为此，可在集成运放输入端并联接入极性相反的两只二极管，以将输入电压限制在二极管导通电压之