第7章-集成运算放大器的基本应用.ppt

,目录,*7.1.9精密整流电路,7.1集成运算放大器的线性应用,7.1.1比例运算电路,7.1.2加法运算电路,7.1.3减法运算电路,7.1.4积分运算电路,7.1.5微分运算电路,7.1.6电压电流转换电路,7.1.7电流电压转换电路,7.1.8有源滤波器,7.2集成运放的非线性应用,7.2.1单门限电压比较器,7.2.2滞回电压比较器,7.3集成运放的使用常识,7.3.1合理选用集成运放型号,7.3.2集成运放的引脚功能,7.3.3消振和调零,7.3.4保护,本章重点:,1.集成运算放大器的线性应用：比例运算电路、加减法运算电路、积分微分运算电路、一阶有源滤波器、二阶有源滤波器,2.集成运算放大器的非线性应用：单门限电压比较器、滞回比较器,本章难点:,3.集成运算放大器的组成与调试,1.虚断和虚短概念的灵活应用,2.集成运算放大器的非线性应用,集成运算放大器(简称集成运放)在科技领域得到广泛的应用，形成了各种各样的应用电路。从其功能上来分，可分为信号运算电路、信号处理电路和信号产生电路。从本章开始和以后的相关章节分别介绍它们的应用。,7.1集成运算放大器的线性应用,虚短:,虚断:,因为有负反馈，利用虚短和虚断,反馈方式：,电压串联负反馈,7.1集成运算放大器的线性应用,1.同相比例运算电路,7.1.1比例运算电路,i1=if,u-=u+,i-=i+=0,第7章集成运算放大器的基本应用,2.反相比例运算,i-=i+=0（虚断）,因为有负反馈，利用虚短和虚断,u+=0,u=u+=0（虚地）,电压放大倍数:,反馈方式：,电压并联负反馈,7.1集成运算放大器的线性应用,i1=if,(7-2),【例7-1】两级运放放大电路如图7-3所示，求该电路的闭环电压增益。,7.1集成运算放大器的线性应用,解:,7.1集成运算放大器的线性应用,第一级放大电路的放大倍数:,第二级放大电路的放大倍数:,总增益:,因为Rf=0，R1=所以为电压跟随器,7.1.2加法运算电路,7.1集成运算放大器的线性应用,若R1=R2=R,i1+i2=if,i-=i+=0（虚断）,u-=u+=0（虚地）,虚地,(7-3),7.1集成运算放大器的线性应用,【例7-2】在图7-4电路中，设R1=220k，运放的最大输出电压UOPP=12V，电路的输出电压为uo=-(10ui1+22ui2)。(1)确定R1、R2和R的阻值；(2)若ui2=0.5V，求ui1的允许变化范围。,解:,(1)由,得,图7-4反相求和电路,(2)由于该运放的Vopp=12V，因此必须满足,7.1集成运算放大器的线性应用,7.1.3减法运算电路,叠加定理,ui1作用,ui2作用,叠加：,当R1=R2=R3=Rf=R时,（7-4）,7.1集成运算放大器的线性应用,【例7-3】图7-6是由三级集成运放组成的仪用放大器，试分析该电路的输出电压与输入电压的关系式。,解:,7.1集成运算放大器的线性应用,7.1.4积分运算电路,反相积分器：如果ui=直流电压U，输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。,=,(7-6),(7-7),7.1集成运算放大器的线性应用,7.1.4积分运算电路式(7-6)表明输出电压与积分时间t近似成线性关系，且是一条起始电压为零，终点电压为的斜率为的直线，波形如下图(a)所示。当输入为方波信号时，输出则为三角波；当输入为正弦信号时，输出则为余弦波信号，输出波形分别如下图(b)、(c)所示。,为限制电路的低频电压增高，通常将反馈电容C与电阻并联(见图7-9)，当电路输入信号频率大于时，电路为积分器。若输入信号的频率远低于fo，则电路近似为一个反相器，低频电压增益为,(7-8),7.1集成运算放大器的线性应用,积分时限,设Uom=15V,U=+3V,R1=10k,C=1F,=0.05(s),7.1集成运算放大器的线性应用,【例7-4】用集成运放741组成如图7-9(a)所示的积分电路，设R=R=10K，Rf=510K，C=0.05F，电路把Uom=10V，f=1KHZ的对称方波变换为三角波，如图7-9(b)所示。(1)求输出三角波电压的幅值和积分误差=t/(2RiC)；(2)在无输入信号电压的情况下，运放输入端的失调电压为Uio，求积分漂移电压Uo。,图7-9例7-4图,(a),(b),sdx,7.1集成运算放大器的线性应用,解:(1),输出电压为,即,(2),积分漂移电压为,7.1集成运算放大器的线性应用,7.1.5微分运算电路,u-=u+=0,(虚短),7.1集成运算放大器的线性应用,阻塞现象：,对于基本的微分运算电路，当输入电压呈阶跃变化，或有大幅值脉冲干扰时，便会使集成运放内的放大管进入饱和或截止状态。当管子尚不能脱离上述两个状态而已到放大状态，便出现阻塞现象。,此外基本微分运算电路易于产生自激振荡。,解决办法：,解决的办法是在输入端串联一个小阻值的电阻，以限制流过Rs、Rf上的电流，在反馈电阻Rf上并联稳压二级管以限制输出电压，以保证集成运放中的放大管始终工作在放大区，不至于出现阻塞现象；在Rf上并联小容量电容Cp起到相位补偿作用，提高电路的稳定性。,7.1集成运算放大器的线性应用,实用的微分运算电路,图7-11实用微分电路及波形,(a),(b),RsCT/2(微分条件),7.1集成运算放大器的线性应用,由于电容C的容抗与频率成反比关系，结果是，输出电压随频率升高而增加。为限制电路的高频增益，在输入端与电容C之间接入一小电阻Rs。,当输入频率低于,电路起微分作用,如果输入频率远高于上式，则电路近似于一个反相放大器，高频电压增益为,（7-10）,（7-9）,若微分电路输入电压为对称三角波，则输出电压为对称方波。上图为三角波方波变换电路，右图为三角波方波变换波形。,7.1集成运算放大器的线性应用,7.1.6电压电流转换电路,能将输入电压变换为输出电流的电路，称为电压电流转换器，这种电路在自动控制系统，用它来驱动继电器、仪表等。,(1)负载悬浮(负载未接地),（-11）,7.1集成运算放大器的线性应用,(2)负载未悬浮(负载接地),若满足关系,，则,（因为）,满足直流平衡条件R1/Rf=R2/RL，因此R1=Rf=R2=RL,（7-12）,图7-13电压电流转换器(a),7.1集成运算放大器的线性应用,7.1.7电流电压转换电路,在光电检测装置中，需要把光电池输出的微弱电流转换成与之成正比的电压，这时就需要用到电流电压转换电路。,Uo=-ifRf=-i1Rf,（7-13）,7.1集成运算放大器的线性应用,7.1.8有源滤波器,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。但其工作频率较低，一般在几千赫以下。在频率由较高的场合，常采用C无源滤波器或固态滤波器。,滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，而保留其有用信号。,滤波器的分类：,低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）,7.1集成运算放大器的线性应用,图7-15各种滤波器的理想幅频特性,7.1集成运算放大器的线性应用,1.一阶有源低通滤波器(LPF),传递函数中出现的一次项,故称为一阶滤波器,传递函数:,(7-14),7.1集成运算放大器的线性应用,幅频特性：,相频特性：,幅频特性及幅频特性曲线,传递函数:,截止频率：,（7-15）,7.1集成运算放大器的线性应用,3、,时：运放输出，带负载能力强。,电路特点:,图7-17一阶低通滤波器的幅频特性,7.1集成运算放大器的线性应用,2.一阶有源高通滤波器(HPF),传递函数:,(7-16),（7-17）,7.1集成运算放大器的线性应用,幅频特性及幅频特性曲线,幅频特性：,传递函数:,图7-19一阶高通滤波器的对数幅频特性,其中,7.1集成运算放大器的线性应用,3.二阶有源低通滤波器(LPF),Aup=1+Rf/R1,传递函数中出现的二次项,故称为二阶滤波器,（7-18）,式中:,以上两式表明，当21，在f=f0处的电压增益将大于Aup，幅频特性在f=f0处将抬高。,当Aup3时，Q=，有源滤波器自激。由于将C1接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。,幅频特性曲线,7.1集成运算放大器的线性应用,图7-21二阶有源低通滤波器的对数幅频特性,4.二阶有源高通滤波器(HPF),由此绘出频率响应特性曲线,(1)通带增益,(2)频率响应,，,7.1集成运算放大器的线性应用,其中：,（7-19）,结论：当ff0时，幅频特性曲线的斜为+40dB/dec；当Aup3时，电路自激。,频率响应特性曲线,7.1集成运算放大器的线性应用,图7-23二阶有源高通滤波特性,带通滤波器的作用是只允许某一频带内的信号通过，而将此频带以外的信号阻止通过。在各种抗干扰设备中，就是利用带通滤波器的这种作用来接收某一频带范围内的有用信号，而消除高、低频段的干扰和噪声。,带通滤波器是由低通和高通滤波器串联而成的。两者同时被覆盖的频带即等于fH-fL形成一个通频带。其原理示意图见图7-24。,，,图7-25(a)是二阶压控电压源带通滤波器电路。其中R、C1构成低通网络，R2、C2组成高通网络。二者串联后接在集成运放的同相输入端。可求得二阶压控电压源带通滤波器的频率特性为,5.有源带通滤波器(BPF),7.1集成运算放大器的线性应用,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通特征角频率,高通特征角频率,5.有源带通滤波器(BPF),7.1集成运算放大器的线性应用,(7-20),(7-21),(7-22),(7-23),(7-24),(7-25),带阻滤波器的作用是在规定的频带内，信号被阻止通过，而在此频带之外的信号能够顺利通过。带阻滤波器(又名陷波器)和带通滤波器一样常用于各种抗干扰设备电路中。如抑制50Hz交流电源引起的工频干扰信号，在工业控制中常常用到它。,将低通滤波器和高通滤波器并接在一起，就形成了带阻滤波器。两者同时被阻断的频带即为该滤波器的阻带。其原理示意图见图7-26。,由图可知，凡是ffH的信号则可从高通滤波器通过，惟有fLf0时，集成运放输出电压uo为负，于是二极管D1导通，深度的电压并联负反馈使运放的反相输入端点为“虚地”，即u0。因此，uo-0.7V，此时二极管D2截止，电路输出电压uo=0。,（）当ui0时，集成运放输出电压uo为正，于是二极管D2导通，深度的电压并联复反馈通过D2和Rf加在虚地点，使u0。此时电路输出电压为,图-半波精密整流波形,7.1集成运算放大器的线性应用,由分析可知，即使ui10V，就会使D1导通，而当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-Uom,运放处于开环状态,7.2集成运放的非线性应用,当uiUREF时,uo=-Uom,若ui从反相端输入,用稳压管稳定输出电压,3.限幅电路使输出电压稳定,忽略了UD,7.2集成运放的非线性应用,稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上,R=R,uo,ui,UZ,R,R,A,7.2集成运放的非线性应用,1.滞回比较器,特点:电路中使用正反馈。,1)因为有正反馈，所以输出饱和。,2)当uo正饱和时(uo=+Uom)：,3)当uo负饱和时(uo=-Uom),A,图7-32滞回电压比较器,7.2.2滞回电压比较器,(7-27),(7-28),2.滞回比较器,设ui,当uiUTH1,uo从+Uom-Uom,这时,uo=Uom,U+=UTH1,3.传输特性,UTH1上门限电压UTH2下门限电压UTH1-UTH2为回差UTH,图7-34滞回电压比较器输出特性,例:设输入为正弦波,画出输出的波形。,uo,ui,R1,R2,RF,U+,A,图7-33滞回比较器波形变换,加上参考电压后的迟滞比较器：,上、下门限：,DZ,uo,ui,R1,R2,RF,U+,UREF,A,图7-34滞回电压比较器,（77）,（7）,例题：R1=10k，R2=10k，UZ=6V，UR=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。,上下限：,ui,+6V,-6V,8V,3V,DZ,A,R3,图7-24（a）滞回电压比较器,7.3.1合理选用集成运放型号,按照集成运放指标、性能不同分类，集成运放可分为高放大倍数的通用型、高输入阻抗、低漂移、低功能、高速、宽带、高压、大功率和电压比较器等专用集成运放。在结构上还有单片多运放型功放。在选用集成运放时，要遵循经济适用原则，选用性价比较高的运放，一般指标性能高的运放、专用集成运放，价格也相应较高，在无特别要求的场合应尽量选用通用型、多运放型运放。,7.3.2集成运放的引脚功能,集成运放的种类、门类很多，管脚数、管脚的功能和作用也不相同。如果不充分了解管脚的功能，盲目使用，就会造成使用失当，引来麻烦。因此在使用前必须认真查阅该型号器件的技术资料，从中了解其指标参数和使用方法,7.3.3消振和调零,相位补偿的原理：是在具有高放大倍数的集成运放内部的中间级利用电容CB(几十皮法几百皮法)构成电压并联负反馈电路。,目前大多数集成运放内部电路已设置消振补偿网络，如5G6234。但有些运放，如5G24、宽带运放5G1520等需外接消振补偿电容后，才能使用，如图7-36的5G24的89脚间跨接30pF小电容CB就是利用相位补偿来消振的。,1.产生高频自激振动原因：,极间电容和其他寄生参数,2.消除高频自激振动方法：,相位补偿,调零原理：在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调整的目的。,调零方法：,（1）静态调零法即将两个输入端接地，调节调零电位