第7章集成运算放大器应用

1、第7章 集成运算放大器的应用第第7 7章章 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用 内容提要 本章主要讨论运放的线性应用和非线性应用，最后介绍了集成运放的使用常识。返回第7章 集成运算放大器的应用7.1集成运放的线性应用7.2集成运放的非线性应用7.3集成运放的使用常识第7章 集成运算放大器的应用 集成运算放大器（简称运放）的应用可分为线性应用和非线性应用两大类。线性应用有：运算电路（比例、加法、减法、积分、微分等）、信号变换电路、精密放大器、有源滤波器等；非线性应用有：电压比较器、非正弦波发生器等。第7章 集成运算放大器的应用 7.1 7.1 集成运放的线性应用集成运放的线性应用 运放在线

2、性应用时，要使运放工作在线性状态，并引入深度负反馈。否则由于运放的开环增益很高，很小的输入电压或运放本身的失调都可使它超出线性范围。分析运放的线性应用时，经常用到“虚短”和“虚断”的概念。 7.1.1 7.1.1 比例运算电路比例运算电路 实现输出信号与输入信号按一定比例运算的电路称为比例运算电路，比例运算电路包括反相比例运算电路和同相比例运算电路两种。第7章 集成运算放大器的应用 1. 1. 反相比例运算电路反相比例运算电路 图7.1所示为反相比例运算电路。输入信号ui经外接电阻R1加到反相输入端上，同相输入端经电阻R2接地，输出信号uo经过反馈电阻Rf接回反相端，形成深度并联电压负反馈，故

3、该电路工作在线性区。图中R2为平衡电阻，其作用是为了与电阻R1和Rf保持直流平衡，以提高输入级差放电路的对称性，通常取R2 = R1Rf。 运用“虚短”和“虚断”的概念有 反相比例运算电路中，因为i+ = 0，R2中没有电流，所以u+ = 0，又因为 u+ = u ，故说明反相输入端是一个不接地的“接地”端，称为“虚假接地”，简称“虚地”。虚地是虚短的特例，是反相输入放大器的重要特性。 uu0ii第7章 集成运算放大器的应用 由图7.1可得 而 （7-1） 所以得 （7-2） 式（7-2）表明，输出电压uo与输入电压ui为比例运算关系，比例系数仅由Rf 和R1的比值确定，与集成运放的参数无关。

4、式中负号表示uo与ui反相，该电路也称为反相放大器。 若Rf = R1时，有 这时，如图7.1所示的电路称为反相器，这种运算称为变号运算。ffoRiu1i1i1fRuRuuiii1fouRRuiouu第7章 集成运算放大器的应用 图7.1 反相比例运算电路 图7.2 同相比例运算电路第7章 集成运算放大器的应用 2. 2. 同相比例运算电路同相比例运算电路 图7.2为同相比例运算电路，输入信号ui经R2加到同相输入端上，反相输入端经R1接地，输出信号uo经过反馈电阻Rf接回反相端，形成深度串联电压负反馈，故该电路工作在线性区。R2为平衡电阻，R2 = R1Rf 。 根据分析集成运放的两个重要依

5、据，有 由图7.2可得 而 uuui0iif1ii 1f111ffoRRiRiRiu1i11RuRui第7章 集成运算放大器的应用 整理得 （7-3） 式（7-3）表明，输出电压uo与输入电压ui为比例运算关系，比例系数仅由Rf 和R1的比值确定，与集成运放的参数无关。式中正号说明uo与ui 同相，该电路也称为同相放大器。 当 时， ，可得如图7.3（a）所示的电压跟随器；当 ，且 时，可得如图7.3（b）所示的电压跟随器。由于集成运放的Ao和Ri很大，所以用集成运放组成的电压跟随器比分立元件的射极跟随器的跟随精度更高。图7.3中的两个电压跟随器，若采用相同的集成运放，后者比前者的跟随精度高，

6、但前者对于集成运放有一定的限流保护作用。 i1fo1uRRu1Riouu 1R02f RR第7章 集成运算放大器的应用图7.3 电压跟随器第7章 集成运算放大器的应用 7.1.2 加法运算电路加法运算电路 加法运算电路是实现若干个输入信号求和功能的电路。在反相比例运算电路中增加若干个输入端，就构成了反相加法运算电路。如图7.4所示的为两个输入端的反相加法电路，图中R3为平衡电阻，R3 = R1R2Rf 。 运用虚地概念，有 ffoRiu21fiii11 i1Rui 22i2Rui 第7章 集成运算放大器的应用整理得 （7-4）也可运用电工原理中的叠加原理计算得出：当R1 = R2 = Rf时，

7、则有 （7-5）2i2f1 i1fouRRuRRu2i2f1 i1fouRRuRRu2i1 iouuu第7章 集成运算放大器的应用 图7.4 反相加法运算电路 图7.5 减法运算电路 第7章 集成运算放大器的应用 7.1.3 7.1.3 减法运算电路减法运算电路 减法运算电路是实现若干个输入信号相减功能的电路，如图7.5所示的为减法运算电路。 运用“虚短”和“虚断”概念，由图7.5可知 因为 ，所以 （7-6） 当R1 = R2 = R3 = Rf时，式（7-6）为 （7-7） o1 if111 i111 iuuRRRuRiuu2i323uRRRu uu1 i1f2i3231fo1uRRuRR

8、RRRu1 i2iouuu第7章 集成运算放大器的应用 7.1.4 积分运算电路积分运算电路 实现输出信号与输入信号的积分按一定比例运算的电路称为积分运算电路。 如图7.6所示为简单的分立元件积分电路。设电容C无初始电荷，当开关S合上时，电容C被充电，电容极板上的电量q随电压成正比地变化： ，电量q的变化，在电路中要引起电流 （7-8） 则 （7-9） CCuq tuCtqiddddCtiCud1C 此电路的缺点是不能实现输出电压随时间线性增长的实际要求。 图7.6 分立元件积分电路第7章 集成运算放大器的应用 图7.7（a）所示为集成运放积分电路，它是把图7.1所示的反相比例运算电路中的反馈

9、电阻Rf用电容C代替。电路中有关量有以下关系： 则 （7-10） 即运算电路输出电压是输入电压的积分，电路构成积分器，= RC称为时间常数。 当ui为常量时 （7-11） 可见只要集成运放工作在线性区，输出电压与时间就成线性关系。0uuRuiiiRftuRCtRuCtiCuud1d1d1iifCotuRCuio1第7章 集成运算放大器的应用 当ui为突变电压时，uo随时间线性增加到负饱和值（-Uom）时，积分运算即停止，如图7.7（b）所示。 当ui为正负极性的方波时，uo为三角波，如图7.7（c）所示。 在自动控制系统中，积分电路常用于实现延时、定时和产生各种波形。第7章 集成运算放大器的应

10、用图7.7 积分运算电路及波形第7章 集成运算放大器的应用 7.1.5 7.1.5 微分运算电路微分运算电路 微分是积分的逆运算，将图7.7积分运算电路中反相输入端的电阻R和反馈电容C对调，就构成了微分运算电路，如图7.8（a）所示。图中平衡电阻R1= R。 由图7.8（a）可知反相端仍为虚地。 则 （7-12） 可见uo正比于ui的微分，构成微分运算。tuCtuCiiddddiCCftuRCRiuddifo第7章 集成运算放大器的应用 图7-8 微分运算电路及波形第7章 集成运算放大器的应用 当输入信号突变时，输出为一尖脉冲电压，如图7.8（b）所示。而在输入信号无变化的平坦区域，电路无输出

11、电压。显然，微分电路对突变信号反应特别敏感。因此在自动控制系统中，常用微分电路来提高系统的灵敏度。 如果将比例运算、积分运算和微分运算三部分电路组合起来，在自动控制系统中叫做PID调节器，如图7.9所示，比例（P）用于常规调节；积分（I）用于克服积累误差；微分（D）用于反应变化的趋势。 图7.9 PID调节器第7章 集成运算放大器的应用 1. 电流电流-电压变换器电压变换器 电流-电压变换器经常用于光电转换电路中，典型电路如图7.10所示。电路中的硅光电二极管是光电转换器件，当它在反向电压U作用下并受光照射时，会产生电流Is，根据集成运放线性应用的特点有IF=Is，所以电路输出电压为 Is为光

12、照时二极管产生的光电流与反向饱和电流之和，一般光电流比反向饱和电流大得多，后者可忽略。可见，此电路将电流转换成了电压，并且输出电压与光照输入近似线性。 7.1.6 电流电流-电压变换器、电压电压变换器、电压-电流变换器和测量放大器电流变换器和测量放大器fsfFoRIRIU第7章 集成运算放大器的应用图7.10 电流-电压变换器第7章 集成运算放大器的应用 2. 电压电压-电流变换器电流变换器 电压-电流变换器又称互导放大器，常用于驱动继电器和模拟仪表。如果使输入电压恒定，在一定负载范围内输出电流亦恒定，则变换器成为一个恒流源，为电子设备提供输出电流。 如图7.11所示为反相电压-电流变换器，其

13、形式与反相放大器相似，所不同的是反馈元件即为负载，构成了并联电流负反馈电路。根据集成运放线性应用的特点可知负载中电流为1ioRui第7章 集成运算放大器的应用 如图7.12所示为同相电压-电流变换器，它是串联电流负反馈电路，负载电流为 可见，两种变换器将电压转换成的电流表达式只是符号相反，均与负载电阻RL大小无关。 1ioRui 第7章 集成运算放大器的应用 图7.11 反相电压-电流变换器 图7.12 同相电压-电流变换器第7章 集成运算放大器的应用 3. 3. 测量放大器测量放大器 测量放大器又称精密放大器或仪用放大器，用于对传感器输出的微弱信号在共模条件下精确地放大，因而要求放大电路具有

14、高增益、高输入电阻和高共模抑制比。如图7.13所示为三运放测量放大器原理图。 图中A1，A2为对称性很好的集成运放，由于采用同相输入，构成了串联负反馈，因而输入电阻极高。A3接成减法运算电路，采用差动输入，变双端输入为单端输出，可以抑制共模信号。 A1，A2构成第一级，根据集成运放线性应用的特点可知，电阻R1中由差动信号产生的电流为i1，其两端电位因虚短各为ui1，ui2，则12i1 i1Ruui第7章 集成运算放大器的应用 流经R2的电流因虚断也为i1，则 A3为第二级，其输入分别为uo1，uo2，由式（7-7）可得A3的输出uo为 （7-13） 上式表明，测量放大器的放大倍数（即差模电压放

15、大倍数）为 （7-14）2i1 i12122112o1o2uuRRRRRRiuu2i1 i1211o2oo2uuRRRuuu1212i1 io2RRRuuuAu第7章 集成运算放大器的应用 若ui1，ui2为共模信号，即 ，由式（7-13）可知， ，即 ； 若ui1，ui2为差模信号，能有效地放大，则差模放大倍数为 。 值得注意的是，A1，A2的对称性要好，各电阻阻值的匹配精度要高，才能保证整个电路KCMR很大。有时，为了调节方便，R1经常采用可调电位器。 测量放大器的应用非常广泛，目前已有单片集成芯片产品。除了可调R1以外，所有元件都封装在内部。如AD502，AMP-02，AMP-03，IN

16、A102，LH0036，LH0038等，增益调节范围为11 000，输入电阻高达108数量级，共模抑制比为105。2i1 iuu 0ouCMRK12/21RR第7章 集成运算放大器的应用图7.13 三运放测量放大器原理图第7章 集成运算放大器的应用 *7.1.7 有源滤波电路有源滤波电路 所谓滤波电路，就是一种选频电路，即使一定频率范围的信号顺利通过，而此频率范围以外的信号受到较大幅度衰减的电路。利用电阻、电感和电容等无源元件构成的滤波电路，称为无源滤波器。用有源器件和无源滤波器构成的滤波电路，称为有源滤波器。 为了能放大信号并增强负载能力，可将RC无源滤波器接到运放的同相输入端，如图7.14

17、所示。因为运放是有源元件，所以这种电路称为有源滤波器。第7章 集成运算放大器的应用 图7.14 有源滤波器（a）有源低通滤波器；（b）有源高通滤波器 第7章 集成运算放大器的应用 由图7.14看出，集成运放将RC网络与负载RL隔开，RC网络的等效负载是运放的输入电阻，因输入电阻很高，故运放本身对RC网络的影响可忽略不计；而运放的输出电阻很低，提高了电路的带负载能力。而且有源滤波器是由RC滤波器和同相运放电路串联而成，既能滤波又能放大。 滤波电容C对低频信号相当于开路，对高频信号相当于短路。在图7.14（a）中，低频信号容易进入运放被放大，而高频信号则被“滤”出，故称为有源低通滤波器。相反地，在

18、图7.14（b）中，低频信号被阻隔，而高频信号容易通过，故称为有源高通滤波器。这两种有源滤波器均由一节RC电路构成，称为一阶有源滤波器。为了使滤波特性更接近理想情况，可以采用二阶或三阶有源滤波器。 返回第7章 集成运算放大器的应用 运放在非线性应用时，要使运放处于开环或正反馈状态，使之工作在非线性区。分析运放的非线性应用时，“虚短”的概念已经不适用，而运放的输入电阻很高，“虚断“仍然适用。 7.2.1 7.2.1 电压比较器电压比较器 电压比较器简称比较器。它是一种把输入电压（被测信号）与另一电压信号（参考电压）进行比较的电路。比较器输入的是连续的模拟信号，输出的是以高、低电平为特征的数字信号

19、，即“1”或“0”。因此，比较器可以作为模拟电路与数字电路的接口。 7.2 7.2 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用第7章 集成运算放大器的应用 1. 1. 单限电压比较器单限电压比较器 （1 1）电路构成。电路构成。开环工作的运算放大器是最基本的单限电压比较器。根据输入方式不同，分为反相输入和同相输入两种。反相输入单限电压比较器电路如图7.15（a）所示，输入信号ui从反相端加入，同相端加参考电压UR，输出电压为uo。 图7.15 电压比较器电路第7章 集成运算放大器的应用 （2 2）工作原理工作原理 在电路中，输入信号ui与参考电压UR进行比较，根据集成运放非线性区工作的特点，运放

20、的开环放大倍数很大，只要有一微小的输入电压（ui UR），输出电压uo便可达到正向饱和值+Uom或负向饱和值Uom，即 当时 ， ； 当时 ， ； 当时 ， 发生跳变。 输出电压与输入电压的关系，称为传输特性，该电路的理想传输特性如图7.15（b）所示。我们把比较器输出电压发生跳变时所对应的输入电压值称为阈值电压或门槛电压，用UTH表示，UTH值可以为正，也可以为负。此电路的UTH=UR，因为这种电路只有一个阈值电压，故称为单门限电压比较器。RiUu omoUuRiUu omoUuRiUu ou第7章 集成运算放大器的应用 2. 过零电压比较器过零电压比较器 参考电压为0的比较器称为过零比较器

21、。根据输入方式的不同又可分为反相输入式和同相输入式两种。反相输入式过零比较器的同相端接地，而同相输入式过零比较器的反相端接地。图7.16所示为反相输入过零比较器及其传输特性。过零比较器的UTH=0。也就是说，每当输入信号过零点时，输出信号就跳变。在过零比较器的反相输入端输入正弦信号，可以将正弦波转换成方波，其波形如图7.17所示。 第7章 集成运算放大器的应用 图7-16 反相输入过零比较器及其传输特性 图7-17过零比较器波形变换第7章 集成运算放大器的应用 3. 滞回电压比较器滞回电压比较器 单限电压比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。例如，当ui在门槛电压UR附近受到干扰时，就有可

22、能使uo产生连续的翻转。在实际应用中，这种情况是不允许的，解决的方案是采用滞回电压比较器。 （1）电路组成。滞回电压比较器又称为施密特触发器，其电路如图7.18（a）所示，它是在过零比较器的基础上加上正反馈构成的。第7章 集成运算放大器的应用 （2）工作原理。在电路中，输入信号ui与同相端电压u+进行比较。 当ui u+时， ，此时同相输入端的电位变为上门限电压 （7-15） 当ui增大到uiUTH1时，uo就由正向饱和电压翻转为负向饱和电压，即 。此时同相输入端的电位变为下门限电压 （7-16）omoUu2TH1om2fRUURR omoUu2TH2om2fRUURR 第7章 集成运算放大器

23、的应用 以后在ui由大逐渐减小的过程中，只要uiUTH2时，uo就由负向饱和电压翻转为正向饱和电压。其电压传输特性如图7.18（b）所示。 上门限电压与下门限电压之差称为回差电压，即 UTH= UTH1UTH2= （7-17） 回差电压的存在，提高了电路的抗干扰能力，只要干扰信号的变化不超过两个门限电压值之差，其输出电压是不会出现反复变化的。改变R2和Rf的数值就可以改变UTH1、UTH2和UTH。 2om2f2RURR第7章 集成运算放大器的应用图7.18 滞回电压比较器 第7章 集成运算放大器的应用 例例7.17.1 图7.19所示为滞回电压比较器，输入信号ui的波形如图7.21（a）所示

24、，试画出其电压传输特性和输出电压uo的波形。 解：解：图中电阻R1和R为限流电阻，输出uo受稳压管限幅，即Uom=6V。 （1）画电压传输特性。由式（7-15）得上门限电压为： 由式（7-16）得下门限电压为： 其电压传输特性如图7.20所示。2TH1om231563 V1515RUURR 2TH2om231563V1515RUURR 第7章 集成运算放大器的应用 图7.19 例7.1的电路图 图7.20 例7.1的电压传输特性 第7章 集成运算放大器的应用 （2）画uo的波形。 当t=0时，由于uiUTH2=3V，所以uo=+Uom=6V，此时U+= UTH1=3V。 当t=t1时 ，uiU

25、T H 1= 3 V ， 电 路 翻 转 为uo=Uom=6V。此后U+= UTH2= 3V，在t1至t2时段，uiUTH2=3V，故uo保持6V不变。 当t=t2时，uiUTH2=3V，电路又翻转回来，Uo由6V变为+6V，U+由UTH2=3V变为UTH1=3V。 依此类推，可画出uo的波形，如图7.21（b）所示。 由波形图可见，虽然图（a）的输入电压波形因受干扰而不规则，但输出的电压波形已变成标准的矩形波，这种作用又叫“整形”。第7章 集成运算放大器的应用图7.21 例7.1的输入输出波形 第7章 集成运算放大器的应用 4. 4. 应用实例应用实例 如需要对某一参数（如压力、温度、噪声等

26、）进行监控，可将传感器输出的监控信号ui送给比较器监控报警，图7.22所示的是利用比较器设计出的监控报警电路。 当 时，比较器输出负值，晶体管VT截止，指示灯熄灭，表明工作正常。当 时，被监控的信号超过正常值，比较器输出正值，晶体管VT饱和导通，报警指示灯亮。电阻R决定于对晶体管基极的驱动程度，其阻值应保证晶体管进入饱和状态。二极管VD起保护作用，当比较器输出负值时，晶体管发射结上反偏电压较高，可能击穿发射结，而VD能把发射结的反向电压限制在0.7V，从而保护了晶体管。 RiUu RiUu 第7章 集成运算放大器的应用图7-22 监控报警电路第7章 集成运算放大器的应用 5. 集成电压比较器简

27、介 集成电压比较器常用型号有LM710、LM311（SF31）、BG307等。其主要特点有： （1）输出高电平UOH=3.3V，输出低电平 UOL= 0.4V，适应TTL数字电路要求（LM311型电压范围较宽，以便与CMOS电路匹配）。 （2）有较大的上升速率SR，以适应开关电路对响应速度的要求。 （3）适应非线性工作状态，所以没有相位补偿（校正）引出脚。第7章 集成运算放大器的应用 7.2.2 7.2.2 方波发生器方波发生器 方波（矩形波）发生器是一种能够直接产生方波的非正弦波发生器。因方波包含着极丰富的谐波，故这种电路又称为多谐振荡器或方波振荡器，常在数字系统中作为信号源。 1. 1.

28、电路构成电路构成 方波发生器是在运放过零滞回比较器的基础上，增加一条Rf C充、放电负反馈电路构成的，电路如图7.23（a）所示。虚线框内为滞回比较器，R和双向稳压管VZ构成限幅电路，输出电压uo=UZ，UZ为限幅稳压管VZ的稳压值。第7章 集成运算放大器的应用图7.23 方波发生器第7章 集成运算放大器的应用 2. 2. 工作原理工作原理 在电路中，uo通过Rf对电容C充电，使C上获得一个三角波电压uC（图中充电如实线箭头所示，放电如虚线所示），利用电压uC代替ui和同相端电压u+进行比较，根据比较结果决定输出状态： 当电容C充电至 时， uo就从+UZ翻转为 当电容C放电至 时， uo就从UZ翻转为 如此周而复始，电路产生自激振荡，输出一方波（矩形波），如图7.23（b）所示。当R1=R2时，其振荡频率为 由于电容充电与放电时间常数相同，所以输出