第七章 集成运放的应用

1、第七章第七章 集成运放的线性应用集成运放的线性应用 和非线性应用和非线性应用7.1 集成运放的线性应用集成运放的线性应用7.2 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用2022-4-307.1.2 比例运算电路比例运算电路7.1.3 加减运算电路加减运算电路7.1 集成运放的线性应用集成运放的线性应用7.1.4 积分和微分运算电路积分和微分运算电路7.1.5 有源滤波电路有源滤波电路7.1.1 概述概述理想集成运放的主要参数：理想集成运放的主要参数：（1）开环差模增益（放大倍）开环差模增益（放大倍数）数）Aod=；（2）差模输入电阻）差模输入电阻Rid=；（4）共模抑制比）共模抑制比KCMR=

2、;（5）上限截止频率）上限截止频率fH=。（3）输出电阻）输出电阻Ro=0；7.1.1 概述 uP uNuo )uu( fuNPo uo uid o线性区线性区 非线性区非线性区 非线性区非线性区 UOM-UOM 为实现输出电压与输入电压为实现输出电压与输入电压的某种运算关系，的某种运算关系， 集成运放应集成运放应工作在线性区，工作在线性区， 因而电路中必因而电路中必须引须引入入负反馈，负反馈， 且为了稳定输且为了稳定输出电压，出电压，需引入需引入电压电压负反馈。负反馈。 虚短和虚断虚短和虚断是分析运算电是分析运算电路的基本出发点。路的基本出发点。7.1.1 概述 uP uNuo )uu( f

3、uNPo uo ui o线性区线性区 非线性区非线性区 非线性区非线性区 UOM-UOM一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路1、基本电路、基本电路R 补偿电阻，补偿电阻，fR/RR 虚短虚短虚断虚断0uuPN FRii 0iiNP fONNIRuuRuu 即即IfOuRRu 虚地虚地电压并联负反馈电压并联负反馈7.1.2 比例运算电路 反相反相/同相比例运算电路、同相比例运算电路、电压跟随器电压跟随器输出电阻：输出电阻：0Ro 输入电阻：输入电阻：RRi 节点节点N的电流方程：的电流方程：2M1IRuRu 节点节点M的电位：的电位：I12MuRRu 一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路

4、2、 T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路7.1.2 比例运算电路 i1R3和和R4的电流分别为：的电流分别为：I3123M3uRRRRui 324iii 输出电压：输出电压：4422ORiRiu I342142u)RR/R1 (RRR 一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路2、 T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路7.1.2 比例运算电路 虚短虚短虚断虚断IPNuuu FRii fNONRuuR0u 即即IfNfOu)RR1(u)RR1(u 电压串联负反馈电压串联负反馈二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路7.1.2 比例运算电路 电压串联负反馈电压串联负反馈PNOu

5、uu 由于由于IOuu 即反馈系数为即反馈系数为1。三、电压跟随器三、电压跟随器7.1.2 比例运算电路 。试问：。试问：例：已知例：已知2142RR,RR 的比例系数为多少？的比例系数为多少？与与IOuu)1(解：解：0uuPN 由于由于1I12Ruii M点的电位点的电位I1222MuRRRiu 可以认为可以认为由于由于,RR42I4312M43Ou)RR1(RRu)RR1(u I43Ou)RR1(u 7.1.2 比例运算电路 。试问：。试问：例：已知例：已知2142RR,RR 的比例系数为多少？的比例系数为多少？与与开路，则开路，则若若IO4uuR)2(解：解：反相比例运算电路反相比例运

6、算电路开路，则电路变为开路，则电路变为4RIOuRRRu132 则则IOuRRu）（即即131 7.1.2 比例运算电路 关关系系将将产产生生什什么么变变化化？输输出出电电压压与与输输入入电电压压的的与与地地接接反反，则则值值；若若，求求例例：已已知知I5IOuRu55u A1:同相比例运算电路同相比例运算电路A2:反相比例运算电路反相比例运算电路解：解：II121Ou11u)RR1(u II51O45Ou55u11k100RuRRu k500R57.1.2 比例运算电路 A1:反反相比例运算电路相比例运算电路A2:反相比例运算电路反相比例运算电路解：解：II121Ou10uRRu II1O4

7、5Ou50)u10(5uRRu k500R5 由于各级电路的输出电阻均为零，由于各级电路的输出电阻均为零， 所以不所以不存在负载效应，即后级电路虽然是前级电路存在负载效应，即后级电路虽然是前级电路的负载，但不影响前级电路的运算关系，各的负载，但不影响前级电路的运算关系，各级电路可以单独分析。级电路可以单独分析。7.1.2 比例运算电路 关关系系将将产产生生什什么么变变化化？输输出出电电压压与与输输入入电电压压的的与与地地接接反反，则则值值；若若，求求例例：已已知知I5IOuRu55u uI虚短虚短虚断虚断0uuPN 0iiPN fO33I22I11IRuRuRuRu 即即F321iiiiKCL

8、 定律定律根据根据)RuRuRu(Ru33I22I11IfO 7.1.3 加减运算电路 一、反相输入求和电路一、反相输入求和电路反相反相/同相双端输入求和电路同相双端输入求和电路4p3p3I2p2I1p1IRuRuuRuuRuu 4321iiii 4321P33I22I11IPPR/R/R/RR)RuRuRu(Ru 式中式中所以同相输入端电位所以同相输入端电位NfOu)RR1(u PfOu)RR1(u )RuRuRu(RRR)RuRuRu(R)RR1(u)RR1(u33I22I11INPf33I22I11IPfPfO )RuRuRu(Ru33I22I11IfO 7.1.3 加减运算电路 二、同

9、相输入求和电路二、同相输入求和电路-+PR4i4 当当ui1=ui2 =0时，求时，求出出ui3和和ui4 作用时的输作用时的输出电压出电压uo。7.1.3 加减运算电路 三、双端输入求和电路三、双端输入求和电路 当当ui3 = ui4 =0时，求时，求出出ui1和和ui2 作用时的输作用时的输出电压出电压uo。叠加原理：叠加原理：)RuRu(Ru22I11If1O )RuRu(Ru44I33If2O 543f21R/R/RR/R/R 若若)RuRuRuRu(Ruuu22I11I44I33If2O1OO 7.1.3 加减运算电路 三、双端输入求和电路三、双端输入求和电路差分比例运算电路差分比例

10、运算电路)uu(RRu1I2IfO 7.1.3 加减运算电路 三、双端输入求和电路三、双端输入求和电路例题例题2I1f1I1fOu)RR1(uRRu 1R2RfR1Iu2IuOuA 7.1.4 加减运算电路 三、双端输入求和电路三、双端输入求和电路差分比例运算电路差分比例运算电路例题例题1I11f1Ou)RR1(u 第一级电路的输出：第一级电路的输出：2I32f1O32fOu)RR1(uRRu 第二级电路的输出：第二级电路的输出：则则若若,RR,RR1f32f1 ）（1I2I32fOuu)RR1(u 7.1.3 加减运算电路 三、双端输入求和电路三、双端输入求和电路例题例题设计一个运算电路设计

11、一个运算电路,要求输出电压和输入电压的要求输出电压和输入电压的运算关系式为运算关系式为 uO=10uI1-5uI2-4uI3解：解：则则若若,R/RR/R/R14f23 )RuRuRu(Ru33I22I11IfO ,k100Rf 选取选取1R2R3R4RfR1Iu2Iu3IuOuA k25R,k20R,k10R321 4RR,5RR,10RR3f2f1f 7.1.3 加减运算电路 三、双端输入求和电路三、双端输入求和电路例题例题111f324k0k)1011001251201(R1R1R1R1R1 1R2R3R4RfR1Iu2Iu3IuOuA 1R2R3RfR1Iu2Iu3IuOuA 7.1.

12、3 加减运算电路 三、双端输入求和电路三、双端输入求和电路，于是，于是根据虚地有根据虚地有Ruii IRC tduRC1tdiC1uuICCO 当输入信号是常量时，即当输入信号是常量时，即求解求解t1到到t2时间段的积分值时间段的积分值)t (utduRC1u1OttIO21 )t (u)tt (ERC1u1O12O 7.1.4 积分和微分运算电路 一、积分运算电路一、积分运算电路 例题例题画出在给定输入波形画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。作用下积分器的输出波形。)t (u)tt (ERC1u1O12O 7.1.4 积分和微分运算电路 一、积分运算电路一、积分运算电路-UOMtdud

13、RC tdudRC RiRiu ICCRO 显显然然7.1.4 积分和微分运算电路 二、微分运算电路二、微分运算电路7.1.5 有源滤波电路 一、滤波电路的用途一、滤波电路的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。一些较高频率成分的干扰。 它是在有源元件（晶体管、它是在有源元件（晶体管、场效应管、集成运放）的基础上增加一些场效应管、集成运放）的基础上增加一些R、C、L等无源元件而构成的。等无源元件而构成的。 有源滤波器分为：有源滤波器分为： 低通滤波器（

14、低通滤波器（LPF）、）、 高通滤波器（高通滤波器（HPF） 带通滤波器（带通滤波器（BPF）、）、 带阻滤波器（带阻滤波器（BEF） 无源滤波电路：无源滤波电路：仅由无源元件（电阻、电仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成。容、电感）组成。有源滤波电路：有源滤波电路： 是一种具有特定是一种具有特定频率响应的放大器。频率响应的放大器。7.1.5 有源滤波电路 二、滤波电路的分类二、滤波电路的分类理想滤波器的幅频特性理想滤波器的幅频特性(a) 低通滤波器低通滤波器7.1.5 有源滤波电路 二、滤波电路的分类二、滤波电路的分类(c) 带通滤波器带通滤波器(b) 高通滤波器高通滤波器(d) 带阻滤波器

15、带阻滤波器 （1）为了避免）为了避免50Hz电网电压的干扰进入放大器，电网电压的干扰进入放大器，应选用应选用 滤波电路。滤波电路。 （2）已知输入信号的频率为）已知输入信号的频率为10kHz12kHz，为了，为了防止干扰信号的混入，应选用防止干扰信号的混入，应选用 滤波电路滤波电路 。 （3）为了获得输入电压中的低频信号，应选用）为了获得输入电压中的低频信号，应选用 滤波电路滤波电路 。 （4）为了使滤波电路的输出电阻足够小，保证负）为了使滤波电路的输出电阻足够小，保证负载电阻变化时滤波特性不变，应选用载电阻变化时滤波特性不变，应选用 滤波电路滤波电路 。7.1.5 有源滤波电路 二、滤波电路

16、的分类二、滤波电路的分类2022-4-307.2.2 电压比较器的分类电压比较器的分类 7.2.3 单限电压比较器单限电压比较器7.2 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用7.2.4 滞回比较器滞回比较器7.2.1 概述概述 电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，路， 是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。 电压比较器电压比较器 集成运放处于开环状态或集成运放处于开环状态或引入正反馈：引入正反馈： 7.2.1 概述 )uu( fuNPo uo ui o线性区线性区 非线性区非线性区 非线性区非线性区 UOM

17、-UOM在电压比较器电路中，在电压比较器电路中，+A uP uN uo 反馈通路反馈通路 +A uP uN uo ouP-uN uo-UOM +UOM ouN-uP uo+UOM -UOM 1、单限比较器、单限比较器 电路只有一个阈值电压电路只有一个阈值电压UT， ouP-uN uoUT 在输入电压从小增大或从大减小在输入电压从小增大或从大减小 的过程中，的过程中，只要通过只要通过UT， 电压都会发生跃变。电压都会发生跃变。 +UOM -UOM 2、滞回比较器、滞回比较器 电路有两个阈值电压电路有两个阈值电压UT1、UT2，ouP-uN uoUT1 UT2 在输入电压从小增大过程中，在输入电压

18、从小增大过程中， 通过通过UT1时输出电压不发生跃变，时输出电压不发生跃变， 通过通过UT2时输出电压才发生跃变；时输出电压才发生跃变；+UOM -UOM 在输入电压从大减小过程中，在输入电压从大减小过程中， 通过通过UT2时输出电压不发生跃变，时输出电压不发生跃变， 通过通过UT1时输出电压才发生跃变；时输出电压才发生跃变；7.2.2 电压比较器的分类 输出电输出电 单限比较器单限比较器和滞回比较器在输入电压单方向变化时，和滞回比较器在输入电压单方向变化时， 3、窗口比较器、窗口比较器 电路有两个阈值电压电路有两个阈值电压UT1、UT2， 输出电输出电压只跃变一次。压只跃变一次。 窗口比较器

19、输入电压单方向变化时，窗口比较器输入电压单方向变化时， 在通过在通过不同的阈值电压时，输出电压会产生两次跃变。不同的阈值电压时，输出电压会产生两次跃变。 ouP-uN uoUT1 UT2 +UOM 7.2.2 电压比较器的分类 阈值电压阈值电压 UT = 0 ui uo +A oui uo+UOM -UOM ui uo +A oui uo-UOM +UOM 反相输入反相输入 同相输入同相输入 7.2.3 单限单限电压比较器一、过零比较器一、过零比较器ui uo +A DZ1 DZ2 Roui uo+UZ1 -UZ2 ui uo +A DZ Roui uo+UZ -UZ ui uo +A DZ

20、R7.2.3 单限单限电压比较器一、过零比较器一、过零比较器ui uo +A DZ RR1 R2 UREF NPUREF 参考电压参考电压 Nui211uRRR REF212URRR 当当uN=uP=0时，时， 输出电压会发生跃变，输出电压会发生跃变， 这时的这时的ui就是阈值电压就是阈值电压UT。 0URRRURRRREF212T211 REF12TURRU oui uoUT +UZ1 -UZ2 7.2.3 单限单限电压比较器二、一般单限比较器二、一般单限比较器 例题例题 在图所示电路中，稳压管的稳定电压在图所示电路中，稳压管的稳定电压UZ= 6V， R1=R2=5k ，UREF=2V，输入

21、电压为图示三角波。试画，输入电压为图示三角波。试画出输出电压的波形。出输出电压的波形。 ui uo +A DZ RR1 R2 UREF oui/V t 5 -5 REF12TURRU V2 oui/V uo/V-2 +6 -6 ouo/V t -2 -6 6 7.2.3 单限单限电压比较器二、一般单限比较器二、一般单限比较器单限比较器，单限比较器， 电路简单，电路简单，灵敏度高，灵敏度高，抗干扰能力差。抗干扰能力差。uiuoUREFuiouiUREFuoouiUOHUOL 滞回比较器具有滞滞回比较器具有滞 回特性，回特性， 即具有惯性，即具有惯性， 因而具有一定的扰干因而具有一定的扰干 扰能力

22、。扰能力。 在反相输入单限比在反相输入单限比较器的基础上，较器的基础上， 引入正反馈网络，引入正反馈网络， 就构成了滞回比较器。就构成了滞回比较器。 7.2.4 滞回滞回比较器双门限电压比较器双门限电压比较器ui uo +A DZ RR2 R1 UZ NPZoUu iNuu )U(RRRuZ211P 当当uN=uP时，时， 输出电压会发生跃变，输出电压会发生跃变， 这时的这时的ui就是阈值电压就是阈值电压UT。 Z211TURRRU UT1 下门限电压下门限电压UT2 2 上门限电压上门限电压oui uo UT1 UT2 +UZ -UZ 一、参考电压为零的滞回比较器一、参考电压为零的滞回比较器 7.2.4 滞回滞回比较器ui uo +A DZ RR2 R1 UREF UZ NPZoUu iNuu PuREF212URRR )U(RRRZ211 当当uN=uP时，时， 输出电压会发生跃变，输出电压会发生跃变， 这时的这时的ui就是阈值电压就是阈值电压UT。 Z211REF212TURRRURRRU oui uo UT1 UT2 +UZ -UZ 二、参考电压不为零的滞回比较器二、参考电压不为零的滞回比较器 7.2.4 滞回滞回比较器 UREF会改变阈值电压会改变阈值电压UT1、UT2的大小，但不会的大小，但不会改变阈值电压的宽度。改变