集成运算放大器的应用课件

第4章

集成运算放大器的应用

内容提要：

利用集成运放的线性区的特点，实现模拟信号的比例、加减、乘除、积分和微分等各种基本运算。

利用集成运放工作在非线性区的特点，构成的电压比较器。非正弦波形发生电路：方波发生器和三角波发生

器。第4章集成运算放大器的应用内容提要：利用集成本章主要内容：4.1

集成运算放大器的应用4.2集成运算放大器的应用实例4.3集成运算放大器使用中的实际问题本章主要内容：4.1集成运算放大器的应用4.1

集成运算放大器的应用4.1.1集成运算放大器的线性应用运算电路对输入信号进行比例、加、减、乘、除、积分、微分、对数、反对数等运算时集成运放工作在线性区。1．比例运算电路

将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路。

按输入信号加在不同的输入端，比例运算又分为：

(1)反相比例运算

(2)同相比例运算

又叫反相放大器又叫同相放大器

(3)差动比例运算

又叫差动放大器

4.1集成运算放大器的应用4.1.1集成运算放大器(1)反相比例运算

其电路如图4-1所示。

相当于信号源的内阻

反馈电阻

平衡电阻,满足

反相输入端和同相输入端两点的电压不仅相等，而且都等于零，如同将该两点接地一样，这种现象称为“虚地”。

由于“虚断”，反相输入端的电流也等于零，即又可得

又根据“虚短”的结论,可得

（4-1）电压放大倍数为:（4-3）（4-2）(1)反相比例运算其电路如图4-1所示。相当于信号反馈电(2)同相比例运算电路如图4-2所示。

与引入深度串联电压负反馈

平衡电阻,满足

运用“虚断”和“虚短”的结论可得:所以即

（4-4）由式(4-4)可求得电压放大倍数为：（4-5）(2)同相比例运算电路如图4-2所示。与引入深度串联平图4-2电路构成电压跟随器，如图4-3a、b所示。

或当等效图4-3电压放大倍数

图4-2电路构成电压跟随器，如图4-3a、b所示。或当等效(3)差动比例运算电路如图4-4所示。由于“虚断”，我们可以认为反相输入端图4-4差动比例运算电路和相当于信号源的内阻

平衡电阻,满足

叠加定理可求得：对地的电位是由输入电压和输出电压共同产生的，利用反馈电阻

由于“虚短”，，即将电阻平衡条件代入式(4-6)可得：（4-6）（4-7）如果故得（4-8）差动输入比例运算电路的电压放大倍数

(3)差动比例运算电路如图4-4所示。由于“例4-1

电路如图4-5所示,已知,其余参数如图中所标注,试求出R5的值。图4-5例4-1图

解：

如图4-5所示电路中，第一级构成同相比例运算电路，第二级构成反相比例运算电路，且第一级的输出是第二级的输入，因此得出例4-1电路如图4-5所示,已知,其2．求和电路

图4-6所示为三个输入端的反相求和电路

。图4-6反相求和电路

、、分别是各个信号源的内阻

负反馈电阻

平衡电阻,满足

根据“虚断”和“虚短”的结论，可得：输出电压为

：（4-9）等效为（4-9）（4-9）（4-10）由式(4-10)可知，电路实现了、、求和运算。2．求和电路图4-6所示为三个输入端的反相求和电路。3．积分电路和微分电路（1）积分电路

电路如图4-7所示

。由图可得：图4-7积分电路电容器引入负反馈

根据“虚断”、“虚短”的结论，得，并且（4-11）将代入式(4-11)得：（4-12）3．积分电路和微分电路（1）积分电路电路如图4-7所示上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，实际中是不可能的，其主要原因是存在偏置电流、失调电压、失调电流及其温漂等。解决这一情况最简便的方法是，在电容两端并接一个电阻，利用引入直流负反馈来抑制上述各种原因引起的积分飘溢现象。但数值应远大于积分时间，即，为输入方波的周期，否则的自身也会造成较大的积分误差。

得到实际积分电路如图4-8所示。

图4-8实际积分运算电路

引入直流负反馈

上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，实际中是不（2）微分电路

电路如图4-9a所示根据“虚断”和“虚短”的结论，得：

图4-9微分电路

a)基本微分电路b)实际微分电路

a)b)（4-13）基本微分电路由于对输入信号中的快速变化分量敏感，所以它对输入信号中的高频干扰和噪声成分十分灵敏，使电路性能下降。在实际的微分电路中，通常在输入回路中串联一个小电阻，如图4-9b所示。但是，这将影响微分电路的精度，故要求要小。（2）微分电路电路如图4-9a所示根据“虚断”和“虚短”4.1.2集成运算放大器的非线性应用

1．电压比较器

电压比较器的功能是对两个输入端的信号进行比较与鉴别，根据输入信号是大于还是小于基准电压来确定其输出状态，以输出端的正、负表示比较的结果。它在测量、通信和波形变换等方面应用广泛。电压比较器中的集成运算放大器通常工作在非线性区，即满足如下关系：1)当时，（正向饱和）2)当时，（负向饱和）4.1.2集成运算放大器的非线性应用1．电压比较器（1）简单电压比较器

图4-10是两个最简单的电压比较器，其中图4-10a是反相比较器；图4-10b是同相比较器。图4-10简单电压比较器a)反相比较器b)同相比较器a)b)最简单的电压比较器又叫单限比较器

图4-11简单电压比较器的传输特性a)反相比较器的传输特性b)同相比较器的传输特性a)b)两个比较器的阈值均为。是参考电压，它可以是

正值，也可以是负值，或者是零。当时，图4-10a、b的电压传输特性分别如图4-11a、b所示。阈值电压

（1）简单电压比较器图4-10是两个最简单的电压比（2）滞回比较器

简单的电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，滞回比较器能克服简单比较器抗干扰能力差的缺点。如图4-12所示为从反相输入端输入的滞回比较器。图4-12滞回比较器及其电压传输特性a)滞回比较器电路b)电压传输特性

a)b)正向阈值电压

反向阈值电压

（2）滞回比较器简单的电压比较器结构简单，而且灵敏图4-12滞回比较器及其电压传输特性a)滞回比较器电路b)电压传输特性

a)b)正向阈值电压

反向阈值电压

从集成运放输出端的限幅电路可以看出，。集成运放反相输入端的电位，同相输入端的电位若令，求出的就是阈值电压，因此得出：输出电压曲线具有方向性，如图4-12b所标注（箭头方向）。图4-12滞回比较器及其电压传2．非正弦波形发生器

在实际电路中，经常用到方波、三角波等周期性的非正弦波，下面介绍其电路组成、工作原理、波形分析和主要参数以及波形变换电路的原理。（1）方波发生器

图4-13方波发生器方波发生器是其它非正RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。

弦波发生器的基础，当方波加到积分运算电路的输入端时，输出就可得到三角波电压。图4-13所示为方波发生电路，它是由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。2．非正弦波形发生器在实际电路中，经常用到方波、由前述可知，滞回比较器的输出电压，且在上有阈值电压：其工作原理可结合图图4-13方波发生器及波形图a)电路图b)波形图a）b）4-13a，振荡波形分析如图4-13b，具体过程如下：运放接通电源

初始电压=0

通过对电容充电

按指数曲线上升

当≥+时

电容通过和放电

按指数曲线下降

电容又开始充电

输出方波的周期

则频率为：

(4-14)由前述可知，滞回比较器的输出电压，且（2）三角波发生器

图4-14a所示为三角波发生器电路图，电路虚线左边为同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路。图

图4-14三角波发生器及波形图

a)电路图b)波形图a)b)4-14b为三角波发生器波形图。

积分运算电路

同相输入滞回比较器

三角波发生器波形图

可以推出:

1.三角波的周期(4-15)2.振荡频率（2）三角波发生器图4-14a所示为三角波发生器电4.2集成运算放大器的应用实例4.2.1仪表用放大器1.仪表用放大器的特点

在测量系统中，通常都用传感器获取信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，然后进行放大。因此，传感器的输出是放大器的信号源。

对于放大器而言，信号源内阻是常量，根据电压放大倍数的表达式:放大器的输入电阻愈大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。

综上所述，仪表用放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。4.2集成运算放大器的应用实例4.2.1仪表用放大2.基本电路

集成仪表放大器的具体电路很多，但是很多电路都是在图AB图4-15三运放组成的精密放大器4-15的基础上演变而来。在图4-15电路中，，，因而:所以输出电压得到(4-1６)１.当２.当

输出电压

。(4-1７)电路具有放大差模信号，抑制共模信号的作用。2.基本电路集成仪表放大器的具体电路很多4.2.2数字式温度计电路

图4-16所示为采用PN结温度传感器的数字式温度计电路，测量范围为-50～+150℃，分辨率为0.1℃。电路由三部分组成，如图4-16所标注。

图4-16数字式温度计电路构成测量电桥

温度传感器

电压跟随器起隔离作用

根据运算放大电路的分析方法，可以求出A1和A2输出电压的表达式为：改变滑动端的位置可以改变放大电路的电压放大倍数，从而调整数字电压表的显示数据。4.2.2数字式温度计电路图4-16所示为采用P4.3集成运算放大器使用中的实际问题

4.3.1使用时必做的工作1.集成运放的管脚

目前集成运放常见的封装方式有金属壳封装和双列直插式封装，而且以后者居多。

2.参数测量使用运放之前往往要用简易测试法判断其好坏

3.调零或调整偏置电压

对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在输入时输出为零。对于单电源供