项目2-2.2集成运放应用讲解

2-2.2集成运放应用一

信号运算应用

集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。

运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。（一）

比例运算1.反相比例运算(1)电路组成

以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。(2)电压放大倍数因虚短,

所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0

，

ifi1i–i+所以i1

if

因要求静态时u+、u–

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

(5)电压并联负反馈，输入、输出电阻低，

ri=R1。共模输入电压低。

结论：(1)Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。(2)Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。2.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

(1)电路组成(2)电压放大倍数因虚短，所以

u–=ui

，反相输入端不“虚地”

因要求静态时u+、u

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

u+u–(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。

结论：(1)Auf为正值，即

uo与ui

极性相同。因为ui加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。

当R1=

且RF

=0时，uo=ui，

Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++

–

由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++

–

左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++

–

15k

RL15k

+15V7.5k

例：1、反相加法运算电路反相电路存在“虚地”现象，因此因为可得u－=u+=“地”将各电流代入如果整理上式可得若再有则实现了反相求和运算u+u－∞＋＋－u0RPR3RFui1R2R1ui2ui3i1i2i3if（二）

加减运算交互动画—加法电路电子课动画集\56动画-反相加法运算电路.exe2、差分减法运算电路u+u－i1if∞＋＋－ui1u0R1RFi2ui2R2R3若R2=R3，则因为不存在“虚地”现象所以整理得若R1=RF，则实现了输出对输入的减法运算。1、基本微分运算电路微分电路也存在“虚地”现象，即可知u－=u+=“地”

微分电路可用于波形变换，将矩形波变换成尖脉冲；且u0与ui相位反相因为所以

电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的微分。式中的比例常数RFC1称为电路的时间常数为保证电路的平衡，RF=R2uit0u0t0u+u－i1if∞＋＋－uiu0C1RFuCif∞＋＋－u0RFR2（三）

微分积分运算2积分运算电路

由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++

–

uC+–

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui

时，则uitO积分饱和线性积分时间线性积分时间–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Ui–Ui

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。ifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分

这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。uoCFuiR2R1++––++

–

RF例题

求图所示电路的输出电压与输入电压的关系。图中R1=3.3kW，R2=180kW，R3=1.5kW，R4=3kW，Rf1=33kW，Rf2=180kW，=3kW，=1kW。

解：计算采用多级放大电路的方法。图中电路的第一级是反相比例运算电路，代入相关公式可得第二级是反相加法运算电路【例】测振仪用于测量物体振动时的位移、速度和加速度，原理框图见图。试说明该仪器的工作原理。解：设物体振动的位移为x，振动的速度为v，加速度为a，则：市场常用的典型测量放大器的原理电路ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui++A2A1A3

–––––––+对A1和A2有对A3有

改变R1的阻值，即可调节电压放大倍数下面看一个测量放大器的应用实例图示的电路为一个力传感器桥式放大器。图中的SFG-15N1A为Honeywell公司生产的硅压阻式力传感器，它是利用微细加工工艺技术在一小块硅片上加工成硅膜片，并在膜片上用离子注入工艺作了四个电阻并连接成电桥。当力作用在硅膜片上时，膜片产生变形，电桥中两个桥臂电阻的阻值增大；另外两个桥臂电阻的阻值减小，电桥失去平衡，输出与作用力成正比的电压信号（U2-4）。A1~A3组成测量放大器，其差分输入端直接与力传感器2脚、4脚连接。A4的输出用于补偿整个电路的失调电压。当作用力为0~1500g时，输出0~1500mV(灵敏度为1mV/g).

[例1]判别图示电路从A2

输出端引入A1

输入端的反馈类型。uOuI+–+–+

uO1uD+–+–+RL

RuF+–A1A2[解]反馈电路从A2

的输出端引出，故为电压反馈；反馈电压uF

和uI

输入电压分别加在的同相和反相两个输入端，故为串联反馈；设为uI

正，则uO1

为负，uO

为正。反馈电压uF

使净输入电压uD=uI–uF

减小，故为负反馈；串联电压负反馈。

*运放电路中的负反馈简介uOuI+–+

RuO1iI+–+RL

-A1A2iDiF

a[例2]判别图示电路从A2

输出端引入A1

输入端的反馈类型。[解]反馈电路从RL

靠近“地”端引出，为电流反馈；反馈电流iF

和iI

输入电流加在A1的同一个输入端，故为并联反馈；设为uI

正，则uO1

为正，uO

为负。反馈电流实际方向如图所示，净输入电流iD=iI–iF减小，故为负反馈；并联电流负反馈。二、

集成运放的非线性应用集成运放工作在非线性区的特点①集成运放应用在非线性电路时，处于开环或正反馈状态下。②非线性运用状态下，U+≠U－，“虚短”概念不再成立。当同相输入端信号电压U＋大于反相输入端信号电压U－时，输出端电压U0=＋UOM，当U＋小于U－时，输出端电压U0=－UOM。③非线性应用下的运放虽然同相输入端和反相输入端信号电压不等，但由于其输入电阻很大，所以输入端的信号电流仍可视为零值。因此，非线性应用下的运放仍然具有“虚断”的特点。④非线性区的运放，输出电阻仍可以认为是零值。此时运放的输出量与输入量之间为非线性关系，输出端信号电压或为正饱和值，或为负饱和值。（一）

电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－

0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t22.单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t23.输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ–UZ电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––4.过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O【例】图示是一个火灾报警电路的方框图。ui1和ui2分别来自两个温度传感器，它们安装在室内同一处：一个安装在塑料壳内，产生ui1；另一个安装在金属板上，产生ui2。无火情时，ui1=ui2，声光报警电路不响不亮。一旦发生火情，安装在金属板上的温度传感器因金属板导热快而温度升高较快，而另一个温度上升较慢，于是产生差值电压(ui2-ui1)，当这差值电压增高到一定数值时，发光二极管发亮，蜂鸣器发响，同时报警。请按图示方框图设计电路。设计电路如下：按照题意，本电路可依照框图采用如下具体电路设计，可分为三个部分，减法器，比较器，单管放大。各部分电路原理前面都已讲到。

例：图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。分析其工作原理。

温度超过规定值，ui

>UR，uo=+UOM，T导通。KA动作，切断电源。

温度未超过规定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不动作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo*（二）滞回比较器

单限比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，但是抗干扰能力比较差。如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在阈值电压上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复跳变。如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利影响。下图（a）的滞回比较器（又称施密特触发器）可以解决这个问题，在电路中，当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等，即时，输出端的状态将发生跳变。滞回比较器

其中，由参考电压及输出电压共同决定。而电路中引入了正反馈，运放工作在非线性区，电路的输出电压有两种可能取值即或。相应也有两种取值。因此，使输出电压由跳变到，以及由跳变到所需的输入电压值是不同的。也就是说，这种比较器有两个不同的阈值电压，故传输特性呈滞回形状，如图（b）所示。3-29滞回比较器的应用滞回比较器引入正反馈后能加速输出电压的转变过程，改善输出波形在跃变后的陡度；另外，滞回比较器的抗干扰能力很强，电路一旦翻转，只要叠加在ui上的干扰不超过，就不会再翻转过来。回差提高了电路的抗干扰能力，克服了微小的干扰信号使输出电压发生误跳变的缺点。滞回比较器可用于产生矩形波、三角波和锯齿波等各种非正弦波信号，也可用于波形变换电路。存在干扰时，滞回比较器的输入、输出波形

uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFR2uoui++

–

R1+–+–当UREF为零，工作波形举例三

运放在其它方面的应用（一）

有源滤波器

滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的