城市轨道交通电工电子技术及应用课件 模块9 集成运算放大器及其应用

模块9集成运算放大器及其应用1.掌握集成运算放大器的组成、性能指标和理想运算放大器；2.掌握虚短和虚断的概念及分析方法；3.集成放大器的线性应用和非线性应用；4.RC桥式正弦波振荡器。单元9.1集成运算放大器简介一、集成运算放大电路组成及特点输入级中间级输出级偏置电路组成框图为负载提供一定幅度的信号电压和信号电流。一般采用输出电阻很低的射极输出器或由射极输出器组成的互补对称功放电路。

使集成运放具有较强的放大能力，通常由多级共射极放大器构成。

通常是具有较高输入电阻和较高放大倍数的差动放大器，利用它可以使集成运放获得尽可能高的共模抑制比。

为各级提供所需的稳定的静态工作电流。电路符号实际上集成运放的引出端不止三个，但分析集成运放时，习惯上只画出图示中的三个端，其他接线端各有各的功能，但因对分析没有影响，故略去不画。反相输入端同相输入端输出端二、集成运放的主要参数

开环差模电压放大倍数Aud

最大输出电压Uopp

开环差模电压放大倍数简称“开环增益”，开环状态下，输出电压Uo与输入差模电压（Ui1-Ui2）之比，即Aud=Uo/（Ui1-Ui2）。Aud越大，器件的性能越稳定，其运算精度也就越高。二、集成运放的主要参数

输入失调电压UIO

共模输入电压范围UICM

共模抑制比KCMR

输入电压为零时，为使输出电压为零，在输入端附加一个的补偿电压，该电压称为输入失调电压（UIO）。高质量产品UIO一般在1mV以下。

两输入端之间所能承受的最大共模电压。如果共模输入电压超过此值，集成运放的共模抑制性能明显下降，甚至造成器件的损坏。综合衡量运放的放大能力和抑制共模的能力。其值越大越好。1.封装

集成运放封装有塑料双列直插式、陶瓷扁平、金属圆壳封装等多种。2.分类通用型：专用型：低功耗型、高精度型、高速型、宽带型、高阻型、高压型、低漂移型、低噪声型、大功率型等。三、集成运算放大器的分类集成运放可分为通用型和专用型两大类。通用型又可分为低增益、中增益、高增益三种，适合在一般条件下使用，特点是电源电压的适用范围广，不需要外接补偿电容，输入电压较大。专用型运放有高输入阻抗型、低漂移型、高速型、低功耗型、高压型、大功率型、电压比较器等多种。选用集成运放时，应根据电路要求，从集成运放的技术指标、外形尺寸、价格等几方面综合考虑，选择合适类型的集成运放。四、集成运放的电压传输特性（理想化）1.理想集成运放的主要参数（2）差模输入电阻Rid→∞（3）开环输出电阻Rod→0（4）共模抑制比KCMR

→∞（5）没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也为零理想集成运放的符号（1）开环差模电压放大倍数Aod→∞2.理想集成运放的电压传输特性0-Uom+Uomuoui电压传输特性线性区非线性区非线性区+Uom-Uomuo与ui是线性关系，即集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为电压传输特性。“虚短”“虚断”uo只有两种可能，即+Uom和-Uom“虚短”不成立“虚断”仍成立单元9.2集成运放的线性应用一、比例运算电路“虚地”R2=R1//Rf平衡电阻：1.反相比例运算放大电路反相比例运算放大电路“虚短”“虚断”

“虚地”是反相输入集成运放电路的一个重要特点，是集成运放线性应用“虚短”概念的具体表现。凡是信号从反相输入端输入的，在线性应用时都可以用“虚地”进行分析。特点：1.为深度电压并联负反馈，Auf=

Rf/R12.反相输入信号时，uP

=uN=0“虚地”当R1=Rf时，Auf=-1反相器特殊地：反相器2.同相比例运算放大电路“虚短”“虚断”R2=R1//Rf平衡电阻：

同相比例运算放大电路当R1=

，Rf=0时，Auf=1跟随器特殊地：同相器

特点：1.为深度电压串联负反馈，Auf=1+Rf/R12.uP=uN，“虚短”仍成立，但“虚地”不成立

同相输入集成运放不存在“虚地”。凡是信号从同相输入端输入的，在线性应用时，都可利用两输入端电位相等进行分析。二、加法运算电路if

i1+i2若

Rf=R1=R2

uo=

（ui1+ui2）平衡电阻：

加法运算电路则例1：试选图中各输入电路的电阻和平衡电阻R2。一个测量系统的输出电压为，uoi13ui3

∞

++-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路【解】可得利用叠加原理ui2=0ui1使：减法运算电路反相比例运算放大电路ui2使：ui1=0同相比例运算放大电路组合和R1//Rf=R2//R3

平衡电阻：则：三、减法运算电路当R1=R2，

Rf=R3时，上式简化为如果取Rf=R1，则uo=ui2-ui1减法运算实际是差分电路输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算。四、积分运算电路11CF—反馈电容

R2—平衡电阻，且R2=R1由虚断得当输入信号为阶跃电压时，uiUi-Uiot+UoM-UoMotuo五、微分运算电路uiuo

∞

++-RbCi1微分电路ifucR1R1—反馈电阻Rb—平衡电阻，且Rb=R1五、微分运算电路由虚断得uiuo

∞

++-RbCi1微分电路ifucR1应用：设输入，则输出tui0tuo0单元9.3集成运放的非线性应用线性应用：电路引入了负反馈，非线性应用：电路开环或引入了正反馈，集成运放工作在线性区。集成运放工作在非线性区。（1）判断集成运放的工作区域。（2）根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路进行分析。分析集成运放应用电路的基本步骤是：一、电压比较器ui>UR时，uo=-Uomui<UR时，uo=+Uom门限电压为UR因输入电压只跟一个参考电压UR进行比较，故此电路称为“单门限电压比较器”。若UR＝0过零电压比较器电路开环，集成运放工作在非线性区。单门限电压比较器的特点：电路结构简单、灵敏度高，但是抗干扰能力差单门限电压比较器可实现波形的变换0tui单门限电压比较器把正弦波变为矩形波双门限电压比较器的抗干扰作用

当输入电压ui因受干扰或含有噪音信号时，只要变化幅度不超过回差电压，输出电压就不会在此期间发生频繁地跳变，而仍保持为比较稳定的输出电压波形。

二、方波发生器

方波发生器是用来产生方波电压信号的振荡电路，它由一个过零滞回电压比较器和一个RC充放电回路组成。设接通电源的瞬间电容两端的电压Uc=0，因运放同相端受干扰信号的作用，使输出电压为高电平，即Uo=+UZ，此时输出电压uo通过电阻R向电容C充电，使电容两端的电压Uc按指数规律上升。当该电压升至反相滞回比较器的上限触发电平时uH1=UZR1/

(R1+R2)，输出状态变为低电平Uo=-UZ。这之后，电容器C放电，随着放电，电容上电压uc下降，当下降到下限门限电平UH2=-UZR1/

(R1+R2)时，输出状态又回到高电平，如此的周而复始，在输出端得到方波，而在电容器上将得到三角波形。单元9.4RC桥式正弦波振荡器一、RC桥式振荡电路的构成图中右边为同相比例放大器，左边为正反馈网络，又称选频网络，由RC串并联网络组成。反馈信号频率1/2πRC的信号，满足相位平衡条件，此时反馈系数的幅值达到最大值，为1/3，只要放大器的放大倍数大于3，即可使振荡器起振。根据同相比例放大器Au=1+Rf/R1，只要使Rf

>2R1即可。

二、正弦波振荡电路