《模拟电子技术课件》第2章集成运算放大器(信号运算电路)

1、第二章 集成运算放大器,第二章 集成运算放大器,2.1 集成运算放大器的简单介绍,2.2 理想运算放大器,2.4 同相输入和反相输入放大电路的应用,2.5 电压比较器,2.3 基本线性运放电路,2.6 使用运算放大器应注意的几个问题,了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。 理解运算放大器的电压传输特性，并掌握其基本分析方法。 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分等运算电路的工作原理， 理解电压比较器的工作原理和应用。,对你的期望,第二章 集成运算放大器,第二章 集成运算放大器,2.1 集成运算放大器的简单介绍,2.2 理想运算放大器,2.4 同相输入和反相输入放大电路的应用,2.5 电

2、压比较器,2.3 基本线性运放电路,2.6 使用运算放大器应注意的几个问题,2.1.1集成运算放大器的组成及符号,集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入 电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路,尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大,中间级应有足够大的电压放大倍数,输出级主要提高带负载能力，给出 足够的输出电流io ，输出阻抗 ro小。,国内外常用符号：,国家标准符号：,运放的符号,ri 高:105 1011,运放的特点：,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,A o 很大:104以上 107,2.1.2 运算放大器的电路模型,2.1.3 主要参数,1. 最大输出电压

3、 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB,第二章 集成运算放大器,2.1 集成运算放大器的简单介绍,2.2 理想运算放大器,2.4 同相输入和反相输入放大电路的应用,2.5 电压比较器,2.3 基本线性运放电路,2.6 使用运算放大器应注意

4、的几个问题,理想运放的符号,国内外常用符号：,国家标准符号：,理想运放：,ri ,KCMRR ,ro 0,Ao ,2.2.1 理想运算放大器的模型及符号,2.2.1 理想运算放大器的模型及符号,2.2.2 理想运算放大器及其分析依据,1. 理想运算放大器,Auo ， rid ， ro 0 ， KCMRR ,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,3. 理想运放工作在线性区的特点,因为 uo = Auo(u+ u ),

5、所以(1) 差模输入电压约等于 0 即 u+= u ,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,Auo越大，运放的 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。,O,4. 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),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,例 F007运算放大器的正、负电源电压为15V，开环电压放大倍数AU0=2105,输出最大电压（即Uo(sat

6、)为13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：,解,只要两个输入端之间的电压绝对值超过65V，输出电压就达到正或负的饱和值。,输出电压,输出电压,输出电压,输出电压,第二章 集成运算放大器,2.1 集成运算放大器的简单介绍,2.2 理想运算放大器,2.4 同相输入和反相输入放大电路的应用,2.5 电压比较器,2.3 基本线性运放电路,2.6 使用运算放大器应注意的几个问题,2.3 基本线性运放电路,2.3.1 反相放大电路,2.3.2 同相放大电路,2.3.1 反相放大电路,1.电路组成,因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 / RF,2.技术指标

7、的近似计算,（1）电压增益,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 ，,所以 i1 if,（2）输入电阻, 输入电阻小；, 虚地，无共模信号输入。,（4）特点,（3）输出电阻,?问题? 1 运放饱和电压对电路工作有无影响？ 2 已知运放的Vsat=10V，Rf=100K、 R1=10K. 若VI=-0.1V，输出电压为多少？ 若VI=1.5V，输出电压? 为保证不失真放大，电路的最大输入电压为多少？,例：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：1. Auf 、R2 ； 2. 若 R1不变，要求Auf为

8、10，则RF 、 R2 应为 多少？,解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5,R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k,2. 因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k,1.电路组成,因要求静态时u+、u对地电阻相同， 所以平衡电阻R2=R1/RF,2.3.2 同相放大电路,因虚断，所以u+ = ui,（1）电压增益,因虚短，所以 u = ui ， 反相输入端不“虚地”,2.技术指标的近似计算,2. 同相比例运算

9、,（2）输入电阻,（3）输出电阻,?问题? 1运放饱和电压对电路工作有无影响？ 2已知运放的Vsat=10V，Rf=100K、 R1=10K， 若vi=-0.1V，输出电压为多少？ 若vi=+1V，输出电压为多少？ 为保证不失真放大，电路的最大输入电压为多少？,当 R1= 或 RF = 0 时，,uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。,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。,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。,例：图中同相比例运算电路，,求：,需要帮忙吗？ 点击

10、我会有新发现。,返回目录,解：,此电路为同相比例运算电路，,于是,返回,返回目录,负载电流的大小 与负载无关。,例：负载浮地的电压-电流的转换电路,1. 能测量较小的电压； 2. 输入电阻高，对被 测电路影响小。,流过电流表的电流,第二章 集成运算放大器,2.1 集成运算放大器的简单介绍,2.2 理想运算放大器,2.4 同相输入和反相输入放大电路的应用,2.5 电压比较器,2.3 基本线性运放电路,2.6 使用运算放大器应注意的几个问题,2.4 同相输入和反相输入放大电路,2.4.1 求和电路,2.4.2 求差电路,2.4.3 积分电路,2.4.4 微分电路,2.4.5 对数电路,2.4.6

11、反对数电路,2.4.7 乘法电路,2.4.1 求和电路,1. 反相加法运算电路,因虚短, u= u+= 0,平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RF,因虚断，i = 0,所以 ii1+ ii2 = if,2. 同相加法运算电路,根据叠加原理 ui1单独作用(ui20)时，,同理，ui2单独作用时,当改变某一路输入电阻时， 对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点： 当改变某一路输入电阻时， 对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。,u+,2.4.2 求差电路,R2 / R3 = R1 / RF,如 R1 =

12、 R2 = R3 = RF,常用做测量 放大电路,例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压,解答,返回目录,解：,想一想：为什么要加A1？,返回,返回目录,例1:设计一加减运算电路,设计一加减运算电路，使 Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3,解：用双运放实现,如果选Rf1= Rf2 =100K，且R4= 100K,则：R1= 50K R2= 20K R5= 10K,平衡电阻 R3= R1/ R2/ Rf1= 12.5K,R6= R4/ R5/ Rf2= 8.3K,思考:用一加法和减运算电路怎样实现？,例2：求电路的电压放大倍数Avf,2.4.3 积分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1 =

13、 if,if =?,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,积分饱和,线性积分时间,线性积分时间,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,例 已知： vc (0)=0 ,画输出电压波形。,解:(1) t: 0t1,vo (t1)=8V,(2) t: t1t2,vo (t2)=0V,三角波,方波,2.4.4 微分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1 = if,Ui

14、,Ui,微分电路,其中，IES 是发射结反向饱和电流，vO是vS的对数运算。,BJT的发射结有,利用虚短和虚断，电路有,当 时，,利用PN结的指数特性实现对数运算,2.4.5 对数运算电路,基本对数电路缺点： 运算精度受温度影响大 小信号时exp(vD/vT)与1差不多大，所以误差很大 二极管在电流较大时伏安特性与PN结伏安特性差别较大，所以运算只在较小的电流范围内误差较小。,vO是vS的反对数运算（指数运算）,利用虚短和虚断，电路有,要求,2.4.6 反对数运算电路,根据两数相乘的对数等于两数的对数之和 ，,2.4.7 乘法电路,第二章 集成运算放大器,2.1 集成运算放大器的简单介绍,2.

15、2 理想运算放大器,2.4 同相输入和反相输入放大电路的应用,2.5 电压比较器,2.3 基本线性运放电路,2.6 使用运算放大器应注意的几个问题,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。,2.5 电压比较器,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

16、(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,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。,当 u+u 时，uo= +Uo (sat) u+u 时，uo= Uo (sat),即 uiUR 时，uo = Uo (sat),可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。,ui UR，uo=+ Uo (sat) ui UR，uo= Uo (sa

17、t),输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,2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,uiUR 时，uo = Uo (sat),3 过零电压比较器,利用电压比较器 将正弦波变为方波,电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。,第二章 集成运算放大器,2.1 集成运算放大器的简单介绍,2.2 理想运算放大器,2.4 同相输入和反相输入放大电路的应用,2.5 电压比较器,2.3 基本线性运放电路,2.6 使用运算放大器应注意的几个问题,集成运放按技术指标

18、分为：通用型 和特殊型 。,通用型开环增益可达100dB，基本能兼顾各方面的要求，在实际应用时优先选用。如uA741、LM324、5G24等。,1、运放的选择：,通常根据设计要求选择具有相应指标的芯片包括信号源的性质、负载的性质、精度要求、环境条件四方面要求。,2.6 使用运算放大器应注意的几个问题,（1） 集成运放的管脚： 常见封装形式多为双列直插式封装： 8、10、12、14、16管脚等。使用注意查阅手册、 辨认管脚，以便正确连线。,（2）粗测运放好坏： 用万用表电阻中间档（100）测量有无 短路和断路现象。 接成电压跟随器形式进行器件检查。,（3）调零或调整偏置电压消除失调电压：,2、使