第06章集成运算放大器的应用.ppt

1、第6章集成运算放大器的应用6.1理想运算放大器和两个运算放大器领域6.2运算放大器的线性应用电路6.3运算放大器的非线性应用电路6.4实际应用电路示例6.1理想运算放大器和两个运算放大器领域6.1.1理想运算放大器理想运算放大器可以理解为实际运算放大器的理想化模型。它是将集成运算放大器的技术指标理想化，得到一个理想的运算放大器。即：(1)开环差模电压放大aod=；(2)差模输入电阻RID=；(3)输出电阻棒=0；(4)输入失调电压UIO=0，输入失调电流IIO=0；输入失调电压的温度漂移dIo/dT=0，输入失调电流的温度漂移dIo/dT为0；(5)共模抑制比KCMR=；(6)输入偏置电流II

2、B=0；(7)-3dB带宽FH=；(8)无干扰或噪音。6.1.2集成运算放大器的两个工作空间1运算放大器在线性工作空间中工作的特性在集成运算放大器的应用电路中，运算放大器的工作范围有两种情况：在线性区域工作或在非线性区域工作。线性工作区域是指当输出电压uo与输入电压ui成比例时的输入电压范围。在线性工作区，集成运算放大器的uo和ui之间的关系可以表示为：uo=Aodui=Aod(u -u-)，其中Aod是集成运算放大器的开环差模电压放大系数，U和u-分别是同相输入端和反相输入端的电压。对于理想运算放大器，aod=；然而，uo是一个有限值，当它在线性区域工作时，它具有：u -u-0，即u -u，

3、被称为理想运算放大器输入端的“虚拟短路”。“虚拟短路”和“短路”是两个完全不同的概念。“虚短路”两点之间仍有电压，但电压很小；在“短路”的两点之间，电压为零。因为理想运算放大器rid=ric=的输入电阻和施加到运算放大器u -u-的输入端的电压是有限的，所以运算放大器的两个输入端的电流特性：i=i-0被称为理想运算放大器输入端的“虚断”。2。运算放大器工作在非线性工作区的特性在非线性工作区，运算放大器的输入信号超出线性放大范围，输出电压不再随输入电压线性变化，而是达到饱和。输出电压为正饱和压降UOH(正最大输出电压)或负饱和压降UOL(负最大输出电压)，如图6.1所示。图6.1综合了运算放大器

4、的传输特性。当理想运算放大器工作在非线性区域时，由于rid=ric=且输入电压总是有限的，无论输入电压是差模信号还是共模信号，两个输入端的电流都是无穷小的，也就是说，它们仍然满足“虚断”条件：i=i-0。为了使运算放大器工作在非线性区域，运算放大器一般工作在开环状态，也可以加入正反馈。6.2运算放大器的线性应用电路。在线性应用电路中，通常在电路中加入深度负反馈，使运算放大器在线性区域工作，实现各种功能。典型的线性应用电路包括各种运算电路和有源滤波器电路。6.2.1信号操作电路1。比例运算电路(1)反相比例运算电路反相比例运算电路也称为反相放大器，其电路组成如图6.2所示。(2)同相比例运算电路

5、同相比例运算电路也叫同相放大器，其电路如图6.3所示。输入电压施加到同相输入端。为了确保运算放大器在线性区域工作，在输出端和反相输入端之间连接一个反馈电阻Rf，形成一个深电压串联负反馈，其中R为平衡电阻，R=RfR1。图6.3同相比例运算电路，比例系数取决于电阻Rf与R1的比值。电压系列负，图6.6逆求和电路，(2)同相求和电路为了实现同相求和，每个输入电压可以施加到运算放大器的同相输入端。为了使运算放大器在线性状态下工作，电阻支路Rf引入了深电压串联负反馈，如图6.7所示。图6.7同相求和电路，3。积分和微分电路(1)积分电路积分电路可以完成输入信号的积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正

6、比。本文介绍了常用的逆积分电路，如图6.8所示。电容C引入电压分流负反馈，运算放大器工作在线性区域。图6.8显示了逆积分电路的基本形式，图6.9显示了基本积分电路的积分波形。(2)差分电路微分是积分的逆运算，差分电路的输出电压是输入电压的微分，如图6.10所示。图中，R引入电压并联负反馈，使运算放大器在线性区域工作。图6.10基本差分电路，图6.11差分电路信号波形，6.2.2有源滤波电路滤波电路可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。各种滤波器的特性如图6.12所示，该图显示了滤波器的理想和实际特性。1.低通滤波器电路一阶有源低通滤波器电路如图6.13所示，它由一个集成运算放大

7、器和一个一阶RC无源低通滤波器电路组成。射频引入负反馈，使运算放大器在线性区域工作。图6.13一阶有源低通滤波器电路和图6.14一阶有源低通滤波器电路的幅频特性。常用的二阶低通滤波器是在一阶低通滤波器的基础上改进的，如图6.15所示。RC无源滤波网络由一段变为两段，第一级RC电路的电容不直接接地，而是连接到运算放大器的输出端，并引入反馈改善截止频率附近的幅频特性。图6.15二阶低通滤波器电路，2。高通滤波器电路，以及图6.16一阶高通滤波器电路。与低通滤波器电路类似，一阶电路在低频时衰减缓慢。为了使其幅频特性更接近理想特性，可以通过增加另一个RC来形成二阶滤波电路，如图6.17所示。为了获得更

8、理想的滤波特性，多个一阶或二阶滤波电路可以串联以形成高阶高通滤波器。图6.17-3中的二阶高通滤波器电路。带通和带阻滤波器电路带通滤波器电路和带阻滤波器电路可以通过将具有截止频率fh的低通滤波器电路与具有截止频率fl的高通滤波器电路组合来获得。低通滤波电路和高通滤波电路串联形成带通滤波电路，fhfl可以形成带通电路。低通滤波器电路和高通滤波器电路并联形成带阻滤波器电路，因此fh fl可以形成带阻电路。图6.18带通滤波器和带阻滤波器电路的组成原理，带通滤波器和带阻滤波器的典型电路如图6.19所示。图6.19带通滤波器和带阻滤波器的典型电路。4.集成开关电容滤波器是一种相对较新的滤波电路，具有精

9、度高、稳定性好的特点；并且工艺简单、体积小、功耗低、价格低廉，易于制作成大规模集成电路。(1)基本开关电容单元开关电容滤波电路的基本原理是电路的两个节点都有电容，电容间接与高速开关相连，相当于在两个节点之间连接一个电阻。图6.20显示了基本的开关电容单元电路。图6.20基本开关电容单元电路，(2)开关电容滤波器电路图6-21(a)显示了开关电容低通滤波器电路，图6-21(b)显示了其原型电路。图6.21，fc是时钟脉冲频率，其值相当稳定；此外，C1/C2是两个电容的电容比，这在fabri中很容易精确和稳定图6.22是一个实际的开关电容低通滤波电路，6.3是一个运算放大器的非线性应用电路电压比较

10、器，它是一个普通的模拟信号处理电路，比较模拟输入电压和参考电压，并输出比较结果。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，这是一个数字量；输入信号是一个不断变化的模拟量，所以比较器可以作为模拟电路和数字电路之间的“接口”。由于比较器的输出只有两种状态：高电平和低电平，运算放大器通常工作在非线性区域。从电路结构来看，运算放大器往往处于开环状态或增加正反馈。根据比较器传输特性的不同，可以分为单限比较器、滞后比较器和双限比较器。6.3.1单限比较器单限比较器是指只有一个mosfet的比较器。图6.23单限比较器电路及其传输特性。当比较器输出电压从一种状态跳到另一种状态时，相应的输入电压通常称为

11、阈值电压或mosfet，用UTH表示。可以看出，这个单限比较器的阈值电压UTH=UR。如果UR=0，即运算放大器的反相输入接地，则比较器的阈值电压UTH=0。这种单限比较器也称为过零比较器。使用过零比较器，正弦波可以变成方波，输入和输出波形如图6.24所示。图6.24简单过零比较器电路和输入输出波形；6.3.2滞环比较器(滞环比较器)单限比较器电路简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。如果输入电压因干扰或噪声而上下波动，输出电压将在高电平和低电平之间反复跳变，如图6.25所示。如果这个输出电压用于控制电机和其他设备，就会发生误操作。为了解决这个问题，通常使用滞后电压比较器。图6.25当有干扰时，单限

12、比较器和滞环电压比较器的输出和输入波形可以通过引入上下mosfet获得正确稳定的输出电压。电压比较器有两个阈值电平，因此传输特性是滞后的。图6.26反向滞后电压比较器。滞环电压比较器用于控制系统时，其主要优点是抗干扰能力强。当输入信号因干扰或噪声而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞环电压比较器的两个阈值电平UTH1和UTH2，就可以防止比较器的输出电压在高低电平之间反复跳变，如图6.27所示。图6.27有干扰时滞环比较器的输入输出波形，6.4实际应用电路示例，6.4.1精密整流电路将交流电转换为直流电，称为整流。精密整流电路将微弱的交流电压转换成DC电压。当输入电压为正弦波时，半波整流电路的输出电压波形如图6.28中的uo1所示，uo2为全波整流电路的输出电压波形。图6.28整流电路波形，全波整流