Transcript 第05章集成运算放大器的应用

第5章 集成运算放大器的应用
5.1 集成运放的理想化及基本电路
5.2 运算电路
5.3 电压比较器
5.4 集成运放的应用常识
5.1 集成运放的理想化及基本电路
5.1.1 集成运放的理想特性
集成放的符号、管脚
信号传
输方向
反相
输入
端
同相
输入端
理想运放开环
电压放大倍数
－
un
ui
up
＋
输出端
AO
＋
uo
1. 理想运放的概念
理想化的条件：
开环电压放大倍数 Aod
差模输入电阻 rid
开环输出电阻 rod
共模抑制比 KCMRR
上限截止频率fH→。
∞
u;
∞ ;
0 ;
uo
u
∞ ;
理想运放的符号
2．理想运放在线性区的特点
集成运放的电压、电流，以及“虚短”、“虚断”示意图
（1）虚短：由于两输入端之间的电压差为0，相当于两
输入端短路，但又不是真正的短路，故称为“虚短”。
虚短实际上指的是两输入端的电压相同，也就是up=un。
（2）虚断：由于ii=0，相当于两输入端开路，但又不是
真正的断开，故称为“虚断”。虚断表明两输入端没有
电流。
5.1.2 集成运放的两种基本电路
1. 反相输入放大电路
反馈方式：
电压并联负反馈
虚地点
if
因为有负反馈，
利用虚短和虚断
Rf
ui
R1
i1
u£u+
u+ =0
£¡Þ
A +
+
uo
uo
Rf

电压放大倍数: Auf 
ui
R1
u－=u+=0（虚地）
i1=if （虚断）
uo
ui

R1
Rf
例题. R1=10k , Rf=20k , ui =-1V。求:uo 、Ri。说
明R的作用， R应为多大？
if
特点：
Rf
ui
R1
i1
u£u+
£¡Þ
A +
+
共模输入电压=0
uo
输入电阻小（ Ri=R1）
R0
R为平衡电阻(使输
入端对地的静态电阻
相等):R=R1//Rf
（u－=u+=0）
缺点：
Rf
20
Au    
 2
R1
10
uo  Auui  (2)(1)  2V
Ri  R1
采用T型反馈网络的反相比例电路
目的：在高比例系数时，避免R1阻
值太小，使输入电阻太小。
i2
分析：u+=u-=0（虚短）
i1=i2 （虚断）
ui
R1
又 i2  R2  i3  R3
 i2  i1 
 i3 
R2
i4
i3
ui
R2
R u
 i2  2  i
R3
R3 R1
R1
i1
R3
£¡Þ
A +
+
ui
 u0  i2  R2  i4  R4    R2  ( i2  i3 )  R4
R1
ui
ui R2 ui
   R2  ( 
 )  R4
R1
R1 R3 R1
R4
uo
R2  R4
R2 // R4
 Au  
(1 
)
R1
R3
2. 同相输入放大电路
i1
if
反馈方式：
电压串联负反馈
因为有负反馈，
利用虚短和虚断
Rf
R1
u£ui
R
u+
特点：
输入电阻高
缺点：
共模输入电压≠0
（u－=u+=ui）
£¡Þ
A +
+
uo
电压放大倍数:
uo
Rf
Auf 
 1
ui
R1
u-= u+= ui
i1=if （虚断）
0  ui ui  uo

R1
Rf
平衡电阻
R=Rf//R1
电压跟随器
u£ ui
u+
£¡Þ
A +
+
因为有负反馈，
利用虚短和虚断：
ui=u+= u-= uo
uo
此电路是同相比
例运算的特殊情况，
输入电阻大，输出
电阻小。在电路中
作用与分立元件的
射极输出器相同，
但是电压跟随性能
好。
Auf=1
5.2 运算电路
5.2.1 比例运算电路
数学上y=kx（k为比例常数）称为比例运算，在电路中则
可通过uo=kui来模拟这种运算，比例常数k为电路的电压放
大倍数。显然，前述的反相输入放大电路和同相输入放大电
路都可实现比例运算，前者k=Rf /R1<0，后者k=1+Rf /R1>0，
因此分别称为反相比例电路和同相比例电路。
5.2.2 加法运算电路
ui1
R1
ui2
i1
R2
i2
u  u  0
i1 + i2= if
if
Rf
u£u+
£¡Þ
A +
+
uo
R0
虚地
平衡电阻
R0= R1// R2//Rf
ui1 ui2  uo


R1 R2
Rf
Rf
Rf
uo  ( ui1 
ui2 )
R1
R2
若R1 =R2 =R,
Rf
uo   (ui1  ui2 )
R
5.2.3 减法运算电路
叠加原理
ui1作用
Rf
uo   ui1
R1
综合：
R3
Rf
Rf
uo   ui1  (1  )
ui2
R1
R1 R3  R2
Rf R3
若 
R1 R2
ui2作用
R3
Rf
uo  (1  )
ui2
R1 R3  R2
则有：uo 
uui1i1 RR1 1
ui1 RR1 1
ui2 RR2
22
ui2 R2R
u i2
Rf
(ui2  ui1 )
R1
RfRf
RRf
f
u£u-£u£u-££¡Þ¡Þ
- £AA +¡Þ
uu+ £-£¡Þ
+
+
+
uu+ + + AA ++
++
R3
RR3R3
3
uou
uuooo
5.3 电压比较器
功能： 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输
出一定的高低电平。
构成： 运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入
的关系uo=f(ui)是非线性函数。
uo
ui u
+
+
A
u£-
¡Þ
+
uO
+UOM
0
-UOM
ui
运放工作在非线性状态基本分析方法
1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。
2. 运放工作在非线性状态的分析方法：
若U+＞U-
则UO=+UOM；
若U+＜U-
则UO=-UOM。
虚断（运放输入端电流=0）
注意：此时不能用虚短！
ui u
+
¡Þ
+
A +
u£-
uo
+UOM
uO
0
-UOM
ui
一.单门限电压比较器
1. 过零比较器: （门限电平=0）
ui u
+
¡Þ
+
A +
u£-
uo
+UOM
uO
ui
0
-UOM
ui u
+
¡Þ
£u- + A +
uo
uO
+UOM
0
-UOM
ui
例题：利用电压比
较器将正弦波变为
方波。
ui u
+
¡Þ
+
A +
u£-
uO
ui
t
uo
+Uom
t
-Uom
2. 单门限比较器（与参考电压比较）
运放处于
开环状态
ui u
+
UREF
¡Þ
+
u- £- A +
UREF为参考电压
当ui > UREF时 , uo = +Uom
当ui < UREF时 , uo = -Uom
uo
uO
+Uom
0
-Uom
UREF
ui
若ui从反相端输入
当ui < UREF时 , uo = +Uom
当ui >UREF时 , uo = -Uom
uo
ui u-
¡Þ
£A +
u+
+
+Uom
uO
0
-Uom
UREF
ui
3. 限幅电路——使输出电压为一稳定的确定值
（1）用稳压管稳定输出电压
ui u
+
uo
¡Þ
+
u- £- A +
RZ
uO
+UZ
DZ
0
-UZ
当ui > 0时 , uo = +UZ
当ui < 0时 , uo = -UZ
ui
忽略了UD
（2）稳幅电路的另一种形式：
将双向稳压管接在负反馈回路中
uo
DZ
ui R
+UZ
uu+
¡Þ
£A +
+
uO
R
当ui > 0时 , uo = -UZ
当ui < 0时 , uo = +UZ
0
-UZ
ui
二. 迟滞比较器
特点:电路中使用正反馈——运放工作在非线性区。
1.工作原理——两个门限电压。
（1）当uo =+UZ时， u  U T
（2）当uo =-UZ时，
ui
R1 uu+
R2
uREF
u  U T
¡Þ
£A +
+
RZ
R2
Rf

UZ 
U REF
Rf  R2
Rf  R2
R2
Rf

UZ 
U REF
R2  Rf
R2  Rf
uO
UT+称上门限电压
UT-称下门限电压
Rf
DZ
UT+- UT-称为回差电压
迟滞比较器的电压传输特性：
ui
R1 uu+
R2
£A
+
uREF
¡Þ RZ
+
Rf
DZ
-UZ
设ui , 当ui = > UT+时,
uo从+UZ  -UZ
这时, uo =-UZ ,
+UZ
0
设初始值: uo =+UZ ,
u+= UT+
uo
UT-
uO
UT+
ui
u+= UT-
设ui , 当ui = < UT-时,
uo从-UZ  +UZ
例题：Rf=10k，R2=10k  ，UZ=6V， UREF=10V。
当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。
ui
R1 uu+
R2
¡Þ
£A +
+
uREF
RZ
uO
uo
传输特性
+6V
3V
Rf
DZ
0
-6V
上下限：
R2
Rf
U T 
UZ 
U R  8V
Rf  R2
Rf  R2
R2
Rf
U T  
UZ 
U R  3V
Rf  R2
Rf  R2
8V
ui
ui R1 u
u+
R2
ui
¡Þ
£A +
+
uREF
RZ
Rf
uo
u O 8V
DZ
传输特性
3V
uo
+6V
+6V
3V
0
8V
ui
-6V
-6V
5.4 集成运放的应用常识
5.4.1 运算放大器的选择
运算放大器的种类很多，在工作中需要按系统对电路
的要求进行选用。一般均选用通用型，其售价较低，且
容易购买。只有在有特殊需要时，才选用某种特殊型运
放。但并不是价格贵的就好，因为特殊型的也只是某几
个技术指标比较突出，但是这些指标是以牺性另一些指
标为代价的。
另外在选用时，需注意可靠性。如果工作中经常有
冲击电压或电流，则应选用有过载保护型的，而且在容
量方面要留有充分的余地。
5.4.2 运算放大器使用注意事项
1. 引脚排列
2. 零点调整
零点调整的常用方法是：将两输入端短
路接地，利用外接调零电位器调整，使
输出电压为0，具体的调零方法可参阅有
关说明书。
3. 消除寄生振荡
集成运算放大器开环电压放大倍数很大，
容易引起振荡，寄生振荡频率在几十到几百
kHz范围。为此，常要加阻容补偿网络，具
体参数和接法可查阅使用说明书。合适的补
偿网络参数数值应通过实验确定。
4. 保护电路
（1）电源极性的保护
电源极性保护
（2）输入保护：
输入保护电路
（3）输出保护
输出端过压保护电路
本章小结
（1）集成运放有线性和非线性两种工作状态，相应地就
有两类应用：线性应用和非线性应用。
（2）运放工作在线性区的两大特点，即un=up，ii=0是分
析工作在线性区运放电路的重要依据。
（3）集成运放的线性应用有：组成放大电路、运算电路
等。为了工作在线性放大状态，作为线性应用的运放必
须引入深度负反馈，此时应用虚短、虚断和虚地等概念
可使电路的分析大为简化。
（4）运放工作在非线性区的特点是：un>up，则
uo=+UOM；un<up，则uo=UOM，输出电压通常只有高
电平和低电平两个稳定状态，它可以看成是由输入
电压控制的开关。
（5）集成运放的非线性应用有：组成电压比较器和
非正弦波发生器等。为了使运放工作在非线性状态，
必须使运放开环或引入正反馈，分析电路时主要画
出它的传输特性或波形。
（6）在使用集成运放时应注意做好相应的保护措施，
以防不正常工作和损坏。