集成運(yùn)算放大器的應(yīng).ppt

電子技術(shù),主編 李中發(fā) 制作 李中發(fā) 2005年1月,第4章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用,掌握集成運(yùn)算放大器在線性和非線性應(yīng)用時(shí)的分析方法 掌握集成運(yùn)算放大器的反相、同相、差動(dòng)3種基本輸入方式及其電路的特點(diǎn) 熟悉比例、加減、積分、微分等基本運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點(diǎn)和功能 能分析由基本運(yùn)算電路組合而成的其他運(yùn)算電路 熟悉電壓比較器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法 熟悉一階濾波器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法 了解采樣保持電路、波形發(fā)生電路、信號(hào)測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)和工作原理 了解集成運(yùn)放在實(shí)際應(yīng)用中的一些注意事項(xiàng),學(xué)習(xí)要點(diǎn),4.1 模擬運(yùn)算電路 4.2 信號(hào)處理電路 4.3 波形發(fā)生電路 4.4 使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題,第4章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用,4.1 模擬運(yùn)算電路,4.1.1 比例運(yùn)算電路,1、反相輸入比例運(yùn)算電路,圖示電路既能提高輸入電阻，也能滿足一定放大倍數(shù)的要求。 根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的虛短和虛斷兩條分析依據(jù)，可以推出圖4-2所示電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：,例 在圖4-2所示電路中，已知R1=100k，Rf1=200k，Rf2=200k， Rf3=1k，求： （1）閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf、輸入電阻ri及平衡電阻R2； （2）如果改用圖4-1的電路，要想保持閉環(huán)電壓放大倍數(shù)和輸入電阻不變，反饋電阻Rf應(yīng)該多大？,解（1）閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：,2、同相輸入比例運(yùn)算電路,電壓跟隨器,例 在圖示電路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求輸出電壓uo，并說(shuō)明輸入級(jí)的作用。,例 在圖示電路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求輸出電壓uo。,4.1.2 加法和減法運(yùn)算電路,1、加法運(yùn)算電路,2、減法運(yùn)算電路,例：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關(guān)系。,解：電路由第一級(jí)的反相器和第二級(jí)的加法運(yùn)算電路級(jí)聯(lián)而成。,例：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關(guān)系。,解：電路由第一級(jí)的同相比例運(yùn)算電路和第二級(jí)的減法運(yùn)算電路級(jí)聯(lián)而成。,例 試用兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)加減運(yùn)算電路，實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算關(guān)系：,解 由題中給出的運(yùn)算關(guān)系可知ui3與uo反相，而ui1和ui2與uo同相，故可用反相加法運(yùn)算電路將ui1和ui2相加后，其和再與ui3反相相加，從而可使ui3反相一次，而ui1和ui2反相兩次。根據(jù)以上分析，可畫(huà)出實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算的電路圖，如圖所示。,由圖可得：,例：求圖示電路中uo與ui的關(guān)系。,4.1.3 積分和微分運(yùn)算電路,1、積分運(yùn)算電路,積分電路波形,積分電路用于方波三角波轉(zhuǎn)換,例 在圖示的電路中。 （1）寫(xiě)出輸出電壓uo與輸入電壓ui的運(yùn)算關(guān)系。 （2）若輸入電壓ui=1V，電容器兩端的初始電壓uC=0V，求輸出電壓uo變?yōu)?V所需要的時(shí)間。,2、微分運(yùn)算電路,4.2 信號(hào)處理電路,4.2.1 有源濾波器,濾波器：選出所需要的頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，使其順利通過(guò)；而對(duì)于頻率超出此范圍的信號(hào)，使其不易通過(guò)。 不同的濾波器具有不同的頻率特性，大致可分為低通、高通、帶通和帶阻四種。 無(wú)源濾波器：僅由無(wú)源元件R、C構(gòu)成的濾波器。無(wú)源濾波器的帶負(fù)載能力較差，這是因?yàn)闊o(wú)源濾波器與負(fù)載間沒(méi)有隔離，當(dāng)在輸出端接上負(fù)載時(shí)，負(fù)載也將成為濾波器的一部分，這必然導(dǎo)致濾波器頻率特性的改變。此外，由于無(wú)源濾波器僅由無(wú)源元件構(gòu)成，無(wú)放大能力，所以對(duì)輸入信號(hào)總是衰減的。 有源濾波器：由無(wú)源元件R、C和放大電路構(gòu)成的濾波器。放大電路廣泛采用帶有深度負(fù)反饋的集成運(yùn)算放大器。由于集成運(yùn)算放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，使濾波器輸出和輸入間有良好的隔離，便于級(jí)聯(lián)，以構(gòu)成濾波特性好或頻率特性有特殊要求的濾波器。,1、低通濾波器,截止角頻率：,2、高通濾波器,截止角頻率：,4.2.2 采樣保持電路,采樣階段：控制信號(hào)uG出現(xiàn)時(shí)，電子開(kāi)關(guān)接通，輸入模擬信號(hào)ui經(jīng)電子開(kāi)關(guān)使保持電容C迅速充電，電容電壓即輸出電壓uo跟隨輸入模擬信號(hào)電壓ui的變化而變化。 保持階段：uG=0，電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，保持電容C上的電壓因?yàn)闆](méi)有放電回路而得以保持。一直到下一次控制信號(hào)的到來(lái)，開(kāi)始新的采樣保持周期。,4.2.3 電壓比較器,運(yùn)算放大器處在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運(yùn)算放大器便進(jìn)入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達(dá)到最大值UOM。,1、簡(jiǎn)單比較器,基準(zhǔn)電壓UR=0時(shí)，輸入電壓ui與零電位比較，稱為過(guò)零比較器。,輸出端接穩(wěn)壓管限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷海瑒tuiUR時(shí)，穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ?uo=0；uiUR時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿， uo=UZ時(shí)。,輸出端接雙向穩(wěn)壓管進(jìn)行雙向限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷?，則uiUR時(shí)，穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ?uo=UZ；uiUR時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿， uo=UZ時(shí)。,電壓比較器廣泛應(yīng)用在模-數(shù)接口、電平檢測(cè)及波形變換等領(lǐng)域。如圖所示為用過(guò)零比較器把正弦波變換為矩形波的例子。,2、滯回比較器,設(shè)比較器初始狀態(tài)uo=+UOM，此時(shí)同相輸入端的電壓為：,當(dāng)ui由低向高變化直至uiuH1時(shí)，比較器的輸出電壓uo由UOM跳變至UOM，此時(shí)同相輸入端的電壓為：,當(dāng)ui由高向低變化直至uiuH2時(shí)，比較器的輸出電壓uo由UOM跳變至UOM，此時(shí)同相輸入端的電壓又變?yōu)閡H1。,uH1稱為上門(mén)限電壓，uH2稱為下門(mén)限電壓，兩者的差值稱為回差電壓，用uH表示，即：,與簡(jiǎn)單比較器相比，滯回比較器具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）引入正反饋后能加速輸出電壓的轉(zhuǎn)變過(guò)程，改善輸出電壓在跳變時(shí)的波形。 （2）提高了電路的抗干擾能力。由于回差電壓的存在，輸出電壓uo一旦轉(zhuǎn)變?yōu)閁OM或UOM后，運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓u+隨即自動(dòng)變化，因此，輸入電壓ui必須有較大的反向變化才能使輸出電壓uo轉(zhuǎn)變。,4.3 波形發(fā)生電路,4.3.1 正弦波發(fā)生電路,起振過(guò)程：在無(wú)輸入信號(hào)（xi=0）時(shí)，電路中的噪擾電壓（如元件的熱噪聲、電路參數(shù)波動(dòng)引起的電壓、電流的變化、電源接通時(shí)引起的瞬變過(guò)程等）使放大器產(chǎn)生瞬間輸出xo，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端，得到瞬間輸入xd，再經(jīng)基本放大器放大，又在輸出端產(chǎn)生新的輸出信號(hào)xo，如此反復(fù)。在無(wú)反饋或負(fù)反饋情況下，輸出xo會(huì)逐漸減小，直到消失。但在正反饋情況下，xo會(huì)很快增大，最后由于飽和等原因輸出穩(wěn)定在xo，并靠反饋永久保持下去。,1、自激振蕩條件,起振時(shí)必須滿足：AF1。,正弦波振蕩器的基本組成部分： 基本放大電路 正反饋網(wǎng)絡(luò) 選頻網(wǎng)絡(luò),正弦波振蕩器的分類： RC正弦波振蕩器 LC正弦波振蕩器,文氏電橋振蕩器,2、 RC正弦波振蕩器,放大器的電壓放大倍數(shù)為：,反饋網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。,RC反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為：,4.3.2 非正弦波發(fā)生電路,1、方波發(fā)生電路,電路組成：由滯回比較器和RC充放電回路兩部分組成，圖中VDZ是雙向穩(wěn)壓管，起限制輸出電壓幅值的作用，R3是VDZ的限流電阻。,電路工作原理：設(shè)t=0時(shí)電容上電壓uC=0，滯回比較器的輸出電壓uo=+UOM，則集成運(yùn)放同相輸入端的電位為：,此時(shí)輸出電壓uo通過(guò)電阻R向電容C充電，使電容兩端的電壓uC按指數(shù)規(guī)律上升。由于電容C接在集成運(yùn)放的反向輸入端，所以，只要uCuH1 ，uo即由UZ跳變至UZ，于是集成運(yùn)放同相輸入端的電位立即變?yōu)椋?輸出電壓uo變?yōu)閁Z后，電容C通過(guò)電阻R放電，使電容兩端的電壓uC按指數(shù)規(guī)律下降。uC下降到零后，電容C反方向充電。直至?xí)ruC uH2，比較器的輸出電壓uo又立即由UZ跳變至UZ。如此周而復(fù)始，便在輸出端得到方波電壓，而電容兩端則得到三角波電壓。,2、三角波發(fā)生電路,電路組成：在滯回比較器的輸出端再接了一個(gè)積分電路組成，滯回比較器中的R1沒(méi)有直接接地，而是接到了積分電路的輸出端。,電路工作原理：由于虛斷，運(yùn)放A1反相輸入端的電位為零，而同相輸入端的電位uH同時(shí)與滯回比較器的輸出電壓uo1和積分電路的輸出電壓uo有關(guān)，根據(jù)疊加定理，可得：,設(shè)t=0時(shí)滯回比較器的輸出電壓uo1=UZ，積分電路的輸出電壓uo=0，根據(jù)上式可知此時(shí)uH0 。此后uo將隨時(shí)間按線性規(guī)律上升，uH也隨時(shí)間按線性規(guī)律上升，當(dāng)上升到uH=0時(shí)，uo1即由UZ跳變至UZ，同時(shí)uH也跳變?yōu)橐粋€(gè)正值。在此之后，uo將隨時(shí)間按線性規(guī)律下降，使uH也隨時(shí)間按線性規(guī)律下降。當(dāng)下降到uH=0時(shí)，uo1又由UZ跳變至UZ，同時(shí)uH也跳變?yōu)橐粋€(gè)負(fù)值。然后重復(fù)以上過(guò)程，于是在滯回比較器的輸出端得到的電壓uo1為方波，而在積分電路的輸出端則得到的電壓uo為三角波，其中三角波電壓uo的幅度為：,4.4 使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題,4.4.1 選用元件,通常是根據(jù)實(shí)際要求來(lái)選用運(yùn)算放大器。如測(cè)量放大器的輸人信號(hào)微弱它的第一級(jí)應(yīng)選用高輸入電阻、高共模抑制比、高開(kāi)環(huán)電壓放，大倍數(shù)、低失調(diào)電壓及低溫度漂移的運(yùn)算放大器。選好后，根據(jù)管腳圖和符號(hào)圖聯(lián)接外部電路，包括電源、外接偏置電阻、消振電路及調(diào)零電路等。,4.4.2 消振,通常是外接RC消振電路或消振電容，用它來(lái)破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件。是否已消振，可將輸入端接地，用示波器觀察