第3章-集成運算放大器

第3章集成運算放大器3.2信號運算電路3.3信號處理電路3.4集成運算放大器的應(yīng)用3.5集成運算放大器的一般使用方法3.1集成運算放大器簡介3.1集成運算放大器簡介

集成電路（IC）：采用專門的制造工藝，將元、器件及連線組成的完整電路制作在一塊基片上，并完成特定的功能。一、集成運算放大器的結(jié)構(gòu)及符號1.集成運算放大器的基本結(jié)構(gòu)2.集成運算放大器的電路符號3.集成運放的種類（1）通用型。性能指標適合一般性使用，其特點是電源電壓適應(yīng)范圍廣，允許有較大的輸入電壓等，如CF741等。（2）低功耗型。靜態(tài)功耗≤2mW，如XF253等。（3）高精度型。失調(diào)電壓溫度系數(shù)在1μV／℃左右，能保證組成的電路對微弱信號檢測的準確性，如CF75、CF7650等。（4）高阻型。輸入電阻可達1012Ω，如F55系列等。還有寬帶型、高壓型等等。使用時須查閱集成運放手冊，詳細了解它們的各種參數(shù)，作為使用和選擇的依據(jù)。二、集成運放常用主要參數(shù)(1)開環(huán)差模電壓增益：(2)最大差模輸入電壓：(3)最大輸出電壓：(4)差模輸入電阻：(5)輸出電阻：(6)最大輸出電流：(7)輸出失調(diào)電壓：(8)共模抑制比：開環(huán)：運算放大器外部，兩個輸入和輸出之間沒有任何連接。三、理想運算放大器

將集成運算放大器的一些參數(shù)近似理想化，得到理想運算放大器的模型，有(1)開環(huán)差模電壓增益：(3)差模輸入電阻：(4)輸出電阻：(2)共模抑制比：(5)輸出失調(diào)電壓：注意：無特殊說明，今后我們分析的集成運算放大器均為理想運算放大器！四、運算放大器的電壓傳輸特性開環(huán)狀態(tài)下由于為無窮大，因此僅當很小時下式才成立所以特性曲線中的線性區(qū)很窄其他部分稱為飽和區(qū)(非線性區(qū))(1)兩個輸入端之間電壓近似為零分析運算放大器電路的兩條原則在線性區(qū)由于為有限值，而為無窮大，因此故相當于兩個輸入端短路（“虛短”）（“虛斷”）由于為無窮大，故相當于兩個輸入端之間開路(2)兩個輸入端電流近似為零3.2信號運算電路

(1)反相比例運算一、比例運算電路特點：運算放大器工作在閉環(huán)狀態(tài)，即在運放外部，輸出端與一個反相輸入端有物理連接。特點：輸入信號接反相輸入端；反饋電阻接于輸出與反相輸入端之間；輸出電壓與輸入電壓反相。※分析方法：(1)由“虛斷”的概念得到A、B、(2)由“虛短”的概念有（“虛地”）由可知所以圖中稱為平衡電阻有由式可知，在輸入一定的前提下，改變的比例關(guān)系，可以得到所需的輸出。特殊情況下

當時，有，此時我們稱該電路為

反相器或反號器。求電壓增益值例1電路為反相輸入工作方式，且運放的反相輸入端為“虛地”，又由“虛斷”有a在由KCLa(2)同相比例運算特點：輸入信號接同相輸入端；反饋電阻接于輸出與反相輸入端之間；輸出電壓與輸入電壓同相。由“虛斷”及”虛短”由平衡電阻的概念有由“虛斷”及”虛短”由平衡電阻的概念有討論(1)輸出電壓與輸入電壓同相;由上式可知(2)當時，有輸出輸入(3)當或有對應(yīng)電路如下分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例2分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例3(3)反相加法運算由圖可知反相輸入端虛地由KCL有由平衡電阻的概念有當有

該結(jié)論可推廣為多個輸入信號

電路如圖，已知

求：輸出電壓的大小。

解：該電路實現(xiàn)了三個輸入信號的反相加法運算，所以

例4(4)減法運算

輸入信號由兩個輸入端分別輸入，稱為差動輸入。

由虛短得到

由虛斷得到

當時利用疊加原理進行分析"uo=u'o+uo=

1+

ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1'uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″

=

1

+

ui2RFR1R2+R3R3分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例6(5)積分運算電路為反相輸入方式，反饋元件為電容。運放的反相輸入端處于虛地狀態(tài)。輸出與輸入對時間的積分成正比。當時(6)微分運算由“虛斷”有電路如圖，試求表達式

解：由圖中各量的參考方向有由輸出電壓是輸入電壓的比例運算和微分運算的組合，我們稱之為比例－微分調(diào)節(jié)器，簡稱PD調(diào)節(jié)器。類似的還有PI調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器。例7電路如圖，已知

求（1）寫出的表達式（2）設(shè)，求達到所需的時間。例8解：（1）由第一級可以求出由第二級可以求出（2）由已知則帶入數(shù)據(jù)有3.3信號處理電路

一、有源濾波器

如果在多個不同頻率的輸入信號中選取或除去某些頻率的信號，完成該功能的電路稱為濾波器。濾波器：按信號性質(zhì):模擬濾波器和數(shù)字濾波器按電路功能:低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按所用元件:無源濾波器和有源濾波器按階數(shù):一階,二階…高階種類:傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性

低通高通帶通帶阻RCR一階RC低通濾波器(無源)CC傳遞函數(shù)幅頻特性010.707

0截止頻率此電路的缺點：1、帶負載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性、幅頻特性曲線RCR通頻帶寬度(帶寬)010.707

0截止頻率帶寬:0-

0

設(shè)R=10k,C為下列各值時的帶寬:Cfo1

F16Hz0.047

F340Hz0.01

F1600Hz反饋回路的等效阻抗為一、有源濾波器1.一階有源低通濾波器傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)中出現(xiàn)

的一次項,故稱為一階濾波器定義截止頻率為,幅頻特性傳遞函數(shù)1、時：有放大作用3、運放輸出，帶負載能力強。2、時：幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路特點:R–1RCRR1RFC+-+傳遞函數(shù)–1RC2.一階有源高通濾波器幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)1RC–幅頻特性01+RF/R10.707(1+RF/R1)

0RR1RFC+-+一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別二階低通0-3dbAF理想低通一階低通階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器RR1RFC+-+RC01+RF/R10.707(1+RF/R1)

0例9二、電壓比較器

電壓比較器是運放在開環(huán)狀態(tài)下的應(yīng)用，即運放工作在非線性區(qū)。其功能是比較兩個輸入信號的大小，其結(jié)果用輸出端的高低電平來表示。常用于模擬和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、對信號的控制及測量。++uouiURuoui0URUR為參考電壓當ui>UR時,uo=U+o當ui<UR時,uo=U-o

特點:運放處于開環(huán)狀態(tài)(1)單限電壓比較器++uouiURuoui0UR當ui<UR時,uo=U+o當ui>UR時,uo=U-o

ui從反相端輸入uoui0++uoui過零比較器:當UR=0時++uouiuoui0++uouituituo利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。?輸出限幅電路uoui0+UZ-UZ++uiuo

UZuoui0+UZ-UZ忽略了UD輸入信號和參考電壓均接在反相端反相輸入端虛地因此當時,if向右，與參考方向相同同理當時,該電路的門限電壓為總結(jié)1.電路簡單。2.容易引入干擾。(2)遲滯型電壓比較器當時,當時,令

由0→+得到上圖b中A到D段當由+

→0時得到上圖b中D到F段可見輸出電壓在兩個不同的門限電壓上下跳變該曲線相似于電工技術(shù)中介紹的磁滯回線，因此把這種電壓比較器稱為遲滯型電壓比較器?；夭铍妷簍uiUHULtuoU+oU-o輸入正弦波的情況UR=0三、采樣—保持電路采樣：把連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的信號；保持：在兩次采樣的時間間隔內(nèi)，將前一次采樣結(jié)束的信息保持下來。原理電路如圖場效應(yīng)管T作為模擬開關(guān)電容C作為保持元件集成運放接成跟隨器，起阻抗變換和隔離作用u作為采樣控制信號ui是待采樣信號uo為采—保后的離散信號3.4集成運算放大器的應(yīng)用一、矩形波和三角波產(chǎn)生電路集成運放處于比較器狀態(tài)；輸出電壓為矩形波;電容電壓為近似的三角波。二、測量放大器在非電量測量系統(tǒng)中，常用各種傳感器把非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸㈦娏餍盘?，放大后給檢測系統(tǒng)，原理電路如下圖。第一級放大電路由A1、A2組成，均采樣同相輸入，輸入電阻高，電路結(jié)構(gòu)對稱，可抑制零漂。由電路結(jié)構(gòu)可知，兩個運放的輸入信號極性相反，當R2=R3時，R1的中點相當于地，則第二級為差動放大電路，輸出電壓為當R4=R5，R6=R7時，則總的電壓放大倍數(shù)為3.5集成運算放大器的一般使用方法一、消振運放在輸入端不加信號的情況下，輸出端也可能有交流電壓輸出，表明運放產(chǎn)生了自激振蕩，使運放不能正常工作。消除自激振蕩的方法是在補償端接入適當?shù)碾娙莼騌C電路，來破壞自激振蕩的條件。二、調(diào)零實際的運放在零輸入時，輸出不為零，在輸出端反映輸入有信號，這樣將給其線性應(yīng)用帶來一定的誤差，因此需要調(diào)零，即零輸入—零輸出。調(diào)零的前提：靜態(tài)調(diào)零：動態(tài)調(diào)零：運放不存在自激或已消振。將兩個輸入端接地，調(diào)節(jié)外接的調(diào)零電位器使輸出電壓為零。在有信號輸入時，計算出輸出電壓的理論值，然后將實際的輸出電壓調(diào)節(jié)到理論電壓值。影響調(diào)零的因素：正負電源的對稱性環(huán)境溫度電源電壓值是否滿足運放要求三、保護措施1.電源保護作用：a、防止電源極性接反，如圖ab、防止電源電壓跳變，如圖b2.輸入保護由于運放對差模和共模電壓輸入信號都