電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）課件 第5章 集成運算放大器應(yīng)用電路

課題五集成運算放大器應(yīng)用電路5.1集成運算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)5.2集成運放的線性應(yīng)用5.3集成運放的非線性應(yīng)用5.4集成運放在應(yīng)用中的實際問題課題小結(jié)

5.1集成運算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)

5.1.1理想運算放大器的特點理想運算放大器的特點如下:(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud→∞：(2)差模輸入電阻rid→∞：(3)輸出電阻ro→0：(4)共模抑制比KCMRR→∞：(5)輸入偏置電流IB1=IB2=0：(6)失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為0。

5.1.2負(fù)反饋是集成運放線性應(yīng)用的必要條件

由于集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)很大(Aud→∞)，而開環(huán)電壓放大倍數(shù)受溫度的影響，因此很不穩(wěn)定，采用深度負(fù)反饋可以提高其穩(wěn)定性。此外運放的開環(huán)頻帶窄，例如F007只有7Hz，無法適應(yīng)交流信號的放大要求，加負(fù)反饋后可將頻帶擴(kuò)展(1+AF)倍。另外負(fù)反饋還可以改變輸入、輸出電阻等。所以要使集成運放工作在線性區(qū)，采用負(fù)反饋是必要條件。

為了便于分析集成運放的線性應(yīng)用，我們還需要建立“虛短”與“虛斷”這兩個概念。

(1)由于集成運放的差模開環(huán)輸入電阻rid→∞，輸入偏置電流IB≈0，不向外部索取電流，因此兩輸入端電流為零，即Ii-=Ii+=0。這就是說，集成運放工作在線性區(qū)時，兩輸入端均無電流，稱為“虛斷”。

(2)由于兩輸入端無電流，則兩輸入端電位相同，即U-=U+。由此可見，集成運放工作在線性區(qū)時，兩輸入端電位相等，稱為“虛短”。

5.1.3運算放大器的基本電路

運算放大器的基本電路有反相輸入式、同相輸入式兩種。反相輸入式是指信號由反相端輸入，同相輸入式是指信號由同相端輸入，它們是構(gòu)成各種運算電路的基礎(chǔ)。

1.反相輸入式放大電路

圖5.1所示為反相輸入式放大電路，輸入信號經(jīng)R1加入反相輸入端，Rf

為反饋電阻，把輸出信號電壓Uo反饋到反相端，構(gòu)成深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋。圖5.1反相輸入式放大電路

1)“虛地”的概念

由于集成運放工作在線性區(qū)，U+=U-、Ii+=Ii-

，即流過R2的電流為零。則U+=0，U-=U+=0，說明反相端雖然沒有直接接地，但其電位為地電位，相當(dāng)于接地，是“虛假接地”，簡稱為“虛地”?！疤摰亍笔欠聪噍斎胧椒糯箅娐返闹匾攸c。

2)電壓放大倍數(shù)

在圖5.1中，有

或

上式表明:反相輸入式放大電路中，輸入信號電壓Ui和輸出信號電壓Uo相位相反，大小成比例關(guān)系，比例系數(shù)為Rf/R1，可以直接作為比例運算放大器。當(dāng)Rf=R1

時，Auf=-1，即輸出電壓和輸入電壓的大小相等，相位相反，此電路稱為反相器。

同相輸入端電阻R2用于保持運放的靜態(tài)平衡，要求R2=R1∥Rf。R2稱為平衡電阻。

3)輸入電阻、輸出電阻

由于U-=0，所以反相輸入式放大電路輸入電阻為

由于反相輸入式放大電路采用并聯(lián)負(fù)反饋，所以從輸入端看進(jìn)去的電阻很小，近似等于R1。由于該放大電路采用電壓負(fù)反饋，其輸出電阻很小(ro≈0)。

4)主要特點

反相輸入式放大電路的主要特點如下:

(1)集成運放的反相輸入端為“虛地”(U-=0)，它的共模輸入電壓可視為零，因此對集成運放的共模抑制比要求較低。

(2)由于深度電壓負(fù)反饋輸出電阻小(ro≈0)，因此帶負(fù)載能力較強。

(3)由于并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻小(ri=R1)，因此要向信號源汲取一定的電流。

2.同相輸入式放大電路

圖5.2所示電路為同相輸入式放大電路，輸入信號Ui經(jīng)R2加到集成運放的同相端，Rf為反饋電阻，R2為平衡電阻(R2=R1∥Rf)。圖5.2同相輸入式放大電路

在圖5.2中如果把Rf短路(Rf=0)，把R1斷開(R1→∞)，則

即輸入信號Ui和輸出信號Uo大小相等，相位相同。我們把這種電路稱為電壓跟隨器，如圖5.3所示。由集成運放組成的電壓跟隨器比由射極輸出器組成的電壓跟隨器性能更好，其輸入電阻更高，輸出電阻更小，性能更穩(wěn)定。圖5.3電壓跟隨器

3)輸入電阻和輸出電阻

由于采用了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，該電路具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻(rif→∞，ro→0)。這是同相輸入式放大電路的重要特點。

4)主要特點

同相輸入式放大電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，主要特點如下:

(1)由于深度串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電阻增大，最高可達(dá)2000MΩ以上。

(2)由于深度電壓負(fù)反饋，輸出電阻ro→0。

(3)由于U-=U+=Ui，運放兩輸入端存在共模電壓，因此要求運放的共模抑制比較高。

通過對反相輸入式和同相輸入式運放電路的分析，可以看到，輸出信號是通過反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到反相輸入端的，從而實現(xiàn)了深度負(fù)反饋，并且使得其電壓放大倍數(shù)與運放本身的參數(shù)無關(guān)。采用了電壓負(fù)反饋使得輸出電阻減小，帶負(fù)載能力增強。反相輸入式采用了并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小，而同相輸入式采用了串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大。

5.2集成運放的線性應(yīng)用

利用集成運放在線性區(qū)工作的特點，根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系，外加不同的反饋網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)多種數(shù)學(xué)運算。輸入信號電壓和輸出信號電壓的關(guān)系Uo=f(Ui)，可以模擬成數(shù)學(xué)運算關(guān)系y=f(x)，所以信號運算統(tǒng)稱為模擬運算。盡管數(shù)字計算機的發(fā)展在許多方面替代了模擬計算機，但模擬計算機在物理量的測量、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、測量儀表系統(tǒng)、模擬運算等領(lǐng)域仍有著廣泛應(yīng)用。

5.2.1比例運算

比例運算的代數(shù)方程式是y=K·X。前面介紹的反相輸入式和同相輸入式放大電路的輸入、輸出電壓的關(guān)系式分別是

其電阻之比是常數(shù)。它們的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系是比例關(guān)系，因此能實現(xiàn)比例運算。調(diào)整Rf和R1的比值，就可以改變比例系數(shù)K。若取反相輸入式放大電路的Rf=R1，比例系數(shù)K=-1、Uo=-Ui，就實現(xiàn)了y=-X的變號運算。此電路稱為反相器

5.2.2加法、減法運算圖5.4反相加法器

例5.1設(shè)計運算電路。要求實現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運算。

解此題的電路模式為Uo=2Ui1+5Ui2+Ui3，是三個輸入信號的加法運算。由式(5-7)可知各個系數(shù)由反饋電阻Rf與各輸入信號的輸入電阻的比例關(guān)系所決定，由于式中各系數(shù)都是正值，而反相加法器的系數(shù)都是負(fù)值，因此需加一級變號運算電路。實現(xiàn)這一運算的電路如圖5.5所示。圖5.5例5.1電路

輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下:

取Rf1=Rf2=R4=10kΩ，則

例5.2設(shè)計一個加減法運算電路，使其實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算Y=X1+2X2-5X3-X4。

解此題的電路模式應(yīng)為Uo=Ui1+2Ui2-5Ui3-Ui4，利用兩個反相加法器可以實現(xiàn)加減法運算，電路如圖5.6所示。圖中:圖5.6加減法運算電路

5.2.3積分、微分運算

1.積分運算

積分運算是模擬計算機中的基本單元電路，數(shù)學(xué)模式為y=K∫X

dt，電路模式為u=K∫Uidt，該電路如圖5.7所示。圖5.7積分運算電路

在反相輸入式放大電路中，將反饋電阻Rf換成電容器C，就成了積分運算電路。由于

因而

2.微分運算

微分運算是積分運算的逆運算。將積分運算電路中的電阻、電容互換位置就可以實現(xiàn)微分運算，如圖5.8所示。圖5.8微分運算電路

由式(5-10)可以看出，輸入信號Ui與輸出信號Uo有微分關(guān)系，即實現(xiàn)了微分運算。負(fù)號表示輸出信號與輸入信號反相，RfC

為微分時間常數(shù)，其值越大，微分作用越強。

5.3集成運放的非線性應(yīng)用

電壓比較器的基本功能是比較兩個或多個模擬輸入量的大小，并將比較結(jié)果由輸出狀態(tài)反映出來。電壓比較器工作在開環(huán)狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。

5.3.1單限電壓比較器

圖5.9(a)所示電路為簡單的單限電壓比較器。圖中，反相輸入端接輸入信號Ui，同相輸入端接基準(zhǔn)電壓UR。集成運放處于開環(huán)工作狀態(tài)，當(dāng)Ui<UR

時，輸出為高電位Uom，當(dāng)Ui>UR

時，輸出為低電位-Uom

，其傳輸特性如圖5.9(b)所示。圖5.9簡單的電壓比較器

比較器也可以用于波形變換。例如，比較器的輸入電壓Ui是正弦波信號，若UR=0，則每過零一次，輸出狀態(tài)就要翻轉(zhuǎn)一次，如圖5.10(a)所示。對于圖5.9所示的電壓比較器，若UR=0，當(dāng)Ui在正半周時，由于Ui>0，則Uo=-Uom

：負(fù)半周時Ui<0，則Uo=Uom。若UR為一恒壓，只要輸入電壓在基準(zhǔn)電壓UR處稍有正負(fù)變化，輸出電壓Uo就在負(fù)的最大值到正的最大值之間作相應(yīng)的變化，如圖5.10(b)所示。圖5.10正弦波變換方波

5.3.2遲滯電壓比較器

單限電壓比較器存在的問題是:當(dāng)輸入信號在UR處上下波動時，輸出電壓會出現(xiàn)多次翻轉(zhuǎn)。采用遲滯電壓比較器可以消除這種現(xiàn)象。遲滯電壓比較器如圖5.11所示，該電路的同相輸入端電壓U+由Uo和UR共同決定，根據(jù)疊加原理有圖5.11遲滯電壓比較器

由于運放工作在非線性區(qū)，輸出只有高、低電平兩個電壓Uom和-Uom

，因此當(dāng)輸出電壓為Uom

時，U+的上門限值為

輸出電壓為UoL時，U+的下門限值為

遲滯電壓比較器的特點是，當(dāng)輸入信號發(fā)生變化且通過門限電平時，輸出電壓會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，門限電平也隨之變換到另一個門限電平。當(dāng)輸入電壓反向變化而通過導(dǎo)致剛才翻轉(zhuǎn)

那一瞬間的門限電平值時，輸出不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，直到Ui繼續(xù)變化到另一個門限電平時，才能翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)換遲滯，如圖5.12所示。圖5.12遲滯電壓比較器的輸入、輸出波形

5.4集成運放在應(yīng)用中的實際問題

1.調(diào)零實際運放的失調(diào)電壓、失調(diào)電流都不為零，因此，當(dāng)輸入信號為零時，輸出信號不為零。有些運放沒有調(diào)零端子，需接入調(diào)零電位器進(jìn)行調(diào)零，如圖5.13所示。圖5.13輔助調(diào)零措施

2.消除自激

運放內(nèi)部是一個多級放大電路，而運算放大電路又引入了深度負(fù)反饋，在工作時容易產(chǎn)生自激振蕩。大多數(shù)集成運放在內(nèi)部都設(shè)置了消除自激的補償網(wǎng)絡(luò)，有些運放引出了消

振端子，用外接RC消除自激現(xiàn)象。實際使用時可按圖5.14所示，在電源端、反饋支路及輸入端連接電容或阻容支路來消除自激。圖5.14消除自激電路

3.保護(hù)措施

集成運放在使用時，由于輸入、輸出電壓過大，輸出短路及電源極性接反等原因會造成集成運放損壞，因此需要采取保護(hù)措施。為防止輸入差?；蚬材ｋ妷哼^高損壞集成運放的輸入級，可在集成運放的輸入端并接極性相反的兩只二極管，從而將輸入電壓的幅度限制在二極管的正向?qū)妷褐畠?nèi)，如圖5.15(a)所示。

為了防止輸出級被擊穿，可采用圖5.15(b)所示的保護(hù)電路。輸出正常時雙向穩(wěn)壓管未被擊穿，相當(dāng)于開路，對電路沒有影響。當(dāng)輸出電壓大于雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管被擊穿。減小了反饋電阻，負(fù)反饋加深，將輸出電壓限制在雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍內(nèi)。為了防止電源極性接反，在正、負(fù)電源回路順接二極管。若電源極性接反，二極管截止，相當(dāng)于電源斷開，起到了保護(hù)作用，如圖5.15(c)所示。圖5.15保護(hù)措施

課題小結(jié)

(1)分析由運放組成的電路時，首先要判斷運放工作在什么區(qū)域。一般單純的負(fù)反饋運放工作在線性區(qū)：開環(huán)或單純的正反饋運放工作在非線性區(qū)。最終由運放是否處于極限狀態(tài)來決定。(2)運放工作在線性區(qū)的兩大結(jié)論，即U-=U+、Ii=0是分析與設(shè)計工作在線性區(qū)運放電路的重要依據(jù)。

(3)運放工作在非線性區(qū)的