集成运算放大电路

集成运算放大电路1集成运算放大器1.1集成运算放大器的组成框图1.2理想集成运算放大器1.3集成运算放大器的电压传输特性2基本运算电路2.1反相输入式比例运算放大电路2.2同相输入式放大电路2.3加法、减法运算2.4积分、微分运算3电压比较器4集成运算放大器在应用中的实际问题1集成运算放大器1.1集成运算放大器的组成框图集成运算放大器内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器，其内部组成原理框图如图3.1所示，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等4部分组成。图3.1集成运算放大器内部组成原理框图（1）输入级。要求其输入电阻高。为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路，也称为差动输入级。（2）中间级。要求中间级本身具有较高的电压增益。（3）输出级。主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。（4）偏置电路。为各级提供合适的工作电流，一般由各种恒流源电路组成。2．集成运算放大器的符号图3.2集成运算放大器的符号限定符号读解：表示放大（驱动）能力，∞表示放大倍数为∞。“＋”表示同相输入端；“－”表示反相输入端。若反相输入端接地，信号由同相输入端输入，则输出信号和输入信号的相位相同；若将同相输入端接地，信号从反相输入端输入，则输出信号和输入信号相位相反。集成运放的引脚除输入、输出端外，还有正、负电源端，有的集成运算放大器有调零端，如μA741等。1.2理想集成运算放大器满足下列条件的运算放大器称为理想集成运算放大器。（1）开环差模电压放大倍数Aud→∞；（2）差模输入电阻Rid→∞；（3）输出电阻RO→0；（4）共模抑制比→∞；（5）输入偏置电流＝0；（6）失调电压、失调电流及温漂为0利用理想集成运算放大器分析电路时，由于集成运算放大器接近于理想运算放大器，所以造成的误差很小，本章若无特别说明，集成运算放大器均按理想运算放大器对待。1.3集成运算放大器的电压传输特性1．电压传输特性实际电路中集成运算放大器的传输特性如图3.3所示。图中曲线上升部分的斜率为开环电压放大倍数Aud，以μA741为例，其开环电压放大倍数Aud可达105，最大输出电压受到电源电压的限制，不超过±18V，此时，输入端的电压uid=uod/Aud，不超过±0.18mV。也就是说，当在0～0.18mV之间时，uod与uid呈线性放大关系，称为线性工作区。若超过0.18mV，则集成运算放大器内部的输出级晶体管进入饱和区工作，输出电压uod的值近似等于电源电压，与uid不再呈线性关系，故称为非线性工作区。iduidu图3.3集成运算放大器的电压传输特性曲线2．集成运算放大器的线性应用集成运算放大器工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。当集成运算放大器工作在线性区时，输出电压在有限值之间变化，而集成运算放大器的Aud→∞，则uid＝uod/Aud≈0，由uid＝u+－u－，得u+≈u－，此式说明，同相端和反相端电压几乎相等，称为虚假短路，简称“虚短”。由集成运算放大器的输入电阻rid→∞，得i+≈i-≈0。此式说明，流入集成运算放大器同相端和反相端的电流几乎为0，称为虚假断路，简称“虚断”。3当集成运算放大器工作在开环状态或外接正反馈时，由于集成运算放大器的Aud很大，只要有微小的电压信号输入，集成运算放大器就一定工作在非线性区。其特点是：输出电压只有两种状态，不是正饱和电压＋Uom，就是负饱和电压－Uom。（1）当同相端电压大于反相端电压，即u＋＞u－时，uo＝＋Uom。（2）当反相端电压大于同相端电压，即u＋＜u－时，uo＝－Uom。2基本运算电路2.1反相输入式比例运算放大电路1.虚地”的概念U+≈U－，Ii+≈Ii－≈0,即流过R2的电流为0。U+≈0，则U+≈U－≈0说明反相端虽然没有直接接地，但其电位为地电位，相当于接地，是“虚假接地”，简称“虚地”。图3.4反相输入式放大电路2．电压放大倍数在图3.4If＝foRUU－＝－foRUIi＝1iRUU－＝1iRU由于I－＝Ii′≈0，因此If＝Ii，即1iRU＝－foRUAuf＝ioUU＝－1fRRAuf＝－1fRR为比例系数。Rf＝R1时，Auf＝－1，即输出电压和输入电压的大小相等，相位相反，此电路称为反相器。同相输入端电阻R2用于保持运算放大器的静态平衡，要求R2＝R1∥Rf，故R2称为平衡电阻。3．输入电阻、输出电阻由于反相输入式放大电路采用的是并联负反馈，所以从输入端看进去的电阻很小，近似等于R1。由于该放大电路采用电压负反馈，所以其输出电阻很小，RO≈0。2.2同相输入式放大电路图3.5同相输入式放大电路Rf为反馈电阻，R2为平衡电阻(R2＝R1∥Rf)。1同相输入式放大电路，U＋和U－相等，相当于短路，称为“虚短”。由于U＋＝Ui，U－＝Uf，则U＋＝U－＝Ui＝Uf。又由于U＋＝U－≠0，所以，在运算放大器的两端引入了共模电压，其大小接近于Ui。2R1和Rf组成分压器，反馈电压：Uf＝Uo1f1RRR＋由于Ui＝Uf，因此Ui＝Uo1f1RRR＋得到Uo＝11fRRR＋Ui＝1f1RR＋Ui由上式可得电压放大倍数（比例系数）Auf＝ioUU＝1＋1fRR在图3.5中，如果把Rf短路(Rf＝0)，把R1断开（R1→∞），则Auf＝1，即输入信号Ui和输出信号Uo大小相等、相位相同。我们把这种电路称为电压跟随器，如图3.6所示。由集成运算放大器组成的电压跟随器比由射极输出器组成的电压跟随器性能好，其输入电阻更高，输出电阻更小，性能更稳定。+-uiuo图3.6电压跟随器同相输入式放大电路中输出电压与输入电压的相位相同，大小成比例关系，比例系数等于(1＋Rf/R1)，此值与运算放大器本身的参数无关。3．输入电阻，输出电阻由于采用了深度电压串联负反馈，该电路具有很高的输入电阻和很低的输出电阻(Rif→∞，Ro→0)，这是同相输入式放大电路的重要特点。2.3加法、减法运算1.加法运算同相输入端的平衡电阻f321//////RRRRR4＝图3.7反相加法器根据叠加原理可得到：Uo＝－i33fi22fi11fURRURRURR＋＋＋当R1＝R2＝R3＝R时，Uo＝－RRf(Ui1＋Ui2＋Ui3)当Rf＝R时，Uo＝－(Ui1＋Ui2＋Ui3)上式中比例系数为－1，实现了加法运算。2.差动输入与减法运算两个输入端都有信号输入，称为差动输入。电压放大倍数：图3-9差动减法运算电路112RRuuuuuAFidoiiouf当RF=R1，则得uo=ui2–ui12.41图3.10积分运算电路在反相输入式放大电路中，将反馈电阻Rf换成电容C，就成了积分运算电路。UC＝tICd1CUo＝－UCI1＝If＝IC＝1iRUUo＝－tUCRd1i12．微分运算微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的电阻、电容互换位置就可以实现微分运算，如图3.11所示。图3.11微分运算电路由于U+＝0，Ii′＝0，则IC＝If，If＝IC＝tUCddC＝Uo＝－IfRf＝－ICRf＝－RfiddUCtiddUCt由此可以看出，输入信号Ui与输出信号Uo有微分关系，即实现了微分运算。负号表示输出信号与输入信号反相，RfC为微分时间常数，其值越大，微分作用越强。3电压比较器如图3.12（a）所示电路为简单的单限电压比较器。图中反相输入端接输入信号Ui，同相输入端接基准电压UR。集成运算放大器处于开环工作状态，当Ui＜UR时，输出为高电位＋Uom，当Ui＞UR时，输出为低电位－Uom，其传输特性如图3.12（b）所示。由图可见，只要输入电压相对于基准电压UR发生微小的正负变化时，输出电压Uo就在负的最大值到正的最大值之间作相应的变化。图3.12简单的电压比较器比较器也可以用于波形变换。例如，比较器的输入电压Ui是正弦波信号，若UR＝0，则每过0一次，输出状态就要翻转一次，如图3.13（a）所示。对于如图3.13所示的简单的电压比较器，若UR＝0，当Ui在正半周时，由于Ui＞0，则Uo＝－Uom，负半周时Ui＜0，则Uo＝Uom。若UR为一恒压U，只要输入电压在基准电压UR处稍有正负变化，输出电压Uo就在负的最大值到正的最大值之间作相应的变化，如图3.13（b）所示。图3.13正弦波变换方波4集成运算放大器在应用中的实际问题1．调零实际运算放大器的失调电压、失调电流都不为零，因此，当输入信号为零时，输出信号不为零。有些运算放大器没有调零端子，需接上调零电位器RP进行调零，如图3.14所示。图3.14辅助调零措施2.消除自激集成运算放大器内部是一个多级放大电路，而运算放大器又引入了深度负反馈，在工作时容易产生自激振荡。大多数集成运算放大器在内部都设置了消除自激的补偿网络，有些运算放大器引出了消振端子，用外接RC消除自激现象。实际使用时可按图3.15所示，在电源端、反馈支路及输入端连接电容或阻容支路来消除自激。图3.15消除自激电路3.保护措施集成运算放大器在使用时由于输入、输出电压过大，输出短路及电源极性接反等原因会造成集成运算放大器损坏，因此需要采取保护措施。图3.16保护措施5常用的集成运放简介1.μA741（LM741）与1458双运放图3.17为741电路。741为带调零端的集成运放，管脚1和5接调零电阻。图3.18为1458双运放电路。1458集成了两个相同、且等于741的电路。+-NC+V-VUO12348765U-U+调零调零图3.17集成运放741图3.18双集成运放14582.LM324LM324四运放电路。该型运放可工作在单电源，电压范围3～30V，增益可达100dB，是一款应用较广的电路