运算放大器的分类原理及应用

•由前面介绍可知：集成运放原理及内部结构，而应用时常采用闭环应用——线性应用，集成运放可用理想模型来代替。第一节理想运放模型及闭环分析运放模型分类1.按精度分类：理想模型：非理想模型：运放宏模型：2.按功能分类：直流模型：交流小信号模型：大信号模型：噪声模型：1、集成运算放大器的转移特性:∞u-u+uouou--u+0线性工作范围正饱和负饱和•输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），所以常将特性理想化2、运放线性工作的保障:•两输入端的电压必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。•运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。集成运算放大器的线性应用线性应用运放电路的一般分析方法•求输出电压的方法可分步骤进行：1、利用i+=0，由电路求出同相输入端电压u+；2、利用u+=u-，确定反相输入端电压u-=u+；3、利用已知电压u-，由A电路求出电流i1；4、利用i-=0，求出电流if=i1；5、由电路F的特性和u-确定输出电压：uo=u--F(if)；6*、检验输出电压是否在线性范围内。一、理想运放模型：•理想运放具有如下性能：1、开环电压增益——AUd;2、输入电阻——Rid;3、输出电阻——Ro=0;4、频带宽度——BW;5、共模抑制比——CMRR;6、失调、漂移和内部噪声为零;对功能电路非常重要运放的主要特点•根据以上特点推出理想运放线性应用时的重要特性二、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征：1、u+=u-(虚短)2、i+=i-=0(虚断)3、输出端呈电压源特性：同相和反向输入端电流近似为零；两输入端电压近似相等；Ui=U+=U-=Uo/AUUi=Uo/AU0;Ui=IiRi0;Ii0;∞UoU-U+I+I-AU(U+-U-)+-反相比例运算同相比例运算一、比例运算电路三、积分微分电路四、对数指数电路基本反相积分基本反相微分对数电路二、加、减法运算电路反相加法运算同相加法运算减法运算第二节基本运算电路指数电路∞UiR1RpRfUoI1If(1)、∵I+=0∴U+＝0V(2)、U-=U+=0V(虚地)(3)、I1=Ui/R1(4)、∵I-=0，∴If=I1=Ui/R1(5)、ifffoURRIRUU1Rp=R1//Rf1.电路2.分析3.构成要求（R+=R-）（一）、反相比例运算电路结论：(1).闭环增益AUf只取决于Rf和R1；(2).负号表示Ui与Uo反相；ifioUfURRUUA1（二）、同相比例运算电路∞UiR1RfUoI1IfR2R2=R1//Rf(1)、∵I+=0∴(2)、(3)、(4)、∵I-=0，∴If=I1(5)、ifoURRU)1(1iUUiUUU111RURUIi1.电路3.构成要求2.分析（R+=R-）11RRUUAfioUf结论：闭环增益AUf只取决于Rf和R1；而与运放本身无关。同相比例运算电路（特例）电路：∞UiRf=0UoR1=R2当Rf=0;R1=时：上式中的电压增益为：1ioUfUUAioUU即：•是一个理想的电压跟随器。（一）、反相加法电路•在反相比例电路的基础上加一输入支路，构成反相加法电路。•两输入电压产生的电流都流向Rf。所以输出是两输入信号的比例和。)()()(i22fi11ff2i21i1f2ii1oURRURRRRURURIIU相之和。时，输出等于两输入反当f21RRR图07.01反相求和运算电路Rp)(i2i1oUUU（二）同相加法电路•在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图所示。图07.02同相加法电路•因运放具有虚断的特性；•对运放同相输入端的电位可用叠加原理。求得：;ofssPURRRUUnIII21:因02211nPnPPRUURUURUUofssPnnnURRRKURRRRURURU1)111(212211nRKRRRn;:21设)()1(1))(1(212211nsfnnsfoUUURRnRURURURRKU结论：(1).同相加法器的输出电压与输入电压U1Un之和成正比。(2).缺点：调节某一支路的Rn会影响比例放大倍数。(3).优点：输入阻抗高。二、减法电路•减法器为同、反相放大器的组合，利用叠加原理求解：图07.02减法电路1.只考虑U1作用时：111URRUfo2.只考虑U2作用时：同相端输入电压为：2323URRRUpP232312)1(URRRRRUfo1123231212)1(URRURRRRRUUUffooo1123231212)1(URRURRRRRUUUffooo3.总输出电压为：)(121UURRUfo上式可简化为：;;:321fRRRR若取电阻三、积分电路•积分运算电路的分析方法与加法电路类似，反相积分运算电路如图所示：图12.05积分运算电路i(t)=if(t)i(t)=ui(t)/R1.利用运放虚地的概念：2.电容两端的电压：ttuRCttiCtutud)(1d)(1)()(ifoc四、微分电路•微分运算电路如图所示:图07.07微分电路ttuCRRiRtituffd)(d)()(:icfo显然•反映了输入输出的微分关系。ttuCtititidttduCtiid)(d)()()(;)()(iffcc五、对数电路图07.09对数运算电路对数运算电路见图12.08。siTsdToTdsddRdolnlnexpRIUUIiUUUUIiiiUU•图中二极管可用三极管发射接代替。六、指数运算电路指数运算电路如图07.10所示。Ti1sTisdfolnexpUUIRUUIRRiRiUffff•指数运算电路相当反对数运算电路。图07.10指数运算电路•图中二极管可用三极管发射接代替。第二节、电压比较器一、单门限比较器二、迟滞比较器三、单片集成电压比较器*四、窗口比较器*五、比较器的应用比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较器，具有迟滞特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。一、单门限比较器(1)过零比较器和单门限电压比较器•过零电压比较器是典型的幅度比较电路。•其电路图和传输特性曲线如图所示。(a)(b)图07.01过零电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线只有一个门限的比较器•将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF上,就得到单门限比较器。•电路图和传输特性曲线如图所示。图07.02固定电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线(2)比较器的基本特点•工作在开环或正反馈状态。•开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。•非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。二、迟滞比较器om222REF1URRRRRURUfffom222REF2URRRRRURUfffU称为上限阈值(触发)电平。•由输出引一电阻分压支路到同相端，电路如图所示。•当输入电压Ui从零逐渐增大：时；≤当UUi.1omoUU•此时触发电平变为U2，U2称为下限阈值(触发)电平。omoUUUU时：≥当i.2图07.03(a)滞回比较器电路图•当Ui逐渐减小，且Ui=U2以前，始终等于Uom-，因此出现如图所示的迟滞特性曲线。门限宽度U：omom2221UURRRUUUf图07.03滞回比较电路的传输特性一、方波发生电路二、三角波发生电路三、脉冲波锯齿波发生电路第四节、波形发生器一、方波发生电路方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图14.07所示。(1)工作原理电源刚接通时,设21Z2PZoC,,0RRVRVVvv所以电容C充电，升高。参阅图07.08。Cv图07.07方波发生器当时，，所以电容C放电，下降。PNcVVvZoVv21Z2PRRVRVCv当，时，返回初态。PNcVVvZoVv方波周期Ｔ用过渡过程公式可以方便地求出)21ln(212fRRCRT图14.08方波发生器波形图(2)占空比可调的矩形波电路显然为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。占空比可调的矩形波电路见图14.09。C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf；C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。图14.09占空比可调方波发生电路占空比为：2111TTCRrRf1d'w1其中，是电位器中点到上端电阻，是二极管导通电阻。'wR1drCRrRRf2dww2'2dr其中，是二极管导通电阻。即改变的中点位置，占空比就可改变。wR2dr图14.08方波发生器波形图14.2.2三角波发生器三角波发生器的电路如图14.10所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的。REFV1.当vo1=+VZ时,则电容C充电,同时vo按线性逐渐下降，当使三角波发生电路A1的Vp略低于VN时，vo1从+VZ跳变为-VZ。波形图参阅图14.11。图14.10三角波发生器2.在vo1=-VZ后，电容C开始放电，vo按线性上升，当使A1的VP略大于零时，vo1从-VZ跳变为+VZ，如此周而复始，产生振荡。vo的上升时间和下降时间相等，斜率绝对值也相等，故vo为三角波。图14.11三角波发生器的波形３．输出峰值Z21moVRRVZ21moVRRV４．振荡周期：214Zmo444RCRRVVCRTmo2/04Z21VdtRVCT