第六章 集成运放组成的放大电路

第六章集成运放组成的运算电路一、教学要求知识点教学要求学时掌握理解了解运算电路的分析方法√基本运算电路的结构及工作原理√对数和反对数运算电路的工作原理√模拟乘法器工作原理√基本应用电路及分析方法√运放使用中的几个问题选型、调零、消振和保护√运算电路的误差分析√二、重点和难点本章的重点是：基本运算电路的结构、工作原理和分析方法，模拟乘法器的基本应用电路及分析方法。本章的难点是：模拟乘法器的工作原理，实际运算放大器运算电路的误差分析。三、教学内容6.1运算电路的分析方法由于运算放大器的增益很高，引入负反馈后很容易满足深度负反馈条件，可实现性能优越的各种数学运算电路。为了突出基本概念，减少复杂的计算，在分析各种运算电路时，将集成运放视为理想器件。1．理想运放的特性和都趋向无限大，并且、、和均等于零，其它参数也不考虑，这就是理想运算放大器。2．运放的工作状态在运算电路中，由于电路引入深度负反馈，运放工作在线性状态。当输入信号过大时，输出信号受直流电源电压的限制，将会出现非线性失真。3．虚短、虚断和虚地对于工作在线性区的运放，下述两条重要结论普遍适用，也是分析运放应用电路的基本出发点。虚短——运放两个输入端之间的电压差近似等于零。虚断——流入运放输入端的电流近似等于零。当信号从反相输入端输入，且同相输入端的电位等于零时，“虚短”的结论可引深为反相输端为“虚地”的结论。4．分析计算方法对纯电阻和运放组成的电路，利用虚短和虚断的结论和求解线性电路的方法，直接求解输出与输入的关系。对于含有电容和电感的复杂运算电路，可运用拉氏变换，先求出电路的传递函数，再进行拉氏反变换后得出输出与输入的函数关系。6.2基本运算电路基本运算电路包含比例、加法、减法、积分和微分运算电路，其输入输出函数呈线性关系，也称为线性运算电路。1．比例运算电路反相输入比例运算电路是电压并联负反馈电路，它具有输出和输入电阻都小等特点。通过增大信号源与运放输入端串联电阻可提高电路输入电阻，但同时会出现电路增益降低的情况。若要在提高输入电阻的同时不降低增益，反馈电阻应该用T形电阻网络代替。同相输入比例运算电路是电压串联负反馈电路，它具有输出电阻小、输入电阻大等特点，但运放输入端承受的共模电压近似等于输入信号，实际应用中应避免最大输入信号电压大于运放最大输入共模电压UICM的情况出现。2．加法运算电路当多路输入信号从反相输入端输入时，可构成反相输入加法电路。由于反相输入端存在“虚地”，所以各路输入信号电流相互独立，电路设计中参数选择比较方便。当多路输入信号从同相输入端输入时，可构成同相输入加法电路。各路输入信号在同相输入端叠加时，并不是相互独立，电路设计和调试比较麻烦。3．减法运算电路反相输入比例运算电路和同相输入比例运算电路合并可实现差分比例运算，当比例系数等于1时就实现了减法运算。利用反相输入比例运算电路和反相输入加法电路串接也可实现减法运算。4．积分运算电路用电容器替换反相输入比例运算电路的反馈电阻，可构成积分运算电路。积分电路能把输入电压转换成与之成比例的时间量，因而具有延时和定时的功能，常用于非正弦信号发生器和模数转换电路之中。5．微分运算电路互换积分运算电路中电阻和电容器，可构成微分运算电路。微分电路对高频噪声和干扰十分敏感，简单微分电路很少直接应用。6.3对数和反对数运算电路用二极管或晶体管替换反相输入比例运算电路的反馈电阻，可构成对数运算电路。互换对数运算电路中电阻和二极管或晶体管，可构成反对数运算电路。这种电路输入信号只能是单极性，并且输出信号受温度影响较大，实际应用时需加温度补偿电路。需要注意：对数和反对数运算电路输入输出呈非线性关系，但运放本身仍工作在线性区。6.4模拟乘法器1．工作原理利用上述对数电路、加法电路和反对数电路可构成乘法运算电路；若将加法电路改为减法电路则可构成除法运算电路。这种电路只能实现单象限乘法或除法运算。利用带电流源的差分放大电路晶体管的跨导正比于电流源的电流的这一原理可实现变跨导式乘法器。目前一般采用两级差分放大电路实现四象限单片集成乘法器。2．基本应用电路利用模拟乘法器、运算放大器及不同的外围电路可构成诸如除法、求根、求幂运算和有效值测量等多种应用电路。分析和设计这种电路时，应注意输入信号的极性以保证运放工作在线性区，即电路工作在闭环负反馈状态。6.5运放使用中的几个问题1．选型集成运放有通用型和专用型之分，一般应用时首先考虑选择通用型，其价格便宜，易于购买；如果某些性能不能满足特殊要求，可选用专用型。各种运放的特点及应用场合列于表6.1中，仅供参考。表6.1类型特点应用场合通用型种类多，价格便宜，易于购买一般测量、运算电路专用型低功耗型功耗低（Vcc＝15V时，POMAX＜6mW）遥感、遥测电路高精度型型测量精度高、零漂小毫伏级或更低微弱信号测量高输入阻抗型Rid＞（109～1012Ω）对被测信号影响小生物医电信号提取、放大高速宽带型带宽高(fBW＞10MHz)、转换速率高（SR＞30V/μs）视频放大或高频振荡电路高压型电源电压可达48V～300V高输出电压和大输出功率2．调零、消振和保护运放调零有两种方法，一种是通过运放本身的调零端子外加调零电位器调零；另一种是通过给运放的输入端加偏移电压调零。当运放应用电路中出现自激振荡时，可在反馈支路外加RC网络改变系统的相移，破坏系统自激振荡条件,消除自激振荡。使用运放时，应根据运放的应用环境及运放的极限参数设计合理的保护电路。3．运算电路的误差分析在工程应用中，为了简化分析，通常视运放为理想器件，然而在某些要求较高的场合，则必须考虑运放的实际参数对电路性能带来的影响。实际运放的、和并非无限大，以及、、和均不为零，误差分析时可分别讨论它们对电路性能的影响。四、典型例题运算电路例6-1例6-2例6-3例6-4例6-5例6-6例6-7例6-8例6-9例6-10例6-11乘法器电路例6-12例6-13例6-14非理想运放电路分析例6-15【例6-1】试用你所学过的基本电路将一个正弦波电压转换成二倍频的三角波电压。要求用方框图说明转换思路，并在各方框内分别写出电路的名称。【相关知识】波形变换，各种运算电路。【解题思路】利用集成运放所组成的各种基本电路可以实现多种波形变换；例如，利用积分运算电路可将方波变为三角波，利用微分运算电路可将三角波变为方波，利用乘方运算电路可将正弦波实现二倍频，利用电压比较器可将正弦波变为方波。【解题过程】先通过乘方运算电路实现正弦波的二倍频，再经过零比较器变为方波，最后经积分运算电路变为三角波，方框图如图（a）所示。【其它解题方法】先通过零比较器将正弦波变为方波，再经积分运算电路变为三角波，最后经绝对值运算电路（精密整流电路）实现二倍频，方框图如图（b）所示。实际上，还可以有其它方案，如比较器采用滞回比较器等。【例6-2】电路如图(a)所示。设为A理想的运算放大器，稳压管DZ的稳定电压等于5V。（1）若输入信号的波形如图(b)所示，试画出输出电压的波形。（2）试说明本电路中稳压管的作用。图(a)图(b)【相关知识】反相输入比例器、稳压管、运放。【解题思路】（1）当稳压管截止时，电路为反相比例器。（2）当稳压管导通后，输出电压被限制在稳压管的稳定电压。【解题过程】（1）当时，稳压管截止，电路的电压增益故输出电压当时，稳压管导通，电路的输出电压被限制在，即。根据以上分析，可画出的波形如图(c)所示。图(c)（2）由以上的分析可知，当输入信号较小时，电路能线性放大；当输入信号较大时稳压管起限幅的作用。【例6-3】在图(a)示电路中，已知,，，设A为理想运算放大器，其输出电压最大值为，试分别求出当电位器的滑动端移到最上端、中间位置和最下端时的输出电压的值。图(a)【相关知识】反相输入比例器。【解题思路】当时电路工作闭环状态；当时电路工作开环状态。【解题过程】（1）当的滑动端上移到最上端时，电路为典型的反相输入比例放大电路。输出电压（2）当的滑动端处在中间位置时，画出输出端等效电路及电流的参考方向如图(b)所示。图中。图(b)由图可知以上各式联立求解得代入有关数据得（3）当的滑动端处于最下端时，电路因负反馈消失而工作在开环状态。此时，反相输入端电位高于同相输入端电位，运放处于负饱和状态。输出电压。【例6-4】电压－电流转换电路如图所示，已知集成运放为理想运放，R2＝R3＝R4＝R7＝R，R5＝2R。求解iL与uI之间的函数关系。【相关知识】集成运放工作在线性区的特点，“虚短”和“虚断”的分析方法，基本运算电路的识别。【解题思路】（1）由图判断出集成运放A1和A2分别引入的局部电压反馈为负反馈。（2）识别集成运放A1和A2分别组成的基本运算电路类型。（3）根据运算电路类型以及“虚短”和“虚断”的分析方法分别求解uO1以及uO2的表达式，从而得到iL与uI之间的函数关系。【解题过程】以uI和uO为输入信号，A1、R1、R2和R3组成加减运算电路，，其输出电压以uO1为输入信号，A2、R4和R5组成反相比例运算电路，其输出电压负载电流因此可见，通过本电路将输入电压转换成与之具有稳定关系的负载电流。【方法总结】由集成运放组成的多级放大电路的解题方法总结：（1）首先判断各个集成运放分别引入的局部电压反馈的极性。（2）若引入的反馈为负反馈，则识别各个集成运放所组成的基本运算电路类型。根据运算电路类型以及“虚短”和“虚断”的分析方法逐级求解输出电压的表达式。【例6-5】在图(a)所示电路中，设电路的输入波形如图(b)所示，且在时,。（1）试在理想的情况下，画出输出电压的波形。（2）若，运放的电源电压为15V,画出在上述输入下的输出电压的波形。图(a)图(b)【相关知识】积分器、运放的传输特性。【解题思路】当积分器的输出电压小于运放的最大输出电压时，运放工作于线性状态；当积分器的输出电压等于运放的最大输出电压之后，运放进入饱和状态，只要输入电压极性不变，输出电压不会变化。【解题过程】（1）由图(a)可知，该电路为运放组成的积分电路，所以输出电压当时,已知当时当时当时同理，当当时当当时画出输出电压的波形如图(c)所示。图(c)（2）若时当时已知运放的电源电压为15V，那么，电路的输出电压的最大值。但，这是不可能的，故电路在某个时刻已处于饱和状态。当时,令解上式得当时，令解得同理，当时，令解之得当可求得画出输出电压的波形如图(d)所示。图（d）【常见的错误】当积分器的输出电压等于运放的最大输出输出电压之后，运放将处于饱和状态。这一点往往被忽视。【例6-6】如图所示的理想运放电路，可输出对“地”对称的输出电压和。设，。（1）试求/。（2）若电源电压用15V，，电路能否正常工作？【相关知识】（1）运放特性。（2）反相输入比例运算电路。【解题思路】分析各运放组成哪种单元电路，根据各单元电路输出与输入关系，推导出总的输出电压的关系式。【解题过程】（1）由图可知，运放A1和A2分别组成反相输入比例运算电路。故（2）若电源电压用15V，那么，运放的最大输出电压，当时，，。运放A1和A2的输出电压均小于电源电压，这说明两个运放都工作在线性区，故电路能正常工作。【例6-7】电路如图所示，设运放均有理想的特性，写出输出电压与输入电压、的关系式。【相关知识】运放组成的运算电路。【解题思路】分析各运放组成哪种单元电路，根据各单元电路输出与输入关系，推导出总的输出电压的关系式。【解题过程】由图可知，运放A1、A2组成电压跟随器。，运放A4组成反相输入比例运算电路运放A3组成差分比例运算电路以上各式联立求解得：【例6-8】在图示电路中，假设A为理想运放，电容初始电压为零。现加入UI1＝1V、UI2＝－2V、UI3＝－3V的直流电压。试计算输出电压UO从0V上升到10V所需的时间。【相关知识】加法器、积分器。【解题思路】先根据电容两端电压与电容电流的表达式推导输出电压与电容电流的关系，再利用运放输入端“虚短”、“虚断”的结论推导各个输入电压与电容电流的关系，从而可得到输出电压与积分时间的关系式。【解题过程】根据电