集成运算放大器的基本应用

第7章集成运算放大器的基本应用7.1集成运算放大器的线性应用7.1.1比例运算电路7.1.2加法运算电路7.1.3减法运算电路7.1.4积分运算电路7.1.5微分运算电路7.1.6电压—电流转换电路7.1.7电流—电压转换电路7.1.8有源滤波器*7.1.9精密整流电路7.2集成运放的非线性应用7.2.1单门限电压比较器7.2.2滞回电压比较器7.3集成运放的使用常识7.3.1合理选用集成运放型号7.3.2集成运放的引脚功能7.3.3消振和调零7.3.4保护本章重点:1.集成运算放大器的线性应用：比例运算电路、加减法运算电路、积分微分运算电路、一阶有源滤波器、二阶有源滤波器2.集成运算放大器的非线性应用：单门限电压比较器、滞回比较器本章难点:1.虚断和虚短概念的灵活应用2.集成运算放大器的非线性应用3.集成运算放大器的组成与调试集成运算放大器(简称集成运放)在科技领域得到广泛的应用，形成了各种各样的应用电路。从其功能上来分，可分为信号运算电路、信号处理电路和信号产生电路。从本章开始和以后的相关章节分别介绍它们的应用。7.1集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用7.1.1比例运算电路1.同相比例运算电路(点击查看大图)反馈方式：电压串联负反馈因为有负反馈，利用虚短和虚断虚短:u-=u+=ui虚断:i+=ii-=0，i1=if电压放大倍数:平衡电阻R=Rf//R12.反相比例运算(点击查看大图)反馈方式：电压并联负反馈因为有负反馈，利用虚短和虚断i-=i+=0（虚断）u+=0，u－=u+=0（虚地）i1=if电压放大倍数:例题：R1=10k,Rf=20k,ui=-1V。求:uo、Ri。说明R0的作用，R0应为多大？(点击查看大图)解：R0为平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):R0=R1//Rf特点：共模输入电压=0，（u－=u+=0）缺点：输入电阻小（Ri=R1）7.1.2加法运算电路(点击查看大图)i-=i+=0（虚断）u+=0，u－=u+=0（虚地）i1+i2=if若R1=R2=R,平衡电阻:R0=R1//R2//Rf【例】在上图电路中，设R1=220kΩ，运放的最大输出电压UOPP=12V，电路的输出电压为uo=-(10ui1+22ui2)。(1)确定R1、R2和R’的阻值；(2)若ui2=0.5V，求ui1的允许变化范围。解:由得(2)由于该运放的Vopp=12V，因此必须满足所以7.1.3减法运算电路(点击查看大图)根据叠加定理ui1作用：ui2作用：综合：当R1=R2=R3=Rf=R时则有：7.1.4积分运算电路(点击查看大图)反相积分器：如果ui=直流电压U，输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。上式表明输出电压与积分时间t近似成线性关系，且是一条起始电压为零，终点电压为的斜率为的直线，波形如下图(a)所示。当输入为方波信号时，输出则为三角波；当输入为正弦信号时，输出则为余弦波信号，输出波形分别如下图(b)、(c)所示。(点击查看大图)为限制电路的低频电压增高，通常将反馈电容C与电阻并联，当电路输入信号频率大于时，电路为积分器。若输入信号的频率远低于，则电路近似为一个反相器，低频电压增益为(7-8)7.1.7电流—电压转换电路在光电检测装置中，需要把光电池输出的微弱电流转换成与之成正比的电压，这时就需要用到电流—电压转换电路。Uo=-if·Rf=-i1Rf(点击查看大图)7.1.8有源滤波器滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，而保留其有用信号。滤波器的分类：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）。(点击查看大图)【flash动画演示】1．一阶有源低通滤波器(LPF)(点击查看大图)2.一阶有源高通滤波器(HPF)(点击查看大图)传递函数:幅频特性：其中幅频特性曲线(点击查看大图)3.二阶有源低通滤波器(LPF)(点击查看大图)幅频特性曲线以上两式表明，当2Aup3时，Q1，在f=f0处的电压增益将大于Aup，幅频特性在f=f0处将抬高。当Aup≥3时，Q=∞，有源滤波器自激。由于将C1接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。(点击查看大图)4.二阶有源高通滤波器(HPF)(1)通带增益:(2)频率响应其中：频率响应特性曲线(点击查看大图)结论：当f＜＜f0时，幅频特性曲线的斜为+40dB/dec；当Aup≥3时，电路自激。5.有源带通滤波器(BPF)带通滤波器的作用是只允许某一频带内的信号通过，而将此频带以外的信号阻止通过。在各种抗干扰设备中，就是利用带通滤波器的这种作用来接收某一频带范围内的有用信号，而消除高、低频段的干扰和噪声。带通滤波器是由低通和高通滤波器串联而成的。两者同时被覆盖的频带即等于fH-fL形成一个通频带。(a)图是二阶压控电压源带通滤波器电路。其中R、C1构成低通网络，R2、C2组成高通网络。二者串联后接在集成运放的同相输入端。可求得二阶压控电压源带通滤波器的频率特性为可由低通和高通串联得到低通特征角频率:高通特征角频率:(点击查看大图)6.有源带阻滤波器(BEF)带阻滤波器的作用是在规定的频带内，信号被阻止通过，而在此频带之外的信号能够顺利通过。带阻滤波器(又名陷波器)和带通滤波器一样常用于各种抗干扰设备电路中。如抑制50Hz交流电源引起的工频干扰信号，在工业控制中常常用到它。将低通滤波器和高通滤波器并接在一起，就形成了带阻滤波器。两者同时被阻断的频带即为该滤波器的阻带。其原理示意图见图7-26。由图可知，凡是ffL的信号均可从低通滤波器通过，凡是ffH的信号则可从高通滤波器通过，惟有fLffH的信号被阻断。fL为低通滤波器的通带截止频率，fH为高通滤波器通带截止频率。图7-27所示为典型的双T带阻滤波器，信号经并联而成的双T网络加到运放的同相输入端。可由低通和高通并联得到必须满足(点击查看大图)*7.1.9精密整流电路精密整流电路是由于硅二极管的起始导通电压约为0.5V，用它来进行整流，会产生很大的误差的缘故而提出对小信号电压进行整流，若采用由集成运放组件和二极管组成的如图所示整流电路就可完成对微弱信号进行半波精密整流。(1)当ui0时，集成运放输出电压u’o为负，于是二极管D1导通，深度的电压并联负反馈使运放的反相输入端∑点为“虚地”，即u∑≈0。因此，u’o≈-0.7V，此时二极管D2截止，电路输出电压uo=0。（２）当ui0时，集成运放输出电压u’o为正，于是二极管D2导通，深度的电压并联复反馈通过D2和Rf加在虚地点∑，使u∑≈0。此时电路输出电压为。(点击查看大图)由分析可知，即使ui0.5V(硅二极管的起始电压)，输出电压uo仍为|-ui|，该二极管具有较高精度。假设运放的开环电压增益Auo=5×104，二极管的导通电压Uon=0.5V，那么只要输入电压ui10μV，就会使D1导通，而当ui-10μV，则又会使D2导通。也就是说，只要输入电压的幅度超过10μV，电路就能正常工作，最小整流电压峰值仅为10μV。(点击查看大图)7.2集成运放的非线性应用7.2.1单门限电压比较器1.过零比较器（门限电平=0）(点击查看大图)（a）信号从同相端输入（b）信号从反相端输入例：利用电压比较器将正弦波变为方波。(点击播放FLASH演示动画—电压比较器)(EWB模拟仿真—过零比较器)2.单门限比较器（与参考电压比较）（1）信号从同相端输入(点击查看大图)运放处于开环状态当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-UomUREF为参考电压2）信号从反相端输入当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-Uom(点击查看大图)(EWB模拟仿真—单门限比较器)3.限幅电路——使输出电压稳定（1）用稳压管稳定输出电压(点击查看大图)（2）稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上(点击查看大图)7.2.2滞回电压比较器特点:电路中使用正反馈。1.滞回比较器1)因为有正反馈，所以输出饱和。2)当uo正饱和时(uo=+Uom)：3)当uo负饱和时(uo=-Uom)(点击查看大图)设初始值:uo=+Uom,U+=UTH1设ui,当uiUTH1,uo从+Uom-Uom这时,uo=-Uom,U+=UTH2设ui,当uiUTH2,uo从-Uom+Uom2.传输特性UTH1：上门限电压UTH2：下门限电压UTH1-UTH2：为回差△UTH例:设输入为正弦波,画出输出的波形。(点击播放FLASH演示动画—迟滞比较器)(EWB模拟仿真—滞回电压比较器)7.3集成运放的使用常识7.3.1合理选用集成运放型号按照集成运放指标、性能不同分类，集成运放可分为高放大倍数的通用型、高输入阻抗、低漂移、低功能、高速、宽带、高压、大功率和电压比较器等专用集成运放。在结构上还有单片多运放型功放。在选用集成运放时，要遵循经济适用原则，选用性价比较高的运放，一般指标性能高的运放、专用集成运放，价格也相应较高，在无特别要求的场合应尽量选用通用型、多运放型运放。7.3.2集成运放的引脚功能集成运放的种类、门类很多，管脚数、管脚的功能和作用也不相同。如果不充分了解管脚的功能，盲目使用，就会造成使用失当，引来麻烦。因此在使用前必须认真查阅该型号器件的技术资料，从中了解其指标参数和使用方法7.3.3消振和调零1.产生高频自激振动原因：极间电容和其他寄生参数2.消除高频自激振动方法：相位补偿相位补偿的原理：是在具有高放大倍数的集成运放内部的中间级利用电容CB(几十皮法～几百皮法)构成电压并联负反馈电路。目前大多数集成运放内部电路已设置消振补偿网络，如5G6234。但有些运放，如5G24、宽带运放5G1520等需外接消振补偿电容后，才能使用，如下图的5G24的8－9脚间跨接30pF小电容CB就是利用相位补偿来消振的。(点击查看大图)图７-３-１调零原理：在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调整的目的。调零方法：（1）静态调零法即将两个输入端接地，调节调零电位器Rp，使输出为零；（2）动态调零法，即加入信号前将示波器的扫描线调到荧光屏的中心位置，加入信号后扫描线的位置若发生偏移，调节调零电位器，使波形回到荧光屏中心的对称位置，这样运放的动态零点就被调好。调零电路有内部调零和外部调零两种电路。(点击查看大图)图７-３-２本章小结1．集成运放可以构成加法、减法、积分、微分等多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。2．集成模拟乘法器是一种重要的模拟集成电路，在信号处理和频率变换方面得到了广泛的应用。集成模拟乘法器内部电路较为复杂，对生产工艺的要求也较高。熟练掌握这种器件在各种运算电路中的使用方法，是要求的重点。3．有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。