集成运算放大器-电子技术实践基础

集成运算放大器1集成运算放大器的简单介绍2运算放大器在信号运算方面的应用3运算放大器在信号处理方面的应用4运算放大器在信号产生方面的应用1.1集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上,组成一个不可分的整体。集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟各类型号集成芯片1.1.1集成运算放大器的特点1.元器件参数的一致性和对称性好；2.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；3.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；4.二极管多用三极管的发射结代替。1.1.2电路的简单说明输入级中间级输出级偏置电路运算放大器方框图输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。偏置电路:由镜像恒流源等电路组成输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。－15V①②③④⑤⑥I3430PfR8⑦＋15VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的内部电路图+UCC–UEEuou–u+输入级中间级输出级同相输入端输出端反相输入端1.1.3主要参数集成运算放大器的主要参数是表征其性能的技术指标，也是正确选择和使用集成运算放大器的主要依据。（1）开环电压放大倍数Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。do:uuAuo定义uuuo1.1.3主要参数（2）差模输入电阻rid是从反相输入端与同相输入端看进去的电阻值，高输入电阻的运放其值约为105～1011。（3）输出电阻ro集成运算放大器的输出电阻低，一般为几十~几百。（CommonModeRejectionRatio)全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。（4）共模抑制比CdCMRRAAK)分贝(lg20(dB)CdAAKCMR差模放大倍数共模放大倍数KCMRR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模抑制比(P57)集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信号传输方向输出端实际运放开环电压放大倍数(a)(b)(a)符号;(b)引脚8765F0071234U-U+-UEE+UCC输出1.开环电压放大倍数2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。1.1.3理想运算放大器及其分析依据ouAidr0orCMRRK在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：1.1.3理想运算放大器及其分析依据线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)uo++u+u––2.电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O理想运算放大器图形符号3.理想运放工作在线性区的特点因为uo=Auo(u+–u–)所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u–,称“虚短”(2)输入电流约等于0即i+=i–0,称“虚断”电压传输特性Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou–u+i+i––u+–u–uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O4.理想运放工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区1.2运算放大器在信号运算方面的运用集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。1.2.1比例运算1.反相比例运算1i1RuuiFofRuui(1)电路组成以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。(2)电压放大倍数因虚短,所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0，ifi1i–i+所以i1if因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–结论：(1)Auf为负值，即uo与ui极性相反。因为ui加在反相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。由：例:电路如下图所示，已知R1=10k，RF=50k。求:1.Auf、R2；2.若R1不变,要求Auf为–10,则RF、R2应为多少？解：1.Auf=–RFR1=–5010=–5R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k2.因Auf=–RF/R1=–RF10=–10故得RF=–AufR1=–(–10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–2.同相比例运算oF11uRRRu因虚断，所以u+=uii1Fo)1(uRRu(1)电路组成(2)电压放大倍数1Fiof1RRuuAu因虚短，所以u–=ui，反相输入端不“虚地”因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–结论：(1)Auf为正值，即uo与ui极性相同。因为ui加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。11RRuuAuFiof由：当R1=且RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：负载电流的大小与负载无关。11LRuii例2:负载浮地的电压-电流的转换电路(1)能测量较小的电压；(2)输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流1RUIxGIGUxR2R1+–++–iLi1RLuiR2R1+–++–1iRu1.2.2加法运算电路1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0Fo2i2i1i1iRuRuRu故得平衡电阻：R2=Ri1//Ri2//RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuuuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0所以ii1+ii2=if)(2211iiFiiFouRRuRRuuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–1.反相加法运算电路)(2211iiFiiFouRRuRRu如果取Ri1=Ri2)(211iiiFouuRRu输出与两个输入信号的和成正比。2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui2＝0)时，1i2i1i2iuRRRu同理，ui2单独作用时1Fo)1(uRRu2i2i1i1i1Fo)1(uRRRRRu1i2i1i2i1F)1(uRRRRR))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–-uu方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRuuRRu)1(1Fo平衡电阻：Ri1//Ri2=R1//RFu+))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuu+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–)(2211iiFiiFouRRuRRu1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–同相加法运算电路的特点：1.2.3减法运算电路由虚断可得：2i323uRRRu由虚短可得：uu分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1=R2，R3=RF)(iiFo121uuRRu如R1=R2=R3=RF1i2iouuu则：R2//R3=R1//RF输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量放大电路))1(1i1F2i3231FouRRuRRRRRu1F11io1iRRRuuu1R1iuuu分析方法2：利用叠加原理uRRu)1(1Fo2i3231F)1(uRRRRR1i1F2i3231F)1(uRRuRRRRRu+1i1FouRRuooouuuui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。1.2.4积分运算电路由虚短及虚断性质可得i1=iftuCRuCddF1ituCddoFtuCRud1iF1otuCiCddFF1i1Ruiif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有oiF1od10tutuCRuCttd1ooiF10tutuCRtt若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui时，则tCRUtUCRuFiiFod111uitOF1iOM0CRUUt积分饱和线性积分时间线性积分时间–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui0ui=–Ui0采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Ui–Ui将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。ifi1电路的输出电压)d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1FtuCRuRR)(fFoCuiRu上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。uoCFuiR2R1++––++–RF1.2.5微分运算电路Foi1ddRutuCtuCRuddi1Foifi1由虚短及虚断性质可得i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++–uoC1