集成运算放大器电路分析及应用(完整电子教案)

集成运算放大器电路分析及应用(完整电子教案)3.1集成运算放大器认识与基本应用在太阳能充放电保护电路中要利用集成运算放大器LM317实现电路电压检测，并通过三极管开关电路实现电路的控制。首先来看下集成运算放大器的工作原理。【项目任务】测试如下图所示，分别测量该电路的输出情况，并分析电压放大倍数。(a)无反馈电阻(b)有反馈电阻图3.1集成运算符放大器LM358测试电路(multisim)【信息单】集成运放的实物如图3.2所示。图3.2集成运算放大1.集成运放的组成及其符号各种集成运算放大器的基本结构相似，主要都是由输入级、中间级和输出级以及偏置电路组成，如图3.3所示。输入级一般由可以抑制零点漂移的差动放大电路组成；中间级的作用是获得较大的电压放大倍数，可以由共射极电路承担；输出级要求有较强的带负载能力，一般采用射极跟随器；偏置电路的作用是为各级电路供给合理的偏置电流。图3.3集成运算放大电路的结构组成集成运放的图形和文字符号如图3.4所示。图3.4集成运放的图形和文字符号其中“-”称为反相输入端，即当信号在该端进入时，输出相位与输入相位相反；而“+”称为同相输入端，输出相位与输入信号相位相同。2.集成运放的基本技术指标集成运放的基本技术指标如下。⑴输入失调电压UOS实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称，当输入电压为零时，输出电压并不为零。规定在室温(25℃)及标准电源电压下，为了使输出电压为零，需在集成运放的两输入端额外附加补偿电压，称之为输入失调电压UOS，UOS越小越好，一般约为0.5～5mV。⑵开环差模电压放大倍数Aod集成运放在开环时(无外加反馈时)，输出电压与输入差模信号的电压之比称为开环差模电压放大倍数Aod。它是决定运放运算精度的重要因素，常用分贝(dB)表示，目前最高值可达140dB(即开环电压放大倍数达107)。⑶共模抑制比KCMRRAKCMRR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即KCMRR=Aod，其含义与差oc动放大器中所定义的KCMRR相同，高质量的运放KCMRR可达160dB。⑷差模输入电阻ridrid是集成运放在开环时输入电压变化量与由它引起的输入电流的变化量之比，即从输入端看进去的动态电阻，一般为MΩ数量级，以场效应晶体管为输入级的rid可达104MΩ。分析集成运放应用电路时，把集成运放看成理想运算放大器可以使分析简化。实际集成运放绝大部分接近理想运放。对于理想运放，Aod、KCMRR、rid均趋于无穷大。⑸开环输出电阻roro是集成运放开环时从输出端向里看进去的等效电阻。其值越小，说明运放的带负载能力越强。理想集成运放ro趋于零。其他参数包括输入失调电流IOS、输入偏置电流IB、输入失调电压温漂dUOS/dT和输入失调电流温漂dIOS/dT、最大共模输入电压UIcmax、最大差模输入电压UIdmax等，可通过器件手册直接查到参数的定义及各种型号运放的技术指标。3.集成运算放大器LM358LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。特性如下：(1)内部设有频率补偿。(2)直流电压增益高(约100dB)。(3)单位增益频带宽(约1MHz)。(4)电源电压范围宽：单电源(3-30V)；双电源(±1.5-±15V)。(5)低功耗电流，适合于电池供电。(6)低输入偏流。(7)低输入失调电压和失调电流。(8)共模输入电压范围宽，包括接地。(9)差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。(10)输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)。下图为LM358的管脚图。(3)成运算放大器电路分析该电路为何出现上述结论？下面分析其中原因。对于LM358，Aod、KCMRR、rid均由于参数值比较大，为了方便分析，可视作趋于无穷大。(1)由于集成运放的差模开环输入电阻Rid→∞，输入偏置电流IB≈0，不向外部索取电流，因此两输入端电流为零，即i-=i+=0。也就是说，集成运放工作在线性区时，两输入端均无电流，称为“虚断”。(2)由于两输入端无电流，则两输入端电位相同，即u-=u+。由此可见，集成运放工作在线性区时，两输入端电位相等，称为“虚短”。由“虚断”和“虚短”这两个概念从理论上分析一下实验电路。3．LM358实验电路原理分析LM358应用电路如下图3.6(a),图3.6(b)为输出波形。输入为第一通道，输出为第二通道。该电路为反相输入式放大电路，输入信号经R1加入反相输入端，RF称为反馈电阻，同相输入端电阻R2用于保持运放的静态平衡，要求R2=R1∥RF，R2称为平衡电阻。图3.6反相输入式放大电路(multisim)由于集成运放工作在线性区，根据虚断i-=i+=0，即流过R2的电流为零，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，故简称为“虚地”。虚地是反相输入式放大电路的重要特点。利用基尔霍夫电流定律，有i1=i-+iFifuuuui0R1RF则输出电压为：uRFuoRi1由此得到反相输入运算放大电路的电压放大倍数为AoFufuiR1式中，Auf是反相输入式放大电路的电压放大倍数。由上可知，反相输入式放大电路中，输入信号电压Ui和输出信号电压Uo的相位相反，大小成比例关系，比例系数为RF/R1，可以直接作为比例运算放大器。当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。【训练与提高】参考电路图3.6所示，搭建一个比例放大倍数为50的运算电路。3.3.2集成运算放大器基本运算电路分析除了反相比例运算电路之外，还可以利用LM358等高增益的集成运放搭建其他应用电路。【项目任务】掌握集成运算放大器的加法、减法等应用电路设计。【信息单】1.同相输入比例运算电路电路如图3.7(a)所示。图3.7比例运算电路根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：由此可得：1输出电压与输入电压的相位相同。(a)同相输入比例运算电路(b)电压跟随器iuui0uuu同反相输入比例运算电路一样，为了提高差动电路的对称性，平衡电阻RR1//RF。闭环电压放大倍数为：可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于1。当Rf0或R1时，uoui，即Auf1，这时输出电压跟随输入电压作相同的变化，称为电压跟随器，电路如图3.7(b)所示。2.加法运算电路加法运算电路如图3.8(a)图所示。ui1R1i1ifRF图3.8加减运算电路根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：ifi1i由此可得：uo(ui1ui2)可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法运算关系。这一运算关系可推广到有更多个信号输入的情况。平衡电阻RpR1//R2//RF。3.减法运算电路减法电路如图3.8(b)图所示。由叠加定理：ui1单独作用时为反相输入比例运算电路，其输出电压为：ui2单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为：Auf1RFR1RFui2R2i2Rpuoui1R1ui2R2Δ－∞uo(a)加法运算电路(b)减法电路ui1R1ui2R2RF若R1R2RF，则：Ru(FuoRi1RFuR2i2uoRFR1ui1uo1RFR3R1R2R3ui2ui1和ui2共同作用时，输出电压为：uuuooRoR1i1Fu1RFR3R1R2R3ui2若R1R2R3RF，则：uuu由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。例：有一集成运算放大器电路如下图3.9所示，求输入与输出关系。解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。RRFuo1)2例2：一集成运算放大器电路如下图3.10所示，图3.10运算电路若R3（断开），则：RFuR1i11RRF1ui2若R1R2且R3RF，则：RF(uu)Ri2i11RFui2RFui1R图3.9运算电路求输入与输出关系。uoui1ui2解：电路由两级放大电路组成。第一级由运放A1、A2组成，它们都是同相输入，输入电阻很高，并且由于电路结构对称，可抑制零点漂移。根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：由于反相输入端虚地，且ii，由图可得：duduiCCCoCdtdt由此可得：1u1ui12u2ui2i1ui2u1u2R2R(uo1uo2故：o1uo212R2(ui1ui2第二级是由运放A3构成的差动放大电路，其输出电压为：电压放大倍数为：3.积分运算电路R4(uo2uo1412R(ui1ui2ufi1ui2412R积分运算电路如图3.11(a)图所示。(b)ui为恒定电压时积分电路uo的波形图3.11积分运算电路uiiRR(a)运算电路u1udtoRCi输出电压与输入电压对时间的积分成正比。若ui为恒定电压U，则输出电压uo为：oRC5.微分运算电路微分运算电路如图3.12(a)图所示。(b)波形(a)微分运算电路图3.12积分运算电路由于反相输入端虚地，且ii，由图可得：iRiC由此可得：duduiCCCiCdtdtduRCidt输出电压与输入电压对时间的微分成正比。若ui为恒定电压U，则在ui作用于电路的瞬间，微分电路输出一个尖脉冲电压，波形如图所示。【训练与提高】集成运算放大器的加法、减法等应用电路设计。3.3.3单限比较器电路【项目任务】测试电路如下图3.13，将同相输入端电压调至1V，在反相输入端将输入电压ui依次从0调至3V的锯齿波，测试该电路的输出电压uo。3V11V10kΩR22310kΩ12VDDU2A1-5VVDDLM358D8VCCVCC5V4RF1100kΩ(b)函数信号发生器信号(c)比较器输出信号(a)LM358比较器电路图3.13比较器LM358(multisim)【信息单】1.LM358比较器通过图3.13测试，可以看到当输入电压ui小于1V时，输出电压uo约为5V左右；当输入电压在1-3V时，输出电压uo约为-5V。即当UiUR时，uo输出高电平；当uiUr时，uo输出低电平。将ui和UR互相调换位置，重复上述过程，记录输出电压uo，可观察到结果刚好相反。在实验中为何会出向上述现象？分析一下其中的原因。在图3.13(a)电路中，同相输入端接基准电位(或称参考电位)UR。被比较信号由反相输入端输入。集成运放LM358处于开环状态。当uiUR时，由于LM358的电压放大倍数足够大，所以，输入端只要有微小的电压差，电压即饱和输出，在第一种情况下，输出电压为负饱和值为-Uom；同理当uiUR时，输出电压为正饱和值为+Uom。其传输特性如图6.8所示。可见，只要输入电压在基准电压UR处稍有正负变化，输出电压uo就在负最大值到正最大值处变化。通过上述分析可知，图3.13所示电路的功能是将一个输入电压与另一个输入电压或基准电压进行比较，判断它们之间的相对大小，比较结果由输出状态反映出来，该电路称为单限电压比较器，其特性如图3.14所示。图3.14单限电压比较器传输特性2.电压比较器LM393/LM339LM393是低功耗低失调电压两比较器，LM339是低功耗低失调电压四比较器。两种比较器，原理图一样，功能参数一样。(1)LM393/LM339工作原理LM339集成块采用C-14型封装，图3.15为外型及管脚排列图。图3.15比较器LM339LM339类似于