1、 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用第第6章章 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用6.1 概述概述6.2 基本運算電路基本運算電路6.3 有源濾波和有源整流電路有源濾波和有源整流電路6.4 電壓比較器電壓比較器6.5 集成運算放大器的使用常識集成運算放大器的使用常識 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用6.1 概概 述述 1. 理想集成運放的性能指標理想集成運放的性能指標 理想集成運放的主要性能指標有： （1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aud; （2）輸入電阻rid; （3）輸出電阻rod0。 此外還有:沒有失調(diào),沒有失調(diào)溫漂,共模抑制比趨于無窮大等。盡管理

2、想運放并不存在,但由于集成運放的技術(shù)指標都比較接近理想值,在具體分析時將其理想化 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 是允許的,這種分析所帶來的誤差一般比較小,可以忽略不計。 2集成運放的傳輸特性集成運放的傳輸特性 實際電路中集成運放的傳輸特性如圖6.1所示。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用uo Uom UomO非線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)ui 圖6.1集成運放的傳輸特性 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 3集成運放的線性應(yīng)用集成運放的線性應(yīng)用 集成運放工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負反饋。 當集成運放工作在線性區(qū)時,輸出電壓在有限值之間變化,

3、而集成運放的 Aud,則uid=uod/Aud0,由uid=uu,得 uu（.） 上式說明,同相端和反相端電壓幾乎相等,所以稱為虛假短路,簡稱“虛短”。由集成運放的輸入電阻rid,得 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 上式說明,流入集成運放同相端和反相端的電流幾乎為零,所以稱為虛假斷路,簡稱“虛斷”。 4集成運放的非線性應(yīng)用集成運放的非線性應(yīng)用 當集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)或外接正反饋時,由于集成運放的Aud很大,只要有微小的電壓信號輸入,集成運放就一定工作在非線性區(qū)。其特點是:輸出電壓只有兩種狀態(tài),不是正飽和電壓Uom,就是負飽和電壓Uom。 （1）當同相端電壓大于反相端電壓,

4、即uu時, uo=Uom 0ii（.） 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 （2）當反相端電壓大于同相端電壓,即uu時, uo=Uom。 綜上所述,在分析具體的集成運放應(yīng)用電路時,首先判斷集成運放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū),再運用線性區(qū)和非線性區(qū)的特點分析電路的工作原理。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用6.2 基本運算電路基本運算電路 常見的基本運算電路有比例運算、加法、減法、微積分和乘法運算等。 6.2.1 比例運算比例運算 1. 反相輸入比例運算電路反相輸入比例運算電路 如圖6.2（a）所示為反相輸入比例運算電路。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)

5、用基本應(yīng)用(a)uouiRlRfilifR2(b)AuiR1i1AuuiiR2Rfifuo 圖6.2 反相輸入比例運算電路 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用ifofuffoifofofifuRRuRRARuRuRuRuiRuiii1111110, 又因為 所以 即 或 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系,且相位相反。此外,由于反相端和同相端的對地電壓都接近于零,所以集成運放輸入端的共模輸入電壓極小,這就是反相輸入電路的特點。 當R1=Rf=R時, ,輸入電壓與輸出電壓大小相等,相位相反,稱為反相器。 由于反相輸入比例運算電路引入的

6、是深度電壓并聯(lián)負反饋,所以，輸入電阻為 iifouuRRu1111RAFrRridif 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 同相輸入比例運算電路同相輸入比例運算電路 在圖6.3（a）中,輸入信號ui經(jīng)過外接電阻R2接到集成運放的同相端,反饋電阻接到其反相端,構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋。 01AFrrodof輸出電阻為 111,1RRuuARRRuuuuufiouffoii所以 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用ifouRRu)1 (1或 R2R1uiiiifRfuoiR2uiR1iiRfuoif(a)(b) 圖6.3 同相輸入比例運算電路 集成運算放大器的集成運算放大器

7、的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 當Rf=0或R1時,如圖6.4所示, ,即輸出電壓與輸入電壓大小相等,相位相同,該電路稱為電壓跟隨器。 由于同相輸入比例運算電路引入的是深度電壓串聯(lián)負反饋,所以，輸入電阻為 rif=（1+AF）rid 輸出電阻為iifouuRRu)1 (101AFrrodofuoui 圖6.4電壓跟隨器 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 6.2.2 加法運算加法運算 如圖6.5所示。根據(jù)“虛斷”的概念可得:R4uoRfifiiRnR2R1i1i2inui1ui2uin 圖6.5 加法電路 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用)(,2211122211121

8、niniiffoninniiniifRuRuRuRiRuRuiRuiRuiiiiiii 其中 再根據(jù)“虛地”的概念可得則 （.） 實現(xiàn)了各信號按比例進行加法運算。如取R1=R2=Rn=Rf則uo=(ui1+ui2+uin),實現(xiàn)了各輸入信號的反相相加。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 6.2.3 減法運算減法運算 能實現(xiàn)減法運算的電路如圖6.6（a）所示。 R2R1R3Rfuo(a)R1Rfuo2ui1ui2ui2R 3 R2 / R3(b) 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用R1R3Rfuo1ui1R2(c) 圖6.6 減法電路 集成運算放大器的集成運算放

9、大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 根據(jù)疊加定理,首先令ui1=0,當ui2單獨作用時,電路 成為反相比例運算電路,如圖.(b)所示,其輸出電壓為13231213231212)(1 (ifoifouRRRRRuuRRRuuRRu 再令ui2=0,ui1單獨作用時,電路成為同相比例運算電 路,如圖.（c）所示,同相端電壓為 其輸出電壓為 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 當R1=R2=R3=Rf=R時,uo=ui1ui2。在理想情況下,它的輸出電壓等于兩個輸入信號電壓之差,具有很好的抑制共模信號的能力。但是,該電路作為差動放大器有輸入電阻低和增益調(diào)節(jié)困難兩大缺點。因此,為了滿足輸入阻抗和

10、增益可調(diào)的要求,在工程上常采用多級運放組成的差動放大器來完成對差模信號的放大。211323112121)(1 ()1 (ififfifooouRRuRRRRRuRRuRRuuu 這樣 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 例例6.1 圖6.7是一個由三級集成運放組成的儀用放大器,試分析該電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式。 R1ui1ui2R2R2uo1R3R4R3R4uoA1A2A3uo2 圖6.7 儀用放大器 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 由于電路采用同相輸入結(jié)構(gòu),故具有很高的輸入電阻。利用虛短特性可得可調(diào)電阻R1上的電壓降為 ui1ui2,鑒于理想運放的

11、虛斷特性,流過R1上的電流 （ui1ui2）/R1就是流過電阻R2的電流,這樣, )(21 ()(21 (22112342112211212121iioiiooiioouuRRRRuuuRRuuRuuRRuu故得 A3組成的差動放大器與圖6.6(a)完全相同,所以電路的輸出電壓為 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 6.2.4 微積分運算微積分運算 1積分運算積分運算 圖6.8(a)所示為積分(運算)電路。 uiRAiRRCiCuo(a)(b)uiuoOOtt 圖6.8 積分運算電路 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 上式表明,輸出電壓為輸入電壓對時間的積分,

12、且相位相反。 積分電路的波形變換作用如圖6.8(b)所示,可將矩形波變成三角波輸出。積分電路在自動控制系統(tǒng)中用以延緩過渡過程的沖擊,使被控制的電動機外加電壓緩慢上升,避免其機械轉(zhuǎn)矩猛增,造成傳動機械的損壞。積分電路還常用來做顯示器的掃描電路,以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)學模擬運算等。 dtuRCdtRuCdtiCuCiCo111(6.6) 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 2. 微分運算微分運算 將積分電路中的和互換,就可得到微分(運算)電路,如圖6.9(a)所示。在這個電路中,點同樣為“虛地”,即uA0,再根據(jù)“虛斷”的概念,i0,則iRiC。假設(shè)電容的初始電壓為零,那么dtduR

13、CRiudtduCiiRoiC則輸出電壓 （.） 上式表明,輸出電壓為輸入電壓對時間的微分,且相位相反。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用uiRCiCAiRRuo(a)uiuott(b)OO 圖6.9 微分運算電路 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 微分電路的波形變換作用如圖6.9(b)所示,可將矩形波變成尖脈沖輸出。微分電路在自動控制系統(tǒng)中可用作加速環(huán)節(jié),例如電動機出現(xiàn)短路故障時,起加速保護作用,迅速降低其供電電壓。 *6.2.5乘法運算電路乘法運算電路 變跨導式乘法電路變跨導式乘法電路 變跨導式乘法電路如圖6.10所示。它是一個帶有恒 流源的差放電路,u

14、x和uy作為輸入信號,uo作為輸出信號。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用V1uxRc1Rc2uo UCC UEEV2iC1iC2iE1iE2uyiC3V3ReiE3uBE3 圖6.10 乘法運算 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用)1 (26300EbebebebbecmIrruiuig其中 （.） IE單位取mA(下同)。 當工作電流較小時2626EmEbeIgIr 代入式（.）得用跨導來表示差放電路的放大倍數(shù):cmbecsouRgrRuuA 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用電路的輸出電壓為5252221263ecyxyxecoeyEEx

15、cExcmoRRKuKuuuRRuRuIIuRIuRgu其中 代入式（.）得其中 （.） （.） 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 稱為乘法增益系數(shù),式（.）表明輸出電壓與兩個輸入電壓的乘積成正比。 圖6.10所示的乘法器要求uy必須為正值,以保證3管在uy的偏置下能工作于線性放大區(qū)。為使uy不論是正值還是負值,都能得到乘法運算的結(jié)果,常用雙平衡式變跨導乘法器。如圖6.11所示,圖中5和6由恒流管 8和9提供偏置電流,因此不論uy是正值還是負值,輸出均可得到uy和ux的乘積。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用V3V4V1V2V5V6V8V9 UCCRcRcu

16、o1268ux104uy15R5V7R1500 R2500 R3500 Ry14 UEEIo2Io2 圖6.11 雙平衡式變跨導乘法器 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 集成模擬乘法器集成模擬乘法器 集成模擬乘法器是實現(xiàn)兩個模擬信號相乘作用的器件,電路中的符號如圖6.12所示。它有兩個輸入端ux和uy,一個輸出端uo,它們之間的關(guān)系是 uo=u x uy 其中,K稱為乘法增益系數(shù)。 模擬乘法器目前種類很多,如AD634 ,AD534L , 1496等,且不需外接元件、無須調(diào)零即可使用。 XYKXYuxuyuo 圖6.12 模擬乘法器電路符號 集成運算放大器的集成運算放大器的

17、基本應(yīng)用基本應(yīng)用 3.模擬乘法器的應(yīng)用模擬乘法器的應(yīng)用 1）平方電路）平方電路 若uy=ux,則uo=Ku2x,此時,模擬乘法器就成為平方電路。 2）除法電路）除法電路 變跨導乘法器還可組成除法電路,如圖6.13所示。根據(jù)“虛短”和“虛斷”可得1123231121,uRRuRuRuii即 則 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用XYKXYR3uoR2R1u1i1i2u3u2 圖6.13 除法電路 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 即輸出電壓與兩個輸入電壓的商成比例關(guān)系。 在圖6.13所示除法器電路中,只有當u2為正極性時才能保證運放處于負反饋狀態(tài),而u1則可正可

18、負。 3）其他應(yīng)用）其他應(yīng)用 乘法器還可作為調(diào)制解調(diào)器、鎖相環(huán)電路、倍頻器、混頻器使用,常選用開關(guān)速度較高的MC1596型。由乘法器的功能可得21122323uuKRRKuuuuKuuoo因此得 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 6.3 有源濾波和有源整流電路有源濾波和有源整流電路 6.3.1有源濾波電路有源濾波電路 1.濾波電路的分類及幅頻特性濾波電路的分類及幅頻特性 所謂濾波,就是保留信號中所需頻段的成分,抑制其它頻段信號的過程。 根據(jù)輸出信號中所保留的頻率段的不同,可將濾波分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波等四類。它們的幅頻特性如圖6.14所示,被保留的頻率段稱

19、為“通帶”,被抑制的頻率段稱為“阻帶”。Au為各頻率的增益,Aum為通帶的最大增益。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用AumO通帶阻帶實際理想(a)|Au|理想實際阻帶通帶fHfOAumfLf|Au|Aum理想實際OfLf0fH理想實際|Au|AumOfLf0fHff|Au|(b)(c)(d) 圖6.14濾波電路的幅頻特性(a)低通濾波；(b)高通濾波；(c)帶通濾波；(d)帶阻濾波 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 濾波電路的理想特性是: (1)通帶范圍內(nèi)信號無衰減地通過，阻帶范圍內(nèi)無信號輸出; (2)通帶與阻帶之間的過渡帶為零。 .無源濾波電路無源濾波電

20、路 圖6.15所示的R、C網(wǎng)絡(luò)為無源濾波電路。 (1)由于R及C上有信號壓降,使輸出信號幅值下降; (2)帶負載能力差,當RL變化時,輸出信號的幅值將隨之改變,濾波特性也隨之變化; (3)過渡帶較寬,幅頻特性不理想。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用uiRCuo(a)uiRCuo(b) 圖6.15 無源濾波電路 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 .有源濾波電路有源濾波電路 為了克服無源濾波電路的缺點,可將RC無源濾波電路接到集成運放的同相輸入端。因為集成運放為有源元件,故稱這種電路為有源濾波電路。 1)有源低通濾波電路有源低通濾波電路 圖6.16(a)為一階

21、有源低通濾波電路。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用RRuiBCRfuo(a)RRuiCRfuoRC(b) 圖6.16有源低通濾波電路 (a)一階；(b)二階 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 R和C為無源低通濾波器,運算放大器接成同相比例 放大組態(tài),對輸入信號中各頻率分量均有如下的關(guān)系:ififBfBudouRCjRRuCjRCjRRuRRuAu11)1 (11)1 ()1 (111 由上式可看出,輸入信號頻率越高,相應(yīng)的輸出信號越小,而低頻信號則可得到有效的放大,故稱為低通濾波器。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 當0時,|u|=0.

22、707(1+Rf/R1),其中(1+Rf/R1) 是此電路的最大增益um。 2）有源高通濾波電路）有源高通濾波電路 將圖6.16(a)中R和C的位置調(diào)換,就成為有源高通濾波電路,如圖6.18所示。在圖中,濾波電容接在集成運放輸入端,它將阻隔、衰減低頻信號,而讓高頻信號順利通過。 )/(11)1 (11ofioojRRuuRC令 則 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 同低通濾波電路的分析類似,我們可以得出有源高通濾波電路的下限截止頻率為f0=1/(2RC),對于低于截止頻率的低頻信號,|u|uREF時,uo=Uom,只需將ui與REF調(diào)換即可,如圖6.21（c）所示,其傳輸特性

23、如圖6.21（d）所示。tOUom UomuouiOt 圖6.22 過零電壓比較器的波形轉(zhuǎn)換作用 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 6.4.2 滯回電壓比較器滯回電壓比較器 以上介紹的比較器其狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的門限電壓是在某一個固定值上。在實際應(yīng)用時,如果實際測得的信號存在外界干擾,即在正弦波上疊加了高頻干擾,過零電壓比較器就容易出現(xiàn)多次誤翻轉(zhuǎn),如圖6.23所示。 解決辦法是采用滯回電壓比較器。滯回電壓比較器的組成如圖6.24（a）所示。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用uiOtuot Uom Uom 圖6.23 外界干擾的影響 集成運算放大器的集成運算放大器的 基

24、本應(yīng)用基本應(yīng)用 1電路特點電路特點 當輸出為正向飽和電壓om時,將集成運放的同相端電壓稱為上門限電平,用UTH1表示,則有fomffREFTHRRRURRRUuU2221（6.12） 當輸出為負向飽和電壓om時,將集成運放的同 相端電壓稱為下門限電平,用UTH2表示,則有fomffREFTHRRRURRRUuU2222 （6.13） 通過式（6.12）和（6.13）可以看出,上門限電平UTH1的值比下門限電平UTH2的值大。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 2傳輸特性和回差電壓傳輸特性和回差電壓UTH 滯回比較器的傳輸特性如圖6.24（b）所示 。 我們把上門限電壓UTH1

25、與下門限電壓UTH2之差稱為回差電壓,用 fomTHTHTHRRRUUUU22212 回差電壓的存在,大大提高了電路的抗干擾能力。只要干擾信號的峰值小于半個回差電壓,比較器就不會因為干擾而誤動作。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用R1R2uiUREFRfuo(a)uo Uom UomOUTH1uiuo Uom UomOUTH2uiuo Uom UomOUTH2uiUTH1(b)圖6.24 滯回電壓比較器 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 6.5 集成運算放大器的使用常識集成運算放大器的使用常識 集成運放的用途廣泛，在使用前必須進行測試，使用中應(yīng)注意其電參數(shù)和

26、極限參數(shù)符合電路要求，同時還應(yīng)注意以下問題。 1.集成運放的輸出調(diào)零集成運放的輸出調(diào)零 為了提高集成運放的精度,消除因失調(diào)電壓和失調(diào)電流引起的誤差,需要對集成運放進行調(diào)零。實際的調(diào)零方法有兩種,一種是靜態(tài)調(diào)零法,即將兩個輸入端接地,調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使輸出為零。一種是動態(tài)調(diào)零法,即加入信號前將示波器的掃描線調(diào)到熒光屏的中心位置, 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 加入信號后掃描線的位置發(fā)生偏離,調(diào)節(jié)集成運放的調(diào)零電路,使波形回到對稱于熒光屏中心的位置,零點即已調(diào)好。 10 kRPVuoui20 k20 k 圖6.25 A741的調(diào)零電路 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用

27、基本應(yīng)用 集成運放的調(diào)零電路有兩類,一類是內(nèi)調(diào)零,集成運放設(shè)有外接調(diào)零電路的引線端,按說明書連接即可,例如我們常用的A741,其中電位器RP可選擇10k的電位器,如圖6.25所示。 另一類是外調(diào)零,即集成運放沒有外接調(diào)零電路的引線端,可以在集成運放的輸入端加一個補償電壓,以抵消集成運放本身的失調(diào)電壓,達到調(diào)零的目的。常用的輔助調(diào)零電路如圖6.26所示。 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用R3R2RlRfuiRPRRuo(a) 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用(b)R2R1RfuiRPuoRR UCC UEER4R3 圖6.26 輔助調(diào)零 集成運算放大器的集成運算放大器的 基本應(yīng)用基本應(yīng)用 .單電源供電時的偏置問題單電源供電時的偏置問題 雙電源集成運放單電源供電時,該集成運放內(nèi)部各點對地的電位都將相應(yīng)提高,因而輸入為零時,輸出不再為零,這是通過調(diào)零電路無法解決的。為了使雙電源集成運放