集成運算放大器1集成運算放大器的簡單介紹2運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用4

運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用5使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題3

運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用1集成運算放大器的簡單介紹運算放大器是電壓放大器，最常見的電子器件之一。最早被設(shè)計出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進(jìn)行加法，減法等運算，因此被稱為“運算放大器”。運算放大器是一個電路單元(circuitunit)?？梢允褂梅至⒌钠骷?，也可以集成在單片的半導(dǎo)體芯片上。741集成運算放大器是微電子工業(yè)發(fā)展歷史上的一個里程碑。DIP-8型式封裝741集成運算放大器1.2電路的簡單說明運算放大器方框圖輸入級：要求輸入電阻高，差分放大電路

。中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。共發(fā)射極放大電路。

偏置電路:一般由各種恒流源等電路組成。輸出級：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強，一般由互補功率放大電路或射極輸出器構(gòu)成。集成運算放大器的管腳和符號反相輸入端同相輸入端信號傳輸方向輸出端實際運算放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號;(b)引腳741集成運放管腳說明1.3主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOM能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

6.最大共模輸入電壓UICM運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)

(2)差模輸入電阻(3)開環(huán)輸出電阻(4)共模抑制比由于實際運算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化,為此,后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。1.4理想運算放大器及其分析依據(jù)在分析運算放大器時，一般將它看成是理想的運算放大器。理想化的主要條件：

u+–u–

uO1.4理想運算放大器及其分析依據(jù)線性區(qū)：uO

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uO

=+UO(sat)

u+<u–

時，uO

=–UO(sat)

1.電壓傳輸特性uO=f(uI)+UO(sat)–UO(sat)線性區(qū)理想特性實際特性飽和區(qū)O理想運算放大器圖形符號UO(sat)與運算放大器的電源電壓有關(guān),一般較電源電壓低1~2V。2.理想運算放大器工作在線性區(qū)的特點因為uO

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0,即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0,

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負(fù)反饋。反向輸入和輸出建立聯(lián)系。它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系由電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。3.理想運算放大器工作在飽和區(qū)的特點(1)輸出只有兩種可能,+UO(sat)或–UO(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時，uO

=+UO(sat)

u+<u–

時，uO

=–UO(sat)不存在“虛短”現(xiàn)象

2運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用集成運算放大器與外部電阻、電容等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬電壓信號進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分等運算。2.1比例運算1.反相比例運算(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點。因虛斷i+=i–=0iFi1i–i+所以i1iF

因要求靜態(tài)時u+、u–對地電阻相同，所以平衡電阻

R2=R1//RF結(jié)論：(1)Auf為負(fù)值，即uO與uI

極性相反。因為uI加在反相輸入端。(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān),與運算放大器本身參數(shù)無關(guān)。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。例1:電路如下圖所示,已知R1=10k,RF=50k。求:(1)Auf、R2；(2)若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？解：(1)Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k(2)因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10k=100k

R2=10100(10+100)k

=9.1k2.同相比例運算(1)電路組成因虛短，所以

u–=uI

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻

R2=R1//RF因虛斷i+=i–=0

所以i1iF

(2)電壓放大倍數(shù)結(jié)論：(1)Auf為正值，即uO與uI

極性相同。因為uI加在同相輸入端。(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運算放大器本身參數(shù)無關(guān)。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。當(dāng)R1=且RF

=0時,uO=uI,Auf=1,稱電壓跟隨器。解:由圖可求得uO=7.5V,且輸出電壓uO只與電源電壓和分壓有關(guān)，其精度和穩(wěn)定度較高，可作為基準(zhǔn)電壓。例：電路如圖，求uO。由運算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。2.2加法運算

1.反相加法運算電路iI2iI1iF因虛短,u–=u+=0因虛斷，i–=0

所以

iI1+iI2=iF

當(dāng)R11=R12=R1，則上式為當(dāng)R1=RF時，則平衡電阻：

R2=R11

//R12

//RF2.同相加法運算電路根據(jù)疊加原理

uI1單獨作用(uI2＝0)時，同理，uI2單獨作用時2.3減法運算由虛斷可得：由虛短可得分析方法：

如果取

R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比，可以進(jìn)行減法運算。解：例1：分析同相串聯(lián)的減法運算電路的輸出。例2：已知ui1＝0.5V，ui2＝2V，ui3＝1V,運算放大器構(gòu)成何電路，求uO、R3。解:第一級為反向加法電路,第二級為減法電路。2.4積分運算由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=iFiF=?uC+–

當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有iFi1uitO積分飽和線性積分時間–UO(sat)uOtO+UO(sat)uI=UI>0

uI=–UI<0

輸出電壓隨時間線性變化UI–UI線性積分時間線性積分時間≤≤若輸入信號電壓為恒定直流量，即uI=UI

時，則比例?積分運算電路電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例?積分。這種運算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。iFi1—PI調(diào)節(jié)器uOtO2.5微分運算iFi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=iFuItOUI–UI由于微分電路的輸出電壓與輸入電壓的變化率成比例，而電路中的干擾信號都是迅速變化的高頻信號,因此微分器抗干擾能力差。比例?微分運算電路—PD調(diào)節(jié)器iFiRiC上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例?微分?？刂葡到y(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。3運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用3.1有源濾波器

濾波器是在無線電通信、測量和控制系統(tǒng)中常用到的一種選頻電路。如傳感器輸出的電量信號，一般都需要經(jīng)過濾波和放大再送給后續(xù)電路。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。有源濾波器：含有有源器件(運算放大器)。缺點：低頻時體積大，很難做到小型化。優(yōu)點：體積小、效率高、頻率特性好。濾波器按工作頻率范圍,可分為低通、高通、帶通等。濾波器的功能是使指定頻段的信號通過，而抑制其他頻段的信號。1.有源低通濾波器設(shè)輸入為正弦波信號,則有故根據(jù)同相比例運算關(guān)系稱為截止角頻率2.有源高通濾波器設(shè)輸入為正弦波信號，則有故稱為截止角頻率3.2采樣保持電路

采樣保持電路是多用于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)之前。

對模擬量進(jìn)行瞬間采樣,并把采樣值保存一段時間。用于數(shù)字電路、計算機控制及程序控制等裝置中。應(yīng)用：3.2采樣保持電路SuC+–uI+–uO+–++–模擬開關(guān)模擬輸入信號1.電路采樣存儲電容控制信號電壓跟隨器2.工作原理3.2采樣保持電路1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通)，

uI對存儲電容C充電，uO=uC

=uI。保持階段：

uG為0，

S斷開(場效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。3運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用理想運算放大器工作在飽和區(qū)的特點：(1)輸出只有兩種可能+UO

(sat)

或–UO

(sat)

當(dāng)u+>u－

時，uO

=+UO

(sat)

u+<u－

時，uO

=–UO

(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象。

飽和區(qū)(2)i+=i－0，仍存在“虛斷”現(xiàn)象。電壓傳輸特性線性區(qū)3.3電壓比較器功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。

電壓比較器是一種模擬輸入、數(shù)字輸出的模擬接口電路。用途：用于越限報警、波形發(fā)生和波形變換以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等場合。

運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。3運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：UR

運算放大器處于開環(huán)狀態(tài)當(dāng)u+>u–

時，uO=+UO

(sat)

u+<u–

時，uO=–UO

(sat)

即uI<UR時，uO

=+UO

(sat)

uI

>UR

時，uO

=–

UO

(sat)可見，在uI=UR處輸出電壓uO

發(fā)生躍變。參考電壓uI>UR，uO=+UO(sat)uI

<UR，uO=–UO(sat)輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端思考過零電壓比較器輸出帶限幅的電壓比較器UZ–UZ限幅作用設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，則uI

<

UR，uO

=UZ

uI>UR，uO

=–UZuI<UR時，u'O

=+UO

(sat)

uI

>UR

時，u'O

=–

UO

(sat)

uO例1:電路如圖所示,ui是一正弦電壓,畫出uO

的波形。解:(1)

運算放大器為同相輸入過零電壓比較器。輸入和輸出電壓波形電壓傳輸特性(2)經(jīng)RC微分電路輸出正負(fù)尖脈沖。(3)二極管D和RL構(gòu)成限幅電路。利用二極管的單向?qū)щ娦裕魅ヘ?fù)向尖脈沖，輸出僅為正向尖脈沖。例1:電路如圖所示,ui是一正弦電壓,畫出uO

的波形。輸入和輸出電壓波形解：2.滯回比較器上門限電壓下門限電壓當(dāng)uO

=+UO(sat)，則當(dāng)uO

=–UO(sat)，則RF門限電壓受輸出電壓的控制

電路中引入正反饋：(1)提高了比較器的響應(yīng)速度。(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。上門限電壓U'+：uI逐漸增加時的門限電壓。下門限電壓U"+：uI

逐漸減小時的門限電壓。兩次跳變之間具有遲滯特性所以稱滯回比較器回差電壓：優(yōu)點：(1)改善了輸出波形在躍變時的陡度。(2)回差電壓提高了電路的抗干擾能力,U越大,抗干擾能力越強。調(diào)節(jié)RF

或R2可以改變回差電壓的大小。跳轉(zhuǎn)解：(1)

求上、下門限電壓例2：電路如圖所示，若RF

=20k，R2=10k，

UO(sat)

=±6V，輸入電壓ui=3sin314tV，試畫出對應(yīng)的輸出電壓uO

波形。下門限電壓上門限電壓解：(2)輸出電壓uO

波形例2：電路如圖所示，若RF

=20k，R2=10k，

UO(sat)

=±6V，輸入電壓ui=3sin314tV，試畫出對應(yīng)的輸出電壓uO

波形。4