西安电子科技大学-模电课件-第2章-集成运算放大器的线性应用基础

第2章 集成运算放大器的线性应用基础,2.1 集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性 2.2 负反馈下的集成运算放大器 2.3 集成运算放大器构成的模拟信号运算电路 2.4 有源RC滤波器 2.5 集成运算放大器选择指南,集成运算放大器(简称集成运放)是利用集成工艺制作的高性能电压放大器。由于体积小、重量轻、价格便宜，目前已作为一种高增益模块被广泛用于电子设备中。,2.1 集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性,集成运算放大器的电路符号,原理图中的简化符号,国外（本书）符号,国标符号,集成运放作为电压放大器的电路模型,理想化运放条件：,理想运放线性电路模型： VCVS,线性放大 区趋于零,线性 放大区,集成运放的电压传输特性,限幅区,限幅区,限幅区,限幅区,理想运放的电压传输特性,结论： 由于集成运放的电压放大倍数极大，其线性放大区极窄，对于理想运放则趋于零，故开环运放无法用作线性放大器,串联电压负反馈,2.2 负反馈下的集成运算放大器,电压传输特性,两输入端虚短路。,线性 放大区,开环电压传输特性,传输特性,并联电压负反馈,反相输入端虚地。,负反馈下的集成运算放大器,线性放大 区趋于零,限幅区,限幅区,1. 集成运放如何施加负反馈？ 2. 负反馈下理想运放的线性运用分析要点？,结论：理想集成运放线性应用的条件和分析要点,线性应用的条件： 对运放施加负反馈。,线性应用分析要点：,4. 当加有多个输入信号时，适用叠加原理。,2. 当反相线性运用时：,特别注意：当输出电压过大时(uo|UCC|),运放的输出将限幅！,3. 运放的输出电阻 Ro= 0，即输出为恒压源。,一. 反相比例运算（放大）电路,传输特性,2. 3 集成运放构成的基本运算电路,2. 3. 1 比例运算（放大）电路,平衡电阻,（并联电压负反馈）,二. 同相比例运算（放大）电路,传输特性,电压跟随器,平衡电阻,（串联电压负反馈）,例1 电路如图，求输出电压uo1和uo。 若ui为图示的正弦波，试画出 uo1和uo的波形。(已知UCC=12V),uo1 = -5 ui uo = -30 ui,2. 3. 2 加法器uo= aui1+ bui2+ 一、反相加法器,则,根据叠加原理：,因反相端为“虚地”,二、同相加法器,同相端电位：,若R1=R2，则,两输入端为“虚断”,例2 设计一个加法器电路并确定元件参数，实现 uo=(5ui1+7ui2),取Rf为比例系数的最小公倍数，即5×7=35单位阻值。则R1为7单位阻值，而R2为5单位阻值。故选,解 选择图示的反相加法器电路,例3 设计一个加法器电路并确定元件参数，实现 uo=3ui1+10ui2,解 选择图示的同相加法器电路,若使 Rf /R 在数值为(R1+ R21)：,R2取 3单位阻值， R1 则可取10个单位阻值。此时比值Rf /R=10+31=12。故电路各参数可选择为,2.3.3 减法器 uo=aui1-bui2 相减器的输出电压与两个输入信号之差成正比。,简便方法是应用叠加原理来分析。首先令ui2=0，则电路相当于同相比例器，得,实现减法，可将被减信号加在运放的同相端，而减信号加在反相端，如图所示。,再令ui1=0，则为反相比例器。,可见，该电路只能实现 a=b+1的减法运算。,uo= aui1- bui2,若要实现 a b+1的减法运算，则电路的一般形式为,首先令ui2=0，则,则,再令ui1=0，则,若取,uo= aui1- bui2,若要实现 a b+1的减法运算，则电路的一般形式为,首先令ui2=0，则,再令ui1=0，则,uo= aui1- bui2,例4 测量放大电路如图所示，求输出电压uo。,2.3.4 积分器电路,一. 反相积分器, 在时域，设电容电压的初始值为零uC(0)=0，则输出电压uo(t)为,式中，R以为单位，C以F为单位，则RC的单位为秒(s)。,例5 电路如图所示，R=10k，C=0.01F。已知运放的最大输出电压|Uom|=12V，初始电压uC(0)=0。已知输入为图示的方波信号。 1. 试画出输出电压uo的波形图。 2. 求输出电压uo的幅度及确定输出电压达到最大值的时间。,6.4,即为差动积分器。若将ui2端接地，则为同相积分器:,二. 差动积分器和同相积分器,2.3.5 微分器 将积分器的积分电容和电阻的位置互换，就成了微分器，如图所示。,可见，输出电压和输入电压的微分成正比。,微分器的高频增益大。如果输入含有高频噪声的话，则输出噪声也将很大，而且电路可能不稳定，所以微分器很少有直接应用。 在需要作微分运算时，通常用积分器间接来实现。例如，解如下微分方程：,例6 比例微分调节器（PD调节器),在自动控制系统中主要用来使调节过程加速。,2.3.6 线性变换电路,由于反相端为虚地，即,所以,一、电流源电压源变换电路(I/V 变换),二. 电压源电流源变换电路(V/I 变换),由于u+=u-，并选择R1R3=R2R4, 则变换关系可简化为,可见，负载电流IL与ui成正比，且与负载ZL无关。,负载接地的电路,三. 电流源电流源变换电路(I/I 变换),作业: p-67 2-1, 2-2, 2-3 , 2-6， 217，223.,将原式变为 uo=4ui1 +6 ×09ui2 则取R3 / R2=9， R1取 6单位阻值， R4取4单位阻值。故选,例4 分别设计如下减法器，并确定元件参数， 1. uo=8ui17ui2 2. uo=4ui19ui2 3. uo=15ui16ui2,解 1. 因8 =7+1，可用基本减法电路。,2. 因4 91，则同相端应加分压电阻，此时,42k,6k,6k,4k,36k,4k,取R3 /R2 = 7可满足要求，故选,5.1k,R3/R2=b R3=RR2 R+R2=a-1,3. uo=15ui16ui2,将原式变为 uo=15ui1 6ui2 8×0。取R3 =6×8单位阻值，R2取8单位阻值， R 取6单位阻值。 故选,48k,8k,6k,3.9k,解：因15 61，则反相端应加并接电阻，此时,2.3.3 减法器 uo=aui1-bui2 相减器的输出电压与两个输入信号之差成正比。实现减法，可将被减信号加在运放的同相端，而减信号加在反相端，如图所示。,简便方法是应用叠加原理来分析。首先令ui2=0，则电路相当于同相比例器，得,结论：理想集成运放线性应用的条件和特点,线性应用的条件： 对运放施加负反馈。,线性应用特点：,4. 当加有多个输入信号时，适用叠加原理。,2. 当反相线性运用时：,特别注意：当输出电压过大时(uoUCC),运放的输出将限幅！,3. 运放的输出电阻 Ro= 0，即输出为恒压源。,即为差动积分器。若将ui2端接地，则为同相积分器，其输出u o(t)为,其反变换,二. 差动积分器和同相积分器,积分器电路,