模拟电子技术 第2版 教学课件 PPT 作者 苏士美 第6章 集成运算放大器的应用

1、第6章 集成运算放大器的应用,6.1 理想运放及运放工作的两个区域,6.1.1 理想运算放大器 开环差模电压放大倍数Aod=； 差模输入电阻rid=； 输出电阻rod=0；, 输入失调电压UIO=0，输入失调电流IIO=0；输入失调电压的温漂dUIO/dT =0，输入失调电流的温漂dIIO/dT=0；, 共模抑制比KCMR=； 输入偏置电流IIB=0； 3dB带宽fh=； 无干扰、噪声。,6.1.2 集成运放的两个工作区域,1线性工作区 在集成运放应用电路中，运放的工作状态有两种：工作在线性区或工作在非线性区。 图6.1所示为集成运放的电压传输特性。,图6.1 集成运放的传输特性,在线性工作区， uo与ui之间关系可表示为 uo=Aodui=Aod(u+u) （6-1）,工作在在线性区时，有：u+u0，即,u+u （6-2）,这一特性称为理想运放输入端的“虚短”。 运放两个输入端的电流：,i+=i0 （6-3）,这一特性称为理想运放输入端的“虚断”。 式（6-2）和式（6-3）是分析理想运放线性应用电路的重要依据。,2非线性工作区,集成运放的非线性工作区是指其输出电压uo与输入电压u+

2、u不成比例时的输入电压取值范围。,运放的输入信号超出了线性放大的范围，输出电压不再随输入电压线性变化，而是达到饱和，输出电压为正向饱和压降UOH（正向最大输出电压）或负向饱和压降UOL（负向最大输出电压），如图6.1所示。,满足“虚断”条件： i+=i0 （6-4） 为使运放工作在非线性区，一般使运放工作在开环状态，也可外加正反馈。,6.2 运放的线性应用电路,6.2.1 信号运算电路 1比例运算电路 （1）反相比例运算电路 u+ = u=0,（6-6）,图6.2 反相比例运算电路,反相比例运算电路的输出电压与输入电压相位相反，而幅度成正比关系，比例系数取决于电阻Rf与R1阻值之比。 平衡电阻，其阻值为 = Rf /R1。,（2）同相比例运算电路,根据“虚断”、“虚短”特点，有 i+= i=0 u+=u=ui （6-7） 则,或,（6-8）,（6-9）,图6.3 同相比例运算电路,同相比例运算电路输出输入电压相位相同，幅度成正比例关系。比例系数取决于电阻Rf与R1阻值之比。,同相比例运算电路中引入了电压串联负反馈，故可以进一步提高电路的输入电阻和输出电阻，该电路的Ri=，Ro=0。,若

3、R1=或Rf =0，则uo=ui，此时电路构成电压跟随器，如图6.4所示。,图6.4 电压跟随器,例题6-1：理想集成运放构成的电路如图6.5所示，写出uoui的关系式。,图6.5 例题6-1图,解：由电路可知，运放A1构成的电路是一个反相比例运算电路。于是,或,运放A2构成的电路是一个同相比例运算电路；因此有 可见，该电路是一种比例运算电路。,2求和运算电路,（1）反相求和电路,（6-10）,电路输出电压uo为输入电压ui1、ui2相加所得结果，即电路可以实现求和运算。,图6.6 反相求和电路,例题6-2：假设一个控制系统中的温度、压力等物理量经传感器后分别转换成为模拟电压量ui1、ui2，要求设计一个运算电路，使电路输出电压与ui1、ui2之间关系为uo=3ui110ui2。,解：采用图6.6所示的反相求和电路，将给定关系式与式（6-10）比较，可得,为了避免电路中的电阻值过大或过小，可先选Rf =150k，则 R1= 50k，R2=15k = Rf/R1/R2=10.7k 为保证精度，以上电阻应选用精密电阻。,（2）同相求和电路,由“虚断”、“虚短”可得输出电压为,（6-11）,

4、其中 该电路能够实现同相求和运算。,3积分微分电路,（1）积分电路,图6.7 同相求和电路,根据“虚短”、“虚断”以及电容电流电压关系,（6-12）,或,uC（0）是电容两端电压0时刻初始值。 图6.8所示电路输出输入电压关系：,图6.8 反相积分电路基本形式,显然输出电压与输入电压间为积分运算关系。 积分电路可以用于波形变换。,图6.9 基本积分电路的积分波形,例题6-3：理想运放构成的积分运算电路如图6.8所示，当R=10k，C=0.1F，ui=2V，电容上初始电压为0V，经t=2ms后，电路输出电压uo为多少伏？,解：由式（6-13），当ui=常数时，有,将参数代入可得：当t0=2ms时电路的输出电压为,（2）微分电路,微分是积分的逆运算，微分电路的输出电压是输入电压的微分，其电路如图6.10所示。 利用“虚短”、“虚断”可知，运放两输入端为“虚地”，所以,图6.10 基本微分电路,（6-14）,输出电压与输入电压的微分成正比。 图6.11所示为微分电路的信号波形。,图6.11 微分电路信号波形,6.2.2 有源滤波电路,滤波电路可分为无源滤波电路、有源滤波电路及晶体滤波电路等。

5、 无源滤波电路是指由R、L、C等无源器件所构成的滤波器；有源滤波电路是指由放大电路和RC网络构成的滤波电路。,按照工作频率的不同，滤波电路可分为低通滤波（Low Pass Filter，LPF）、高通滤波（High Pass Filter，HPF）、带通滤波（Band Pass Filter，BPF）、带阻滤波（Band Elimination Filter，BEF）等。,图6.12 滤波器的理想特性和实际滤波器特性,1低通滤波电路,一阶有源低通滤波电路如图6.13所示。 根据“虚短”、“虚断”，并由电路结构可得其传递函数为,（6-15）,式中，Aup为通带电压放大倍数，f0为截止角频率。这里：,（6-16）,（6-17）,图6.13 一阶有源低通滤波电路,图6.14 一阶有源低通滤波电路的幅频特性,2高通滤波电路,高通滤波电路和低通滤波电路存在对偶关系，将低通滤波电路中起滤波作用的电阻和电容的位置交换，即可组成相应的高通滤波电路。 图6.16（a）即为一阶高通滤波电路。,可以导出该滤波电路的传递函数为,（6-18）,式中， ， 其对数幅频特性如图6.16（b）所示。,图6.16 一阶

6、高通滤波电路,3带通和带阻滤波电路,图6.18（a）所示，将一个低通滤波电路和一个高通滤波电路串联连接即可组成带通滤波电路，f f h的信号被低通滤波电路滤掉，f f l才能组成带通电路。,图6.18 带通滤波和带阻滤波电路的组成原理,图6.18（b）所示为一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联连接组成的带阻滤波电路，f f l的信号从高通滤波电路通过，只有f h f f l的信号无法通过，所以f h f l才能组成带阻电路。,带通滤波和带阻滤波的典型电路如图6.19所示。,图6.19 带通滤波和带阻滤波的典型电路,6.3 运放的非线性应用电路电压比较器,比较器的输出只有高、低电平两种状态，其中的运放常工作在非线性区。 从电路结构来看，运放常处于开环状态或加入正反馈。 根据比较器的传输特性不同，可将其分为单限比较器、滞回比较器及双限比较器等。,6.3.1 单限比较器,单限比较器是指只有一个门限电压的比较器。,图6.23 单限比较器电路和其传输特性,阈值电压UTH=UR。 若UR=0，即运放反相输入端接地，则阈值电压UTH=0。 这种单限比较器也称为过零比较器。,图6.24 简单过零比较

7、器电路和输入、输出波形,6.3.2 滞回比较器（迟滞比较器）,滞回电压比较器通过引入上、下两个门限电压，以获得正确、稳定的输出电压。,图6.25 存在干扰时，单限比较器的输出、输入波形,图6.26 反相滞回电压比较器,该比较器的两个门限电压可由下式求出：,（6-19）,（6-20）,两个门限电压之差称为门限宽度或回差，用符号UTH表示，由式（6-19）、式（6-20）可得：,（6-21）,滞回电压比较器用于控制系统时主要优点是抗干扰能力强。,图6.27 存在干扰时，滞回比较器的输入、输出波形,例题6-4：在图6.26（a）所示的滞回比较器中，假设参考电压UREF=6V，稳压管的稳定电压Uz=4V，电路其他参数为R2=30k，Rf=10k，R1=7.5k。, 试估算两个门限电压UTH1和UTH2以及门限宽度UTH。, 设电路其他参数不变，参考电压UREF由6V增大至18V，估算UTH1、UTH2及UTH的值，分析传输特性如何变化。 设电路其他参数不变，UZ增大，定性分析两个门限电平及门限宽度将如何变化。,解： 由式（6-19）、式（6-20）和式（6-21）可得, 当UREF=18V时，,可见当UREF增大时，UTH1和UTH2同时增大，但门限宽度UTH不变。 此时传输特性将向右平行移动，全部位于纵坐标右侧。, 由式（6-19）、式（6-20）和式（6-21）可知，当UZ增大时，UTH1将增大，UTH2将减小，故UTH将增大，即传输特性将向两侧伸展，门限宽度变宽。,6.4 实际应用电路举例,6.4.1 精密整流电路,（6-22）,故全波精密整流电路也称为绝对值电路。,图6.29 全波精密整流电路及波形,6.4.2 精密放大器,精密放大器即集成仪表用放大器（简称仪用放大器），要求其具备足够大的增益、高输入电阻以及高共模抑制比。,（6-22）,当ui1=ui2=uiC时，分析可得uo=0。 可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。 当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。,图6.30 三运放构成的精密放大器,

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