电子技术基础 第2版 中国通信学会普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 姜桥 邢彦辰 第5章 集成运算放大器的应用

1、,第5章 集成运算放大器的应用,5.1 模拟信号运算电路 集成运放通过少许的外围器件，就可以构成能够实现各种数学运算的电路。例如比例运算、加法运算、减法运算、积分运算、微分运算、乘法运算、乘方运算、对数运算、反对数运算等等。 5.1.1比例运算电路 根据输入信号接法的不同，比例运算电路有二种基本形式：反相比例运算电路和同相比例运算电路。,5.1.1 比例运算电路,反相比例运算电路 反相比例运算电路的基本形式如图5.1.1所示。,图5.1.1 反相比例运算电路,输入信号ui 经电阻R1加到集成运放的反相输入端，反馈支路由Rf 构成，将输出电压uo 反馈至反相输入端，同相输入端通过电阻R2接地。R2称为平衡电阻。通常选择R2的阻值为 R2R1 / Rf,5.1.1 比例运算电路,在图5.1.1中，由于“虚断”，故i+，即R2上没有压降，则u+。又因为“虚短”，可得 u-u+ （5.1.1） 式（5.1.1）说明在反相比例运算电路中，集成运放的反相输入端与同相输入端两点的电位相等，且均等于零，如同该两点接地一样，这种现象称为“虚地”。“虚地”是反相比例运算电路的一个重要特点。,由图5.1.1

2、，根据式（5.1.1），可得,由于i+i-，所以，ii=if ，因此有,5.1.1 比例运算电路,求解上式，可得出反相比例运算电路的输出电压表达式为,(5.1.2),闭环电压放大倍数（比例系数）为,(5.1.3),因为反相输入端“虚地”，所以，电路的输入电阻为 Rif=R1 (5.1.4),5.1.1 比例运算电路,2.同相比例运算电路 同相比例运算电路的基本形式如图5.1.2所示。,图5.1.2 同相比例运算电路,+,5.1.1 比例运算电路,由图5.1.2可得,由于“虚断”，i+i-，所以ii=if ，因此有,（5.1.5）,5.1.1 比例运算电路,因为“虚短”，代入式（5.1.5），求解得出,（5.1.6）,因为,，所以,代入式（5.1.6）得出同相比例运算电路的输出电压 表达式为,(5.1.7),5.1.1 比例运算电路,根据式（5.1.6），可得闭环电压放大倍数（比例系数）为,(5.1.8),由式（5.1.8）可知，同相比例运算电路的电压放大倍数总是大于或等于。当Rf或R1时，此时电压放大倍数为,5.1.1 比例运算电路,这时电路如图5.1.3所示。 可见，图5.1.3这种

3、电路的输出电压与输入电压相等，且相位相同，两者之间是一种“跟随”关系，所以称该电路为“电压跟随器”。,图5.1.3 电压跟随器,5.1.1 比例运算电路,减法运算（也称为差分比例运算）电路的基本形式如图5.1.4所示。,5.1.2 减法运算电路,图5.1.4 减法运算电路,由图5.1.4有,5.1.2 减法运算电路,对于反相输入端，有ii1=if + i- 。因为,，所以,，则有,（5.1.9）,因为“虚短”， ，联立求解式（5.1.9）和式（5.1.10），整理后可得到减法运算电路的输出电压表达式为,5.1.2 减法运算电路,对于同相端，因为,，所以，电阻,近似为串联关系，则有,（5.1.10）,（5.1.11）,5.1.2 减法运算电路,在式（5.1.1）中，当满足条件， ， 时，整理后得,（5.1.12）,由式（5.1.12）可见，输出电压与两输入端的输入电压之差成正比，实现了减法比例运算，其比例系数Auf同样仅决定于电阻Rf与R1之比，而与集成运放内部参数无关。,在式（5.1.11）中，当满足条件,时，整理后得,（5.1.13）,5.1.3 反相输入求和运算电路,如果要将多个模

4、拟电压相加，可采用求和运算电路来实现。用集成运放实现求和运算时，可以采用反相输入方式，也可以采用同相输入方式。 反相输入求和电路,5.1.6 反相输入求和电路,为了保证集成运放两个输入端对地的电阻平衡，同相输入端电阻R的阻值应为,由于“虚断”，i-，因此,又因为集成运放的反相输入端“虚地”，故上式可写为,5.1.3 反相输入求和运算电路,求解上式，得出反相求和电路的输出电压为,同理，可以将求和电路的输入端扩充到3个以上，电路的分析方法是相同的。,5.1.3 反相输入求和运算电路,反相输入求和电路的优点是，当改变某一输入回路电阻时，仅仅改变输出电压与该路输入电压之间的比例关系，对其他各路没有影响，调节比较方便。所以在实际工作中，反相输入求和电路应用比较广泛，同相求和电路使用较少。,图5.1.8 基本积分电路,可以看出，这种反相输入基本积分电路实际上是在反相比例电路的基础上，将反馈回路中的电阻Rf改为电容C而得到的。,5.1.4 积分运算和微分运算电路,1.积分运算电路,因为电容两端的电压uc与流过电容的电流ic之间存在着积分关系，即 又因为集成运放的反相输入端“虚地”，故 uouc 可见

5、输出电压与电容两端电压成正比。 因为“虚断”，运放反相输入端的电流为零，即iiic，所以 uiiiRicR 输入电压与流过电容的电流成正比。由此可得,5.1.4 积分运算和微分运算电路,(5.1.17),5.1.4 积分运算和微分运算电路,2.微分运算电路 微分是积分的逆运算。将积分运算电路中R和C的位置互换，即可组成基本微分运算电路，如图5.1.10所示。,图5.1.10 基本微分电路,图5.1.10 基本微分电路 由于“虚断”，流入运放反相输入端的电流为零，则ic= iR 又因反相输入端“虚地”，可得 （5.1.20） 可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。,5.1.4 积分运算和微分运算电路,5.2.1 过零比较器,被比较的模拟输入电压ui接在运放的反相输入端，运放的同相端接地，即参考电压等于零，因此也称为过零比较器。,(a)电路图 (b)传输特性 图5.2.1 简单过零比较,5.2 电压比较器,5.2.2 单限比较器,所谓单限比较器是指只有一个门限电平的比较器，又称电平检测器。一般的单门限比较器电路如图5.2.5（a）所示。它是在过零比较器的基础上，将参考电压UREF接在运

6、放的同相输入端，被比较电压ui接在反相输入端。 若UREF0，当uiUREF时，运放输出达到负饱和值Uom。电路的电压传输特性如图5.2.5（b）所示，也可以将运放的反相端接UREF，在同相端输入ui。,5.2.2 单限比较器,(a) 电路图 (b) 传输特性 图5.2.5 单限比较器,5.2.3 滞回比较器,滞回比器又称为施密特触发器，其电路如图5.2.6（a）所示。 (a) 电路图 (b) 传输特性 图5.2.6 滞回比较器,(5.2.1) 若原来uo= UZ，当ui逐渐减小，使uo从UZ跳变为+UZ所需的门限电平用UT -表示，则 (5.2.2) 上述两个门限电平之差称为门限宽度或回差，用符号UT表示，由以上两式可求得,5.2.3 滞回比较器,(5.2.3) 由式(5.2.3)可见，门限宽度UT的值取决于稳压管的稳定电压UZ以及电阻R2和Rf的值，与参考电压UREF无关。改变UREF的大小可以同时调节两个门限电平UT+和UT -的大小，但两者之差UT不变。,5.2.3 滞回比较器,5.3 波形产生电路,波形产生电路通常称为振荡器，它是一种能自动地将直流电源能量转换为正弦波或非正弦

7、波信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于无需外加激励信号，就能自动地产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号，故又叫做自激振荡器。 常用的正弦波振荡电路有LC振荡电路、RC振荡电路和石英晶体振荡电路等。,5.3.1 正弦波振荡电路的组成,1.正弦波振荡电路的组成 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络等组成。 正弦波振荡电路的选频若由电阻和电容元件组成，称为RC正弦波振荡电路，这种电路的选频一般是在反馈网络中，RC正弦波振荡电路用于产生1MHz以下的低频正弦波信号；选频若由电感和电容元件组成，则称为LC正弦波振荡电路，这种振荡电路用于产生高频正弦波信号。,2.产生正弦波振荡的条件 (5.3.1) 式(5.3.1)可以分别用幅度平衡条件和相位平衡条件来表示，即 (n=0,1,2）,5.3.1 正弦波振荡电路的组成,5.3.2 桥式RC正弦波振荡电路,图5.3.1为由集成运放构成的桥式RC正弦波振荡电路。 图5.3.1 RC串并联网络振荡电路,其中A为同相比例放大电路，它的选频环节是一个由R、C元件组成的串并联网络，Rf和R支路引入一个负反馈。由图可见，串并联网络中的R1、C1和R2、C2及负反馈支路中的Rf和R正好组成一个电桥的四个桥臂，因此这种电路又称为“文氏电桥振荡电路”。 桥式RC正弦波振荡器的优点是频率调整方便，且可调节范围大；频率和振幅稳定度较高；波形失真小；不需要电感，装置紧凑，价格低廉，重量轻。被广泛用作宽频带的音频振荡器。,5.3.2 桥式RC正弦波振荡电路,5.4 集成运放使用中的几个实际问题,1.合理选用集成运放型号 2.使用集成运放时应了解引脚的功能 3.消除自激振荡 4.电路的调零 5.集成运放的保护,小 结,1模拟信号的运算是集成运放典型的应用领域，在分析各种运算电路时，基本方法是利用集成运放工作在线性区时“虚短”和“虚断”的两个特点，来推导出输入、输出之间的运算关系。 2电压比较器的功能是将输入的模拟信号与已知参考电压进行比较，并用输出电压的高低电平（输出电压不同的两种状态）来表示比较结果，常用的比较器有：过零比较器、单限比较器、滞回比较器、双限比较器等。 3桥式RC正弦波振荡器产生正弦波振荡的条件是： = 1，振荡频率为 。 4集成运放应用很广，在选择时、应注意按需求合理选择。在使用和调试过程中，要注意避免损坏器件。,

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