集成运算放大器的应用ppt课件.ppt

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1、电子技术电子技术 利用集成运放的线性区的特点，实现模拟信号的利用集成运放的线性区的特点，实现模拟信号的比例、加减、乘除、积分和微分等各种基本运算。比例、加减、乘除、积分和微分等各种基本运算。 利用集成运放工作在非线性区的特点，构成的电利用集成运放工作在非线性区的特点，构成的电压比较器。压比较器。 非正弦波形发生电路：方波发生器和三角波发生非正弦波形发生电路：方波发生器和三角波发生 器。器。电子技术电子技术 4.14.1 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用 4.2 4.2 集成运算放大器的应用实例集成运算放大器的应用实例 4.3 4.3 集成运算放大器使用中的实际问题集成运算放大器使用中的

2、实际问题 电子技术电子技术4.14.1 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用 4.1.14.1.1 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用 运算电路对输入信号进行运算电路对输入信号进行等运算时集成运放工作在等运算时集成运放工作在线性区。线性区。1比例运算电路比例运算电路 将输入信号按比例放大的将输入信号按比例放大的电路，称为电路，称为。 按输入信号加在不同的输入端，比例运算又分为：按输入信号加在不同的输入端，比例运算又分为： (1)(1)反相比例运算反相比例运算 (2)(2)同相比例运算同相比例运算 又叫反相放大器又叫反相放大器又叫同相放大器又叫同相放大器 (3)(3)差动比例运

3、算差动比例运算 又叫差动放大器又叫差动放大器 电子技术电子技术(1)(1)反相比例运算反相比例运算 其电路如图其电路如图4-14-1所示。所示。 相当于信号相当于信号 源的内阻源的内阻 反馈电阻反馈电阻 平衡电阻平衡电阻, ,满满足足 f1/RRR 反相输入端和同相反相输入端和同相输入端两点的电压输入端两点的电压不仅相等，而且都不仅相等，而且都等于零，如同将该等于零，如同将该两点接地一样，这两点接地一样，这种现象称为种现象称为。 由于由于，反相输入端的电流也等于零，即，反相输入端的电流也等于零，即fiii 又又fofofRuRuui1i1iiRuRuui可得可得 又根据又根据“虚短虚短”的结论

4、的结论, ,可得可得 0uu（4-14-1）电压放大倍数为电压放大倍数为: : 1fiofiRRuuAu（4-34-3）i1fouRRu（4-24-2）电子技术电子技术(2)(2)同相比例运算同相比例运算电路如图电路如图4-24-2所示。所示。 与与 引入深度串联引入深度串联 电压负反馈电压负反馈 1RfR平衡电阻平衡电阻, ,满满足足 f1/RRR 运用运用和和的结论可得的结论可得:0iiiuuu所以所以 iof11uuRRRu即即 i1fo)1(uRRu（4-44-4） 由式由式(4-4)(4-4)可求得电可求得电压放大倍数为：压放大倍数为：1fiof1RRuuAu（4-54-5）电子技术

5、电子技术图图4-24-2电路构成电压跟随器，如图电路构成电压跟随器，如图4-3a4-3a、b b所示。所示。 1R或或0fR当当等效等效图图4-34-3电压放大倍数电压放大倍数 1fuA电子技术电子技术(3)(3)差动比例运算差动比例运算 电路如图电路如图4-44-4所示。所示。由于由于，我们可以认为反相输入，我们可以认为反相输入端端 图图4-4 差动比例运算电路差动比例运算电路 和和 相当于相当于信号源的内阻信号源的内阻 2R1R平衡电阻平衡电阻, ,满足满足 p2f1/RRRR叠加定理可求得：叠加定理可求得：对地的电位对地的电位 是由输入电压是由输入电压 和输出电压和输出电压 共同产生的，

6、利用共同产生的，利用u1iuouof111 if1fuRRRuRRRu反馈电阻反馈电阻 2ip2puRRRu由于由于， ，即，即 uu将电阻平衡条件代入式将电阻平衡条件代入式(4-6)(4-6)可得：可得：2ip2pof111 if1fuRRRURRRuRRR（4-64-6）)(2i1 ifouuRRu2i2f1 i1fouRRuRRu（4-74-7）如果如果RRR21RRuuuAuf2i1 iof（4-84-8）差动输入比例运算电差动输入比例运算电路的电压放大倍数路的电压放大倍数 电子技术电子技术 电路如图电路如图4-54-5所示所示, ,已知已知 , ,其余参其余参io55uu数如图中所标

7、注数如图中所标注, ,试求出试求出R R5 5的值。的值。 图图4- -5 例例4- -1图图 如图如图4-54-5所示电路中，第一级构成同相比例运算电路，所示电路中，第一级构成同相比例运算电路，1ou 第二级构成反相比例运算电路，且第一级的输出第二级构成反相比例运算电路，且第一级的输出 是第二级是第二级的输入，因此的输入，因此ii51o45oiii121o551110011)101001 ()1 (uuRuRRuuuuRRu得出得出k5005R电子技术电子技术2求和电路求和电路 图图4-64-6所示为三个输入端的反相求和电路所示为三个输入端的反相求和电路 。 图图4-6 4-6 反相求和电路

8、反相求和电路 、 、 分别是分别是各个信号源的内阻各个信号源的内阻 1R2R3R负反馈电阻负反馈电阻 平衡电阻平衡电阻, ,满足满足 f321p/RRRRR 根据根据和和的结论，可得：的结论，可得：33i22i11 i321fRuRuRuiiii输出电压为输出电压为 ：RRRR321（4-94-9）等效为）等效为(ffoRiu)3i3f2i2f1 i1fuRRuRRuRR（4-94-9）（4-94-9）)(3i2i1ifouuuRRu（4-104-10） 由式由式(4-10)(4-10)可知，可知，电路实电路实现了现了 、 、 求和运算。求和运算。i1ui2ui3u电子技术电子技术 3 3积分

9、电路和微分电路积分电路和微分电路（1 1）积分电路）积分电路 电路如图电路如图4-74-7所示所示 。由图可得：。由图可得：图图4-7 4-7 积分电路积分电路电容器引电容器引入负反馈入负反馈 uuuco根据根据、的结论，得的结论，得 ，并且，并且0udtiCuucco1（4-114-11）将将 代入式代入式(4-11)(4-11)得：得：RuiiiicdtuRCuio1（4-124-12）电子技术电子技术 上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，实际中是不可能的，其主要原因实际中是不可能的，其主要原因是存在偏置电流、失是存在偏置电流、失调电压、失调

10、电流及其温漂等调电压、失调电流及其温漂等。解决这一情况最简便的方法是，解决这一情况最简便的方法是，在电容两端并接一个电阻在电容两端并接一个电阻 ，利，利用用 引入直流负反馈来抑制上述引入直流负反馈来抑制上述各种原因引起的积分飘溢现象各种原因引起的积分飘溢现象。但数值应远大于积分时间，即但数值应远大于积分时间，即 ， 为输入方波的周期，否则的自身为输入方波的周期，否则的自身也会造成较大的积分误差也会造成较大的积分误差。 fRfR2/TT得到实际积分电路如图得到实际积分电路如图4-84-8所示。所示。 图图4-8 4-8 实际积分运算电路实际积分运算电路 引入直流引入直流 负反馈负反馈 fR电子技

11、术电子技术（2 2）微分电路）微分电路 电路如图电路如图4-9a4-9a所示所示 根据根据和和的结论，得：的结论，得： 图图4-9 4-9 微分电路微分电路 a)a)基本微分电路基本微分电路 b)b)实际微分电路实际微分电路 a)a)b)b)dtduRCRiRiuicfo（4-134-13）基本微分电路由于对输入信基本微分电路由于对输入信号中的快速变化分量敏感，号中的快速变化分量敏感，所以它对输入信号中的高频所以它对输入信号中的高频干扰和噪声成分十分灵敏，干扰和噪声成分十分灵敏，使电路性能下降。在实际的微使电路性能下降。在实际的微分电路中，通常在输入回路中分电路中，通常在输入回路中串联一个小电

12、阻，串联一个小电阻，所示。但是，这将影响微分所示。但是，这将影响微分电路的精度，故要求电路的精度，故要求 要小。要小。 1R电子技术电子技术 4.1.2 4.1.2 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用 1 1电压比较器电压比较器 电压比较器的功能是对两个输入端的信号进行电压比较器的功能是对两个输入端的信号进行比较与鉴别，根据输入信号是大于还是小于基比较与鉴别，根据输入信号是大于还是小于基准电压来确定其输出状态，以输出端的正、负准电压来确定其输出状态，以输出端的正、负表示比较的结果。表示比较的结果。它在测量、通信和波形变换它在测量、通信和波形变换等方面应用广泛。等方面应用广泛。

13、 电压比较器中的集成运算放大器通常工作在非线电压比较器中的集成运算放大器通常工作在非线性区，即满足如下关系：性区，即满足如下关系：1)1)当当 时，时， （正向饱和）（正向饱和） uuOHouu 2)2)当当 时，时， （负向饱和）（负向饱和） uuOLouu 电子技术电子技术（1 1）简单电压比较器）简单电压比较器 图图4-104-10是两个最简单的电压比较器，其中图是两个最简单的电压比较器，其中图4- 10a4- 10a是反是反相比较器；图相比较器；图4-10b4-10b是同相比较器。是同相比较器。 图图4-10 4-10 简单电压比较器简单电压比较器 a)a)反相比较器反相比较器 b)b

14、)同相比较器同相比较器a)a)b)b)最简单的电压比较最简单的电压比较器又叫单限比较器器又叫单限比较器 图图4-11 4-11 简单电压比较器的传输特性简单电压比较器的传输特性a)a)反相比较器的传输特性反相比较器的传输特性 b) b) 同相比较器的传输特性同相比较器的传输特性a)a)b)b) 两个比较器的阈值两个比较器的阈值 均为均为 。 是参考电压，它可以是是参考电压，它可以是thURURU0RU，也可以是，也可以是，或者是，或者是。当。当 时，图时，图4-10a4-10a、b b的的电电压传输特性分别如图压传输特性分别如图4-11a4-11a、b b所示。所示。阈值电压阈值电压 电子技术

15、电子技术（2 2）滞回比较器）滞回比较器 简单的电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但简单的电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，它的抗干扰能力差，能克服简单比较器抗能克服简单比较器抗干扰能力差的缺点。如图干扰能力差的缺点。如图4-124-12所示为从反相输入端输所示为从反相输入端输入的滞回比较器。入的滞回比较器。 图图4-12 4-12 滞回比较器及其电压传输特性滞回比较器及其电压传输特性a)a)滞回比较器滞回比较器电路电路 b)b)电压传输特性电压传输特性 a)a)b)b)正向阈值电压正向阈值电压 反向阈值电压反向阈值电压 电子技术电子技术 图图4-12 4-12 滞回比较器

16、及其电压传输特性滞回比较器及其电压传输特性a)a)滞回比较器滞回比较器电路电路 b)b)电压传输特性电压传输特性 a)a)b)b)正向阈值电压正向阈值电压 反向阈值电压反向阈值电压 从集成运放输出端的限幅电路可以看出，从集成运放输出端的限幅电路可以看出， 。ZUuoiuu 集成运放反相输入端的电位集成运放反相输入端的电位 ，同相输入端的电，同相输入端的电位位ZURRRu211 若令若令 ，求出的，求出的 就就uuiu是阈值电压，因此得出：是阈值电压，因此得出：ZURRRU211th 输出电压曲线输出电压曲线具有方向性，如图具有方向性，如图4 4-12b-12b所标注（所标注（）。）。电子技术电

17、子技术2非正弦波形发生器非正弦波形发生器 在实际电路中，经常用到在实际电路中，经常用到等周期性等周期性的非正弦波，下面介绍其的非正弦波，下面介绍其的原理。的原理。（1 1）方波发生器）方波发生器 图图4-13 4-13 方波发生器方波发生器 方波发生器是其它非正方波发生器是其它非正RCRC回路既回路既，通过，通过RCRC充、放电充、放电实现输出状态的自动转换。实现输出状态的自动转换。 弦波发生器的基础，当方波弦波发生器的基础，当方波加到积分运算电路的输入端加到积分运算电路的输入端时，输出就可得到三角波电时，输出就可得到三角波电压。图压。图4-134-13所示为所示为，它是由，它是由。电子技术电

18、子技术 由前述可知，滞回比较器的输出电压由前述可知，滞回比较器的输出电压 ，且，且ZUuou 在在 上有阈值电压：上有阈值电压： ZURRRU211th 其工作原理可结合图其工作原理可结合图 图图4-13 4-13 方波发生器及波形图方波发生器及波形图 a)a)电路图电路图 b)b)波形图波形图a）b）4-13a4-13a，振荡波形分析如图，振荡波形分析如图4-13b4-13b，具体过程如下：，具体过程如下：运放接通电源运放接通电源 初始电压初始电压 =0=0 cu 通过通过 对电容对电容 充电充电 ou3RC 按指数曲线上升按指数曲线上升 cu当当 + + 时时 cuthUcu电容电容 通过

19、通过 和和 放放电电 C3RZVD按指数曲线下降按指数曲线下降 电容又开始充电电容又开始充电 输出方波的周期输出方波的周期 )21ln(221RRRCT： )21 (ln21121RRRCTf(4-14)(4-14)电子技术电子技术（2 2）三角波发生器）三角波发生器 图图4-14a4-14a所示为所示为，电路虚线左，电路虚线左边为边为，右边为，右边为。图图 图图4-14 4-14 三角波发生器及波形图三角波发生器及波形图 a)a)电路图电路图 b)b)波形图波形图a)a)b)b)4-14b4-14b为为。 积分运算电路积分运算电路 同相输入滞同相输入滞 回比较器回比较器 三角波发生三角波发生

20、器波形图器波形图 2314RCRRT 1.1.三角波的周期三角波的周期CRRRf3124(4-15)(4-15)2.2.振荡频率振荡频率电子技术电子技术4.24.2 集成运算放大器的应用实例集成运算放大器的应用实例 4.2.1 4.2.1 仪表用放大器仪表用放大器1.1.仪表用放大器的特点仪表用放大器的特点 在测量系统中，通常都用在测量系统中，通常都用，即把，即把通过通过转换为转换为，然后进行放大。，然后进行放大。因此，因此，。 对于放大器而言，信号源内阻对于放大器而言，信号源内阻 是常量，根据电压是常量，根据电压SR放大倍数的表达式放大倍数的表达式: :uuARRRAsiis放大器的输入电阻

21、愈大，放大器的输入电阻愈大，因信号源内阻变化而引因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。起的放大误差就愈小。 综上所述，仪表用放大器除具备足够大的放大倍综上所述，仪表用放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有数外，还应具有。电子技术电子技术2.2.基本电路基本电路 集成仪表放大器的具体电路很多，但是很多电路都是在图集成仪表放大器的具体电路很多，但是很多电路都是在图AB 图图4-15 4-15 三运放组成的精密放大器三运放组成的精密放大器 4-154-15的基础上演变而来。在图的基础上演变而来。在图4-154-15电电路中，路中，2iBuu 1 iAuu ， ，因而，因而:)(21 ()(22i

22、1i212o1o2o1o2122i1iuuRRuuuuRRRuu所以输出电压所以输出电压得到得到)(21 ()(2i1 i21f2o1ofouuRRRRuuRRu(4-1(4-1) )2i1 iiduuu.当当.当当 c i2i1 iuuu输出电压输出电压 。0ououid21f)21 (uRRRR(4-1(4-1) )电路具有放大差模信号，电路具有放大差模信号，抑制共模信号的作用。抑制共模信号的作用。电子技术电子技术4.2.2 4.2.2 数字式温度计电路数字式温度计电路 图图4-164-16所示为采用所示为采用PNPN结温度传感器的结温度传感器的，测量范围为测量范围为-50-50+150+

23、150，分辨率为，分辨率为0.10.1。电路由。电路由三部分组成，三部分组成，如图如图4-164-16所标注。所标注。图图4-16 数字式温度计电路数字式温度计电路构成测构成测量电桥量电桥 温度传感器温度传感器 电压跟随器电压跟随器起隔离作用起隔离作用 根据运算放大电路根据运算放大电路的分析方法，可以求出的分析方法，可以求出A1A1和和A2A2输出电压的表达输出电压的表达式为：式为：)(10)(101RWD2W42o1RWD1ouuRRuuuu改变滑动端的位置可以改变滑动端的位置可以改变放大电路的电压放改变放大电路的电压放大倍数，从而调整数字大倍数，从而调整数字电压表的显示数据。电压表的显示数

24、据。电子技术电子技术4.3 4.3 集成运算放大器使用中的实际问题集成运算放大器使用中的实际问题4.3.14.3.1 使用时必做的工作使用时必做的工作1.1.集成运放的管脚集成运放的管脚 目前集成运放常见的封装方目前集成运放常见的封装方式有式有金属壳封装金属壳封装和和双列直插双列直插式封装式封装，而且以后者居多。，而且以后者居多。 2.2.参数测量参数测量 使用运放之前往往要用简易使用运放之前往往要用简易测试法判断其好坏测试法判断其好坏 3.3.调零或调整偏置电压调零或调整偏置电压 对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在输入时输出输

25、入时输出为零。对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流偏置电压，为零。对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。4.4.消除自激振荡消除自激振荡 为防止电路产生自激振荡，应在为防止电路产生自激振荡，应在集成运放的电源端上加上去耦电容。集成运放的电源端上加上去耦电容。 电子技术电子技术4.3.2 4.3.2 保护措施保护措施为使运放安全工作，应从以下三个方面进行保护：为使运放安全工作，应从以下三个方面进行保护： 1.1.输入保护输入保护 图图4-17a4-17a

26、所示是所示是，图图4-17b4-17b所示是所示是。图图2-17 2-17 输入保护电路输入保护电路a)a)差模保护差模保护 b)b)共模保共模保a)a)b)b)电子技术电子技术2.2.输出保护输出保护 图图4-184-18所示为输出端保护电路，组成如图标注所示为输出端保护电路，组成如图标注 图图4-18 4-18 输出保护电路输出保护电路 图图4-19 4-19 电源端保护电路电源端保护电路限流电阻限流电阻 稳压管稳压管 构成限幅电路构成限幅电路 3.3.电源端保护电源端保护 如图如图4-194-19所示所示 为了防止电源极性接反为了防止电源极性接反,可利用二极管可利用二极管的单向导电性的单向导电性,在电源端串联二极管来在电源端串联二极管来实现保护。实现保护。）.也限制了输出也限制了输出）.将负载与集成运放输出将负载与集成运放输出端隔离开来，限制了运端隔离开来，限制了运放的输出电流，放的输出电流，电压的幅值。电压的幅值。：