課題八 集成運算放大電路

1、課題八 集成運算放大電路學習情境1 了解集成運算放大器的基本組成、主要參數(shù)及分析方法 所謂集成電路，是相對分立電路而言的，就是把整個電路的各元器件以及相互之間的連接同時制作在一塊半導體芯片上，組成一個不可分割的整體。 一、集成運算放大器的基本組成 集成運算放大器是一種集成化的半導體器件。它實質(zhì)上是一個具有很高放大倍數(shù)的直接耦合的多級放大電路，可以簡稱為“集成運放組件”。 實際的集成運放組件有許多不同的型號，每一種型號的內(nèi)部線路都不同，從使用的角度來看，我們感興趣的只是它的參數(shù)和特性指標以及使用方法。集成運算放大器的類型很多，電路也各不相同，但從電路的角度來看，基本上都由輸入級、中間級、輸出級和

2、偏置電路四個部分組成，如圖8-1所示。圖8-1 集成運算放大器的基本放大電路 如圖8-2所示為LM741集成運算放大器的外形和管腳。它有8個管腳，各管腳的用途如下： （1）輸入端和輸出端。 （2）電源端。 （3）調(diào)零端。 圖8-2 LM741集成運算放大器的外形和管腳二、集成運算放大器的主要參數(shù)（一）最大輸出電壓UOPP（二）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo（三）輸入失調(diào)電壓UIO（四）輸入失調(diào)電流IIO（五）開環(huán)差模輸入電阻ri和輸出電阻ro（六）共模抑制比KCMR（七）最大共模輸入電壓UiCM 三、集成運算放大器的基本分析方法 在分析集成運算放大器時，為了簡化分析并突出主要性能，通常把集成運算放大器

3、看成是理想集成運算放大器。 理想集成運算放大器應當滿足下列條件： 開環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo 開環(huán)差模輸入電阻 rid 開環(huán)差模輸出電阻 ro 0 共模抑制比 KCMR 集成運算放大器可以工作在線性區(qū)域，也可以工作在非線性區(qū)域。理想集成運算放大器的符號如圖8-3所示，集成運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo很大，即使加到兩個輸入端的信號很小，甚至受到一些外界信號的干擾，都會使輸出達到飽和，從而進入非線性狀態(tài)。 在直流信號放大電路中使用的集成運算放大器是工作在線性區(qū)域的，把集成運算放大器作為一個線性放大元件應用，它的輸出和輸入之間應滿足如下關(guān)系式： (8-1) 集成運算放大器的電壓傳輸特性如圖8-4

4、所示。 為了使集成運算放大器工作在線性區(qū)域，通常把外部電阻、電容、半導體器件等跨接在集成運算放大器的輸出端，與反相輸入端之間構(gòu)成閉環(huán)工作狀態(tài)，限制其電壓放大倍數(shù)。圖8-3 理想集成運算放大器的符號圖8-4 集成運算放大器的電壓傳輸特性 工作在線性區(qū)域的理想集成運算放大器有兩個重要結(jié)論： （1）集成運算放大器同相輸入端和反相輸入端的電位相等(虛短)。 （2）集成運算放大器同相輸入端和反相輸入端輸入電流等于零(虛斷)。學習情境2 掌握基本運算電路的運算方法 運算電路是指電路的輸出信號與輸入信號之間存在某種數(shù)學運算關(guān)系。運算電路可實現(xiàn)模擬量的運算。一、比例運算電路 （一）反相比例運算電路 如圖8-5

5、所示，輸入信號ui經(jīng)輸入外接電阻R1送到反相輸入端，而同相輸入端通過電阻R2接地。反饋電阻RF跨接在輸出端和反相輸入端之間，形成電壓并聯(lián)負反饋。圖8-5 反相比例運算電路 根據(jù)集成運算放大器工作在線性區(qū)域的兩條分析依據(jù)，可知： （1）流入放大器的電流趨近于零，即 i+i-0 （2）反相輸入端與同相輸入端電位近似相等，即 u+u-0 得iiif+i-if所以即因此，閉環(huán)(引入反饋后的)電壓放大倍數(shù)為 (8-4) 例8-1 在圖8-5中，設(shè)R1=10 k，RF= 50 k，求Auf。如果ui=0.5 V，uo為多少？ 解： （二）同相比例運算電路 如圖8-6所示，輸入信號ui通過外接電阻R2輸入送

6、到同相輸入端，而反相輸入端經(jīng)電阻R1接地。反饋電阻RF跨接在輸入端和反相輸入端之間，形成電壓串聯(lián)負反饋。圖8-6 同相比例運算電路 根據(jù)集成運算放大器工作在線性區(qū)域時的兩條依據(jù)，可知： （1）反相輸入端與同相輸入端電壓相等，即 u+u-ui （2）流入放大器的電流趨近于零，即 i+i-0則可得ii=if+i-if由圖8-6可列出解得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為 (8-5) 當R1=(斷開)或RF=0時，則Auf=uo/ui=1，輸出電壓與輸入電壓始終相同，這時電路稱為電壓跟隨器，如圖8-7所示。電壓跟隨器放在輸入級可減輕信號源的負擔，放在兩級電路的中間可起到隔離電路的作用。圖8-7 電壓跟隨器 例8-2

7、 分析圖8-8中輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，并說明電路的作用。圖8-8 例8-2圖 解：如圖8-8所示電路中反相輸入端未接電阻R1（即R1=），穩(wěn)壓管電壓UZ作為輸入信號ui加到同相輸入端，該電路形式如同電壓跟隨器，則有 uo=ui=UZ 由于比較穩(wěn)定、精確，此電路可作為基準電壓源，且可以提供較大輸出電流。 如圖8-9所示為電子溫度計原理。A1和A2分別為同相比例運算和反相比例運算電路。三極管VT為溫度傳感器，管子導通電壓UBE隨溫度t線性變化，溫度系數(shù)為負值，即t上升時UBE減小，這時信號源電壓uS=UBE。設(shè)溫度t的變化范圍為-50 +50 。電容C可對交流干擾起旁路作用。圖8-9 電子溫度

8、計原理二、加減運算電路 （一）加法運算電路 加法運算電路的輸出電壓與若干個輸入電壓的代數(shù)和成比例。在實際應用中，常需要對一些信號進行組合處理，各個信號既要有公共的接地點，又要能夠組合，實際中往往把電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號之后再進行加減。如果在反相比例運算電路的輸入端增加若干輸入電路，如圖8-10所示，則構(gòu)成反相加法運算電路。圖8-10 反相加法運算電路由節(jié)點電流定律得整理得當R11=R13=R13=R1時，則上式為 (8-6)當R1=RF時，則有平衡電阻為 例8-3 一個測量系統(tǒng)的輸出電壓和一些待測量(經(jīng)傳感器變換為電壓信號)的關(guān)系為uo=2ui1+0.5ui2+4ui3，試用集成運放構(gòu)成信號處

9、理電路，若取RF=100 k，求各電阻值。 解：分析得知輸入信號為加法關(guān)系，因此第一級采用加法電路，輸入信號與輸出信號要求同相位，所以再加一級反相器。電路構(gòu)成如圖8-11所示。圖8-11 例8-3圖推導第一級電路的各阻值：由RF=100 k得R11=50 k，R12=200 k，R13=25 k平衡電阻為Rb1=RFR11R12R13=1005020025=13 k第二級為反相電路，則有R21=RF=100 k平衡電阻為Rb2=RFR21=100100=50 k （二）減法運算電路 如果兩個輸入端都有信號輸入，則為差分輸入。差分運算在測量和控制系統(tǒng)中應用很多，其放大電路如圖8-12所示。圖8-

10、12 差分輸入放大電路 根據(jù)疊加原理可知，uo為ui1和ui2分別單獨在反相比例運算電路和同相比例運算電路上產(chǎn)生的響應之和，即 當R1=R2，R3=RF時，則有 (8-7)三、微分與積分運算電路 （一）微分運算電路 微分運算電路如圖8-13(a)所示。依據(jù)u+u-0，可得 iR=uC 所以 即 (8-8) 可見uo與ui的微分成比例，因此稱為微分運算電路。 在自動控制電路中，微分運算電路不僅可實現(xiàn)數(shù)學微分運算，還可以用于延時、定時以及波形變換，如圖8-13(b)所示，當ui為矩形脈沖時，則uo為尖脈沖。圖8-13 微分運算電路（a）電路；（b）波形 （二）積分運算電路 積分運算電路如圖8-14

11、（a）所示。由電路可得 (8-9) 可見，uo與ui的積分成比例，因此稱為積分運算電路。 若ui=-U，則由式(8-9)可得 (8-10) 此時uo與時間t成比例，其中uC(0)為電容C端電壓的初始值，圖8-14(b)所示為uC(0)=0時uo和ui的波形。圖8-14 積分運算電路（a）電路；（b）波形 微分和積分運算電路應用很廣，除了微積分運算外，還可用于延時、波形變換、波形發(fā)生、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及移相等。由于微分與積分互為逆運算，兩者的應用也類似，下面僅舉幾個積分運算電路的應用例子： （1）延時作用。由圖8-14（b）可知，如果積分運算電路輸出端的負載所需驅(qū)動電壓為uo=Uo，則在t=0時使ui

12、=-U，經(jīng)過時間t0，輸出電壓uo即上升達到Uo值使負載動作。 （2）將方波變換為三角波。如果積分運算電路ui為方波，則根據(jù)式（8-9）可畫出uo波形為三角波，ui和uo波形如圖8-15（a）所示。 （3）移相作用。如果積分運算電路中ui為正弦波，則由式(8-9)可求得uo為余弦波，ui和uo波形如圖8-15（b）所示?？梢?，uo超前ui 90，因此積分運算電路可對輸入正弦信號實現(xiàn)移相。圖8-15 積分運算電路的波形變換和移相作用（a）輸入為方波；（b）輸入為正弦波學習情境3 了解電壓比較器的基本知識 電壓比較器是一種用來比較輸入信號ui和參考電壓uR的電路。 一、過零電壓比較器 參考電壓為零

13、的比較器稱為過零比較器(也稱為“零電平比較器”)，它是最為簡單的一種比較器，如圖8-16所示。圖8-16 過零比較器（a）電路；（b）傳輸特性 輸入信號ui經(jīng)電阻R1接至反相輸入端，而同相輸入端接地，有u+=0。根據(jù)前面的介紹，運放工作于非線性區(qū)時，當u+u-時，uo=+UOM；當u-u+時，uo=-UOM。顯然，當ui0時 uo=-UOM （8-12） 也就是說，每當輸入信號越過零時，輸出電壓就要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由一個狀態(tài)躍變到另一個狀態(tài)（由+UOM到-UOM，或者由-UOM到+UOM）。因此，過零比較器能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入信號的過零檢測。利用這一點，可以實現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換。例如，輸入信號是正弦波，輸出信號就變成了矩形波，如圖8-17所示。圖8-17 過零比較器的波形二、單限電壓比較器 將圖8-16（a）中的同相輸入端外接一參考電壓UR，就構(gòu)成了單限比較器，如圖8-18（a）所示。這種比較器的輸出電壓uo其實是輸入電壓ui與參考電壓UR比較的結(jié)果。根據(jù)前面的分析，當uiUR時 uo=-UOM （8-14）這種比較器的輸出特性如圖8-18（b）所示。圖8-18 單限比較器（a）電路；（b