第11章-集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用-課件

第11章

集成運(yùn)算放大器

及其應(yīng)用

內(nèi)容提要本章主要以集成運(yùn)算放大器組成的實(shí)際電路為例，介紹實(shí)際電路的分析與設(shè)計(jì)，使初學(xué)者能夠初步學(xué)會分析和設(shè)計(jì)實(shí)際電路。11.1集成運(yùn)算放大器的工作特性及分析方法11.2集成運(yùn)放的基本運(yùn)算電路

11.3

應(yīng)用電路分析舉例11.4應(yīng)用電路設(shè)計(jì)舉例圖示電路是由集成運(yùn)算放大器組成的小功率液體電熱恒溫控制電路，其功能是對液體加熱進(jìn)行恒溫控制。當(dāng)液體的溫度低于設(shè)定值時，恒溫控制電路發(fā)出信號，主電路的電熱絲通電，液體加熱；當(dāng)液體的溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)時，恒溫控制電路不發(fā)出信號，主電路中的電熱絲斷電，液體保溫?！疽?/p>

11.1

集成運(yùn)算放大器的工作特性及分析方法集成運(yùn)算放大器（簡稱集成運(yùn)放）是14腳或8腳的集成芯片，其外形和電路符號如圖11.1a、b所示。8腳的芯片集成了一個運(yùn)算放大器，14腳的芯片集成了二個或四個運(yùn)算放大器。

集成運(yùn)算放大器因早期多用于各種數(shù)學(xué)運(yùn)算而得此名。目前，集成運(yùn)放在工程上得到了廣泛的應(yīng)用，例如可進(jìn)行信號的運(yùn)算、信號的處理和信號的產(chǎn)生等等。

11.1.1

集成運(yùn)放的工作特性及主要技術(shù)參數(shù)1.電壓傳輸特性集成運(yùn)放有兩個輸入端，“+”號表示的端子稱為同相輸入端，即在此端輸入電壓時，輸出電壓與輸入電壓同相位；“－”號表示的端子稱為反相輸入端，即在此端輸入電壓時，輸出電壓與輸入電壓反相位。在線性區(qū)時，輸出電壓與輸入電壓之間是線性放大的關(guān)系，即在非線性區(qū)時，輸出電壓與輸入電壓之間是不是線性關(guān)系，即

2.主要技術(shù)參數(shù)（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)

是指集成運(yùn)放的輸出端與輸入端之間沒有外接元件時，在輸入端號時所測出的電壓放大倍數(shù)。加入小電壓信（2）最大輸出電壓

是指集成運(yùn)放在輸出電壓不失真的條件下輸出的最大電壓。電源電壓值。值略小于集成運(yùn)放的工作

（3）輸入電阻

輸入電阻是指集成運(yùn)放的輸入電壓與與輸入電流之比。集成運(yùn)放的都很高，一般在以上。（4）輸出電阻

是指集成運(yùn)放的輸出端的等效電阻。集成運(yùn)放的都很小，一般在幾十以下。（5）共模抑制比是指集成運(yùn)放的差模信號放大放大倍數(shù)和共模信號放大倍數(shù)之比，即大，說明集成運(yùn)放的抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)際使用集成運(yùn)放時，要根據(jù)具體要求選擇合適的型號。常用的集成運(yùn)放有等。運(yùn)算放大器的組成

集成運(yùn)放LM324內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個輸入端一個輸出端正電源負(fù)電源2腳：反相輸入端3腳：同相向輸入端4腳、7腳：正負(fù)電源端6腳：輸出端1腳、5腳：外接調(diào)零端8腳：空腳8個管腳的運(yùn)放在電路符號圖中一般不畫出直流電源端。11.1.2集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法若僅研究集成運(yùn)放對輸入信號的放大問題，不考慮其他因素對電路的影響，可以將集成運(yùn)放用線性來等效，用線性電路的分析方法來分析。1.集成運(yùn)放的等效電路等效電路2.集成運(yùn)放的分析方法為了保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，過無源網(wǎng)絡(luò)將集成運(yùn)放的輸出端必須在電路中引入負(fù)反饋，即通所謂負(fù)反饋就是指將集成運(yùn)放輸出端信號的一部分或全部分通過無源網(wǎng)絡(luò)送回到輸入端，使集成運(yùn)放的輸入量減小。和反相輸入端連接起來，電路如圖所示。理想集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時，由理想集成運(yùn)放的條件可得出以下三個重要分析規(guī)則：(1)輸入端虛短三個重要分析規(guī)則：理想運(yùn)放的輸出電壓為則輸入電壓為由于且為有限值，所以，即可以認(rèn)為反相端和同相端的電位相等，即兩端可視為短路。實(shí)際上，反相端和同相端的電位是趨于相等的，不是真正的短路，所以這種短路稱為輸入端虛短。(2)輸入端虛斷理想運(yùn)放的輸入電流為由于所以有可以認(rèn)為流入反相端和同相端的電流為零，兩輸入端可視為斷路。實(shí)際上，反相端和同相端的電流是趨于零的，不是真正的斷路，所以這種斷路稱為輸入端虛斷。(3)輸入端虛地當(dāng)同相端接地時根據(jù)輸入端虛短，有可以認(rèn)為反相端的電位等于零，即反相端可視為接地。實(shí)際上，反相端的電位是趨于零的，不是真正的接地，所以這種接地稱為輸入端的虛地。

11.2

集成運(yùn)放的基本運(yùn)算電路

集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時，可進(jìn)行比例、加減、乘除、積分、微分、對數(shù)和反對數(shù)等運(yùn)算，本書只介紹前幾種運(yùn)算。反相比例運(yùn)算電路由KCL得由于輸入端虛斷，即則有反相比例運(yùn)算電路由KCL得由于輸入端虛斷，即則有由于輸入端虛短和虛地，即，則有所以所以閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為反相比例運(yùn)算電路靜態(tài)平衡電阻為2.同相比例運(yùn)算電路由于則有由于輸入端虛短，即則有所以可知，電壓放大倍數(shù)3.電壓跟隨器或者當(dāng)【例11.1】在圖示的電路中，已知，電阻，集成運(yùn)放的工作電壓為試求輸出電壓【解】這是兩級運(yùn)算電路，第一級為同相比例運(yùn)算電路，第二級為反相比例運(yùn)算電路4.加法運(yùn)算電路因?yàn)樗詣t當(dāng)時，當(dāng)時，5.減法運(yùn)算電路應(yīng)用疊加原理分析減法運(yùn)算電路：比例運(yùn)算電路，如圖a當(dāng)單獨(dú)作用時，電路變?yōu)榉聪嗨?，有比例運(yùn)算電路，如圖b當(dāng)單獨(dú)作用時，電路變?yōu)橥嗨?，有?dāng)單獨(dú)作用時，比例運(yùn)算電路，如圖b當(dāng)單獨(dú)作用時，電路變?yōu)橥嗨?，有則當(dāng)單獨(dú)作用時，當(dāng)單獨(dú)作用時，當(dāng)時，當(dāng)時，6.積分運(yùn)算電路由KCL得由于輸入端虛斷和虛地，則有則7.微分運(yùn)算電路由于輸入端虛斷和虛地，則有則

11.3

應(yīng)用電路分析舉例分析電路功能的步驟：1.將整個電路分解成各個單元電路。2.分析各單元電路的工作原理。3.估算各單元電路的主要技術(shù)參數(shù)。4.整體電路的性能分析。

1．可調(diào)參考電壓電路

在圖a中，集成運(yùn)放接成同相比例運(yùn)放電路，則輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為在實(shí)際應(yīng)用中，一些電路工作時常需要有參考電壓，提供參考電壓的電路可由集成運(yùn)放組成。

在圖b中，集成運(yùn)放接成減法運(yùn)算電路，反相端和同相端外加同一信號根據(jù)疊加原理得當(dāng)時，當(dāng)時，當(dāng)時，此電路輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍是

2．電壓－電流轉(zhuǎn)換電路

在實(shí)際應(yīng)用中，一些電路工作時常需要將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。在圖a中，根據(jù)虛短、虛斷的概念，有則可見，負(fù)載電流只與輸入電壓和電阻有關(guān)，集成運(yùn)放向負(fù)載提供恒定電流。

此電流源的缺點(diǎn)是負(fù)載不能接地，需要離地浮置。

下圖是用兩個集成運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)載直接接地的電流源電路，首先求當(dāng)輸入端虛斷時，有由于所以

則3．電壓比較器圖中所示電路是由集成運(yùn)放組成的電壓比較器。從電路結(jié)構(gòu)上看，理想運(yùn)放的反相輸入端和輸出端之間沒有跨接線性元件，所以理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)。

理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析依據(jù)是：電壓傳輸特性對于圖(a)電路，有可見，電壓比較器將輸入的任意信號轉(zhuǎn)換為高、低電平。過零電壓比較器當(dāng)輸入為正弦波時，輸出電壓波形為電壓傳輸特性4．恒溫控制電路圖示電路是小功率液體電熱恒溫控制電路，其功能是對液體加熱進(jìn)行恒溫控制。當(dāng)液體的溫度低于設(shè)定值時，恒溫控制電路發(fā)出信號，主電路的電熱絲通電，液體加熱；當(dāng)液體的溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)時，恒溫控制電路不發(fā)出信號，主電路中的電熱絲斷電，液體保溫。工作原理分析：溫控電橋電路溫度傳感器由熱敏電阻R4

代替。當(dāng)液體溫度在要求范圍內(nèi)時，即VA=VB,電橋平衡,輸出信號為零，當(dāng)液體溫度低于設(shè)定值時，即VA<VB，電橋失去平衡，給出加熱信號。溫度信號放大電路溫度信號放大電路由運(yùn)算放大器A1組成，接成差動輸入形式。當(dāng)液體溫度在要求范圍內(nèi)時,即VA=VB

，運(yùn)算放大器的輸出電壓u01=0。當(dāng)液體溫度低于設(shè)定值時,即VA<VB，運(yùn)算放大器有差值信號輸入，經(jīng)過運(yùn)算放大器的放大，送到下一級電路。恒溫預(yù)置電路恒溫預(yù)置電路由運(yùn)算放大器A2組成，接成電壓比較器。調(diào)整電阻R10的阻值，設(shè)定參考電壓值VC，與u01進(jìn)行比較，當(dāng)u01<VC時，u02輸出高電平；當(dāng)u01>VC時,u02輸出低電平。繼電器驅(qū)動電路繼電器驅(qū)動電路由晶體管V、繼電器線圈組成。u02輸出高電平,晶體管V導(dǎo)通，繼電器KT線圈通電，其觸頭動作；當(dāng)

u02輸出低電平時,晶體管V截止，繼電器KT線圈斷電。顯示電路顯示電路由繼電器觸頭和指示燈組成。當(dāng)繼電器KT線圈通電時，其觸頭動作，常開觸頭KT2閉合；紅燈亮，表示液體處于加熱狀態(tài)；當(dāng)繼電器KT線圈斷電時，綠燈亮，表示液體處于恒溫狀態(tài)。

11.4

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)舉例對于應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行：1.任務(wù)要求分析。深刻理解任務(wù)要求的含義；2.確定電路方案。將整個電路按功能分為幾個部分。3.單元電路的設(shè)計(jì)。用最合理的電路設(shè)計(jì)單元電路，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。4.整體電路調(diào)試。

1．可調(diào)參考電壓源的設(shè)計(jì)【例題11.2】試用理想運(yùn)放和若干電阻設(shè)計(jì)一個－5V～＋5V的連續(xù)可調(diào)的參考電壓源。【解】（1）確定電路方案。由于要求參考電壓從－5V～＋5V連續(xù)可調(diào)，所以集成運(yùn)放采用放大倍數(shù)為5的減法電路結(jié)構(gòu)，電路如圖所示。（2）選擇集成運(yùn)放，確定電路的工作電壓。集成運(yùn)放選擇LM324，其工作電壓為

（3）確定集成運(yùn)放輸出與輸入的關(guān)系式。

根據(jù)疊加原理，有（3）確定集成運(yùn)放輸出與輸入的關(guān)系式。

根據(jù)疊加原理，有（4）確定電阻當(dāng)時，則則故選（5）確定電位器和

電位器也要選大些，選當(dāng)時，則則整理得所以有（5）確定電位器和

選當(dāng)時，當(dāng)時，當(dāng)時，實(shí)現(xiàn)了參考電壓從－5V～＋5V連續(xù)可調(diào)。2．濾波器的設(shè)計(jì)

【例題11.3】設(shè)計(jì)一個截止頻率為的無源低通濾波器。【解】（1）確定電路的結(jié)構(gòu)。無源低通濾波器可由RC電路或RL電路組成。本題選擇RC電路結(jié)構(gòu),如圖所示。（2）計(jì)算截止角頻率低通濾波器的傳遞函數(shù)為幅頻特性為截止角頻率為本例中的，則（3）選則R、C參數(shù)。實(shí)際中可根據(jù)手頭現(xiàn)有的電阻和電容進(jìn)行選擇。一般先選電容，（4）根據(jù)確定電阻的參數(shù)。當(dāng)時，則選標(biāo)稱值為510的電阻。（5）用仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。本例的仿真電路和幅頻特性曲線如圖a、b所示。圖a)圖b)【例題11.4】設(shè)計(jì)一個截止頻率為，放大倍數(shù)的有源低通濾波器?！窘狻浚?）確定電路結(jié)構(gòu)。有源低通濾波器的傳遞函數(shù)為幅頻特性為【例題11.4】設(shè)計(jì)一個截止頻率為，放大倍數(shù)的有源低通濾波器。（2）計(jì)算截止角頻率（3）選則R、C