J電工電子技術(shù)基礎(chǔ)電子電工電子技術(shù) 集成運算放大器

會計學(xué)1J電工電子技術(shù)基礎(chǔ)電子電工電子技術(shù)集成運算放大器第8章集成運算放大器8.2集成運放的應(yīng)用8.1集成運算放大器第二篇第1頁/共18頁學(xué)習(xí)集成運算放大器學(xué)習(xí)目的與要求1.了解和熟悉集成運算放大器的組成及其圖符號；2.掌握集成運放的理想化條件及其分析方法；3.理解集成運放的線性應(yīng)用及其工作原理；4.了解一般集成運放的簡單非線性應(yīng)用。第2頁第2頁/共18頁

1．集成運算放大器概述

集成運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，一般由四部分組成。8.1

集成運算放大器

輸入級一般是差動放大器，利用其對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和電路性能，輸入級有反相輸入端、同相輸入端兩個輸入端；中間級的主要作用是提高電壓增益，一般由多級放大電路組成；輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些過載保護(hù)電路及高頻補償環(huán)節(jié)等輔助環(huán)節(jié)。集成電路的幾種外形第2頁第3頁/共18頁左圖所示為μA741集成運算放大器的芯片實物外形圖

從實物外形圖上可看出，μA741集成運放有8個管腳，管腳的排列圖、電路圖符號如下：1μA7412876543空腳正電源端輸出端調(diào)零端調(diào)零端反相輸入端同相輸入端負(fù)電源端集成運放的電路圖符號∞＋＋－U0U+U-同相輸入反相輸入∞＋＋－+12V輸出6513724-12V調(diào)零電位器外部接線圖第2頁第4頁/共18頁

2．集成運算的主要技術(shù)指標(biāo)（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0

指集成運放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無負(fù)反饋情況下的直流差模電壓增益。集成運放的Au0一般很高，約為104～107；

集成運放的差動輸入電阻很高，可高達(dá)幾十千歐和幾十兆歐；由于運放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間；（2）差模輸入電阻ri和輸出電阻r0（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0

指運放兩個輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個電壓時，運放的輸入級將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。（3）最大共模輸入電壓Uicmax第2頁第5頁/共18頁

3．理想集成運算及其傳輸特性Auo=∞、ri=∞、r0=0、KCMR=∞。理想特性集成運放的電壓傳輸特性u0(V)ui(mV)0＋U0M－U0M實際特性根據(jù)集成運放的實際特性和理想特性，可畫出相應(yīng)的電壓傳輸特性。

為簡化分析過程，同時又能滿足實際工程的需要，常把集成運放理想化，集成運放的理想化參數(shù)為：

電壓傳輸特性給出了集成運放開環(huán)時輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系。

可以看出，當(dāng)集成運放工作在線性區(qū)（+U0M~－U0M)時，其實際特性與理想特性非常接近；由于集成運放的電壓放大倍數(shù)相當(dāng)高，即使輸入電壓很小，也足以讓運放工作在飽和狀態(tài)—使輸出電壓保持穩(wěn)定。線性區(qū)飽和區(qū)輸出、輸入電壓的關(guān)系：第2頁第6頁/共18頁

根據(jù)集成運放的理想化條件，可以導(dǎo)出兩個結(jié)論，作為集成運放在線性區(qū)工作的重要分析依據(jù)：（1）虛斷：由ri=∞，得i＋＝i－＝0，即理想運放內(nèi)部不需要向信號源索取任何電流，兩個輸入端的電流恒為零。電流為零相當(dāng)于斷路，但實際上兩個輸入端并未真正斷開，因此稱為虛斷；（2）虛短：由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想運放兩個輸入端的電位相等。兩點等電位相當(dāng)于短路，實際上兩個輸入端并未真正短接，因此稱為虛短。1.集成運放由哪幾部分組成，各部分的主要作用是什么？2.理想運放的特點是什么？3.工作在線性區(qū)的理想運放有哪兩條重要結(jié)論？何謂“虛斷”？“虛短”？第2頁第7頁/共18頁

1．反相比例運算電路

集成運放的應(yīng)用分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩大類。當(dāng)集成運放通過外接電路引入負(fù)反饋時，集成運放成閉環(huán)并工作在線性區(qū)，可構(gòu)成模擬信號運算放大電路、正弦波振蕩電路和有源濾波電路等；若工作在非線性區(qū)，集成運放則可構(gòu)成各種電壓比較器和矩形波發(fā)生器等。先介紹集成運放的線性應(yīng)用。8.2

集成運放的應(yīng)用式中負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓的相位相反∞＋＋－+12Vu06513724-12VR2R1uii1ifRFR2是平衡電阻：第2頁第8頁/共18頁

2．同相比例運算電路

∞＋＋－+12Vu06513724-12VR2R1uii1ifRF

可見同相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)必定大于1，而且僅由外接電阻的數(shù)值來決定，與運放本身的參數(shù)無關(guān)。第2頁第9頁/共18頁

3．加、減法運算電路

（1）加法運算電路∞＋＋－+12Vu06513724-12VRPR3ui3i3ifRFR1ui1i1R2ui2i2當(dāng)R1=R2=R3=RF時：若再有R1=RF時，則：第2頁第10頁/共18頁例：

可見加法運算電路也和運放本身的參數(shù)無關(guān)，只要外接電阻阻值足夠精確，就可以保證加法運算的精度和穩(wěn)定性。

減法運算電路工作過程自行分析。（2）減法運算電路∞＋＋－+12Vu06513724-12VR3R1ui1i1ifRFR2ui2求出下圖電路中u0、ui的關(guān)系。解：電路由第一級的反相器和第二級的加法運算電路級聯(lián)而成，因此：第2頁第11頁/共18頁

4．微分、積分運算電路

（1）積分運算電路ui為恒定電壓時積分電路uo的波形第2頁第12頁/共18頁（2）微分運算電路第2頁第13頁/共18頁5．集成運算放大電路的非線性應(yīng)用——電壓比較器

運算放大器處在開環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運算放大器便進(jìn)入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達(dá)到最大值UOM。第2頁第14頁/共18頁基準(zhǔn)電壓UR=0時，輸入電壓ui與零電位比較，稱為過零比較器。

輸出端接穩(wěn)壓管限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷?，則ui>UR時，穩(wěn)壓管正向?qū)?，uo=0；ui<UR時，穩(wěn)壓管反向擊穿，uo=UZ時。第2頁第15頁/共18頁

輸出端接雙向穩(wěn)壓管進(jìn)行雙向限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷?，則ui>UR時，穩(wěn)壓管正向?qū)?，uo=－UZ；ui<UR時，穩(wěn)壓管反向擊穿，uo=＋UZ時。

電壓比較器廣泛應(yīng)用在模-數(shù)接口、電平檢測及波形變換等領(lǐng)域。右圖所示為用過零比較器把正弦波變換為矩形波的例子。第2頁第16頁/共1