集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用基礎(chǔ)

第四節(jié)集成運(yùn)算放大器的

應(yīng)用基礎(chǔ)一、理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)二、負(fù)反饋是集成運(yùn)放線性應(yīng)用的必要條件三、運(yùn)算放大器的基本電路四、集成運(yùn)放的線性應(yīng)用一、理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud→∞。（2）差模輸入電阻Rid→∞。（3）輸出電阻RO→0。（4）共模抑制比KCMRR→∞。（5）輸入偏置電流IBI＝IB2＝0。（6）失調(diào)電壓，失調(diào)電流及溫漂為零。

二、負(fù)反饋是集成運(yùn)放線性

應(yīng)用的必要條件

由于集成運(yùn)放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)很大（Aud→∞），而開環(huán)電壓放大倍數(shù)受溫度的影響，很不穩(wěn)定。采用深度負(fù)反饋可以提高其穩(wěn)定性，此外運(yùn)放的開環(huán)帶寬很窄，例如F007只有7Hz。無法適應(yīng)交流信號的放大要求，加負(fù)反饋后可將帶寬擴(kuò)展（1+AF）倍，負(fù)反饋還可以改變輸入、輸出電阻、減小失真、提高穩(wěn)定性等。所以要求集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，采用負(fù)反饋是必要條件。為了便于分析集成運(yùn)放的線性應(yīng)用，我們還需要建立“虛短”與“虛斷”這兩個概念。由于集成運(yùn)放的差模輸入電阻Rid→∞,輸入偏置電流IB≈0，不向外部索取電流，因此兩輸入端電流為零。即Ii-＝Ii＋＝0，這就是說，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時，兩輸入端均無電流，稱為“虛斷”。由于理想運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)為無窮大，最大輸出電壓UO＝Aud（U＋－U-）為一有限值，所以兩輸入端電位近似相同，即U-＝U＋。由此可見，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時，兩輸入端電位相等，稱為“虛短”。三、運(yùn)算放大器的基本電路（一）反相輸入放大電路（二）同相輸入放大電路（一）反相輸入放大電路1．“虛地”的概念2．電壓放大倍數(shù)3.輸入電阻，輸出電阻圖5-15所示為反相輸入放大電路，輸入信號經(jīng)R1加到反相輸入端，Rf為反饋電阻，經(jīng)Rf把輸出信號電壓Uo反饋到反相端，構(gòu)成深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋。

圖5-151．“虛地”的概念由于集成運(yùn)放工作在線性區(qū),U＋＝U-,Ii＋＝Ii-＝0,即流過R2的電流為零。則U＋＝0,U-＝U＋＝0,說明反相端雖然沒有直接接地，但其電位為地電位，相當(dāng)于接地，是“虛假接地”簡稱為“虛地”?！疤摰亍笔欠聪噍斎敕糯箅娐返闹匾攸c(diǎn)。2．電壓放大倍數(shù)If＝＝－Ii＝＝由于Ii＋＝Ii-＝0,則If＝Ii,即

或Auf＝－＝－式中Auf是反相輸入放大電路的電壓放大倍數(shù)。上式表明：反相輸入放大電路中，輸入信號電壓Ui和輸出信號電壓Uo相位相反，大小成比例關(guān)系，比例系數(shù)為，可以直接作為比例運(yùn)算放大器。當(dāng)Rf＝R1時，Auf＝－1，即輸出電壓和輸入電壓的大小相等，相位相反，此電路稱為反相器。同相輸入端電阻R2用于保持運(yùn)放的靜態(tài)平衡，要求R2＝R1∥Rf，R2稱為平衡電阻

3.輸入電阻由于U－＝0，所以反相輸入放大電路的輸入電阻為

Rif＝＝R1

由于反相輸入放大電路采用并聯(lián)負(fù)反饋，所以從輸入端看進(jìn)去的電阻很小，近似等于R1。放大器采用電壓負(fù)反饋，其輸出電阻很小（Ro≈0）。

（二）同相輸入放大電路1．“虛短”的概念

2.電壓放大倍數(shù)

3.輸入電阻、輸出電阻圖5-16所示電路為同相輸入放大電路，輸入信號Ui經(jīng)R2加到集成運(yùn)放的同相端，Rf為反饋電阻，R2為平衡電阻（R2＝R1//Rf）。圖5-161．“虛短”的概念對同相輸入放大電路，U-＝U＋，相當(dāng)于短路，稱為“虛短”。由于U＋＝Ui，U-＝Uf，則U＋＝U-＝Ui＝Uf。If＝IR1＝

2.電壓放大倍數(shù)由圖5-16可見R1和Rf組成分壓器，反饋電壓

由于Ui＝Uf，則

由上式可得電壓放大倍數(shù)

Auf＝＝1+Uf＝Uo

Ui＝Uo或Uo＝Ui＝（1+）Ui上式表明：同相輸入放大電路中輸出電壓與輸入電壓的相位相同，大小成比例關(guān)系，比例系數(shù)（1+）。在圖5-16中如果把Rf短路（Rf＝0），把R1斷開（R1→∞），則Auf＝1。即輸入信號Ui和輸出信號Uo大小相等，相位相同。3.輸入電阻、輸出電阻由于采用了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，該電路具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻。(Rif→∞，Ro→0)。這是同相輸入式放大電路的重要特點(diǎn)。四、集成運(yùn)放的線性應(yīng)用

（一）比例運(yùn)算（二）加法、減法運(yùn)算(三）積分、微分運(yùn)算（一）比例運(yùn)算比例運(yùn)算的代數(shù)方程式是y＝－x。前面介紹的反相輸入式和同相輸入式放大電路的輸入、輸出的電壓的關(guān)系式分別是Uo＝（－）Ui和Uo＝（1+）Ui，其電阻之比是常數(shù)。它們的輸出電壓和輸入電壓之間是比例關(guān)系，因此能實現(xiàn)比例運(yùn)算。調(diào)整Rf和R1的比值，就可以改變比例系數(shù)k。若取反相輸入式放大電路的Rf＝R1，比例系數(shù)k＝－1，Uo＝－Ui，就實現(xiàn)了y＝－x的變號運(yùn)算。（二）加法、減法運(yùn)算加、減法運(yùn)算的代數(shù)方程式是y＝k1X1+K2X2+K3X3+┉，其電路模式為Uo＝K1Ui1+K2Ui2+K3Ui3+┉，電路如圖5-17所示。圖中有三個輸入信號加在反相輸入端，同相輸入端的平衡電阻R4＝R1//R2//R3//Rf，且U－＝U＋＝0。圖5-17（三）積分、微分運(yùn)算1.積分運(yùn)算2.微分運(yùn)算

1.積分運(yùn)算積分運(yùn)算是模擬計算機(jī)中的基本單元電路，數(shù)學(xué)模式為y＝K；電路模式為U＝K,該電路如圖5-20所示。圖5-20在反相輸入放大電路中，將反饋電阻Rf換成電容器C，就成了積分運(yùn)算電路。由于因此由上式可以看出，此電路可以實現(xiàn)積分運(yùn)算，其中K＝－。Uc＝,Uo＝－Uc,I1＝If＝Ic＝

U0＝－2.微分運(yùn)算微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆運(yùn)算。將積分運(yùn)算電路中的電阻，電容互換位置就可以實現(xiàn)微分運(yùn)算，如圖5-21所示。圖5-21由于U＋＝0，I＝0,則因此

U0＝