集成运算放大电路演示课件

1
1 集成运算放大器 1.1 集成运算放大器的组成框图 集成运算放大器内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器，其内部组成 原理框图如图3.1所示，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等4部分组成。
图3.1 集成运算放大器内部组成原理框图
（1）输入级。要求其输入电阻高。为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信 号，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路，也称为差动输入级。
Uo＝－
Rf R1
U
i1 ＋
R R
f 2
U
i2
＋
R R
f 3
U
i3
当R1＝R2＝R3＝R时，Uo＝－
R R
f
(Ui1＋Ui2＋Ui3)
当Rf＝R时，Uo＝－(Ui1＋Ui2＋Ui3) 上式中比例系数为－1，实现了加法运算。
图3.7 反相加法器
11
2. 差动输入与减法运算 两个输入端都有信号输入，称为差动输入。
图3.15 消除自激电路
18
3. 保护措施 集成运算放大器在使用时由于输入、输出电压过大，输出短路及电源 极性接反等原因会造成集成运算放大器损坏，因此需要采取保护措施。
图3.16 保护措施
19
5 常用的集成运放简介
1. μA741（LM741）与1458双运放 图3.17为741电路。741为带调零端的集成运放，管脚1和5接调零电阻。 图3.18为1458双运放电路。1458集成了两个相同、且等于741的电路。
图3.12 简单的电压比较器
15
比较器也可以用于波形变换。例如，比较器的输入电压Ui是正弦波信号， 若UR＝0，则每过0一次，输出状态就要翻转一次，如图3.13（a）所示。对 于如图3.13所示的简单的电压比较器，若UR＝0，当Ui在正半周时，由于Ui＞ 0，则Uo＝－Uom，负半周时Ui＜0，则Uo＝Uom。若UR为一恒压U，只要输 入电压在基准电压UR处稍有正负变化，输出电压Uo就在负的最大值到正的最 大值之间作相应的变化，如图3.13（b）所示。
u与idu=idu呈od线/A性ud，放不大超关过系±，0称.1为8m线V性。工也作就区是。说若，u当id
u id 在 0～0.18mV之间时 ，uod
超过0.18mV，则集成运算放大器
内部的输出级晶体管进入饱和区工作，输出电压uod的值近似等于电源电压，与uid不再
呈线性关系，故称为非线性工作区。
图3.3 集成运算放大器的电压传输特性曲线
5
2．集成运算放大器的线性应用
集成运算放大器工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。当集成 运算放大器工作在线性区时，输出电压在有限值之间变化，而集成运算放 大器的Aud→∞，则uid＝uod / Aud≈0，由 uid ＝u+－u － ，得u+≈u － ，此式 说明，同相端和反相端电压几乎相等，称为虚假短路，简称“虚短”。由 集成运算放大器的输入电阻 rid→∞，得i+≈i-≈0。此式说明，流入集成运算 放大器同相端和反相端的电流几乎为0，称为虚假断路，简称“虚断”。
3．输入电阻，输出电阻 由于采用了深度电压串联负反馈，该电路具有
-
uo
很高的输入电阻和很低的输出电阻(Rif→∞，Ro→0)， 这是同相输入式放大电路的重要特点。
ui
+
图3.6 电压跟随器
10
2.3 加法、减法运算 1. 加法运算
同相输入端的平衡电阻
R4＝ R1//R2//R3//Rf
根据叠加原理可得到：
∞ 表示放大倍数为∞。
图3.2 集成运算放大器的符号
“＋”表示同相输入端；“－”表示反相输入端。若反相输入端接地， 信号由同相输入端输入，则输出信号和输入信号的相位相同；若将同相输入 端接地，信号从反相输入端输入，则输出信号和输入信号相位相反。集成运 放的引脚除输入、输出端外，还有正、负电源端，有的集成运算放大器有调 零端，如μA741等。
3
1.2 理想集成运算放大器 满足下列条件的运算放大器称为理想集成运算放大器。 （1）开环差模电压放大倍数Aud →∞； （2）差模输入电阻 Rid→∞； （3）输出电阻 RO→0； （4）共模抑制比→∞； （5）输入偏置电流＝0； （6）失调电压、失调电流及温漂为0 利用理想集成运算放大器分析电路时，由于集成运算放大器接近于
1
同相输入式放大电路，U＋和U－相等，相当 于短路，称为“虚短”。由于U＋＝Ui，U－＝Uf， 则U＋＝U－＝Ui＝Uf。又由于U＋＝U－≠0，所以， 在运算放大器的两端引入了共模电压，其大小
接近于Ui。
2
图3.5 同相输入式放大电路
R1和Rf组成分压器，反馈电压：
Uf＝Uo
R1 Rf＋
R1
由于Ui＝Uf，因此
Ui＝Uo
R1 Rf＋ R1
得到 Uo＝
R
＋
f
R
1
R
1
Ui
＝ 1 ＋Rf R1Ui由上式可得电压放大倍数（比例系数）
Auf＝
U U
o i
＝1＋ R f R1
9
同相输入式放大电路中输出电压与输入电压的相位相同，大小成比 例关系，比例系数等于(1＋Rf /R1)，此值与运算放大器本身的参数无关。
在图3.5中，如果把Rf短路(Rf＝0)，把R1断开（R1→∞），则Auf＝1， 即输入信号Ui和输出信号Uo大小相等、相位相同。我们把这种电路称为电 压跟随器，如图3.6所示。由集成运算放大器组成的电压跟随器比由射极输 出器组成的电压跟随器性能好，其输入电阻更高，输出电阻更小，性能更 稳定。
图3.13 正弦波变换方波
16
4 集成运算放大器在应用中的实际问题 1．调零 实际运算放大器的失调电压、失调电流都不为零，因此，当输入信号
为零时，输出信号不为零。有些运算放大器没有调零端子，需接上调零 电位器RP进行调零，如图3.14所示。
图3.14 辅助调零措施
17
2. 消除自激 集成运算放大器内部是一个多级放大电路，而运算放大器又引入了 深度负反馈，在工作时容易产生自激振荡。大多数集成运算放大器在内 部都设置了消除自激的补偿网络，有些运算放大器引出了消振端子，用 外接RC消除自激现象。实际使用时可按图3.15所示，在电源端、反馈支 路及输入端连接电容或阻容支路来消除自激。
理想运算放大器，所以造成的误差很小，本章若无特别说明，集成运 算放大器均按理想运算放大器对待。
4
1.3 集成运算放大器的电压传输特性 1．电压传输特性
实际电路中集成运算放大器的传输特性如图3.3所示。图中曲线上升部分的
斜率为开环电压放大倍数Aud，以μA741为例，其开环电压放大倍数Aud可达 105，最大输出电压受到电源电压的限制，不超过±18V，此时，输入端的电压
由此可以看出，输入信号Ui与输出信号Uo 有微分关系，即实现了微分运算。负号表示输 出信号与输入信号反相，RfC为微分时间常数， 其值越大，微分作用越强。
图3.11 微分运算电路
14
3 电压比较器 如图3.12（a）所示电路为简单的单限电压比较器。图中反相输入端接 输入信号Ui，同相输入端接基准电压UR。集成运算放大器处于开环工作状 态，当Ui＜UR时，输出为高电位＋Uom，当Ui＞UR时，输出为低电位－Uom， 其传输特性如图3.12（b）所示。 由图可见，只要输入电压相对于基准电压UR发生微小的正负变化时， 输出电压Uo就在负的最大值到正的最大值之间作相应的变化。
3 当集成运算放大器工作在开环状态或外接正反馈时，由于集成运算放大器 的Aud很大，只要有微小的电压信号输入，集成运算放大器就一定工作在非线 性区。其特点是：输出电压只有两种状态，不是正饱和电压＋Uom，就是负饱 和电压－Uom。 （1）当同相端电压大于反相端电压，即u＋＞u－ 时，uo＝＋Uom。 （2）当反相端电压大于同相端电压，即u＋＜u－ 时，uo＝－Uom。
集成运算放大电路
1 集成运算放大器 1.1 集成运算放大器的组成框图 1.2 理想集成运算放大器 1.3 集成运算放大器的电压传输特性 2 基本运算电路 2.1 反相输入式比例运算放大电路 2.2 同相输入式放大电路 2.3 加法、减法运算 2.4 积分、微分运算 3 电压比较器 4 集成运算放大器在应用中的实际问题
调零 1 U- 2 U+ 3
-V 4
-
+
8 NC
7 +V
6 UO 5 调零
图3.17 集成运放741
图3.18 双集成运放1458
20
2. LM324 LM324四运放电路。该型运放可工作在单电源，电压范围3～30V， 增益可达100dB，是一款应用较广的电路
21
－ U Rf
o
＝
－U R
o f
Ii ＝
U i－ U R1
＝U i R1
由于I－＝Ii′≈0，因此If＝Ii，即
Auf
＝－
R R
f 1
为比例系数 。
Ui
U ＝－
o
R1
Rf
图3.4 反相输入式放大电路
U Auf＝ U
o i
＝－ R f R1
7
Rf＝R1时，Auf＝－1，即输出电压和输入电压的大小相等，相 位相反，此电路称为反相器。
同相输入端电阻R2用于保持运算放大器的静态平衡，要求R2＝R1∥Rf ， 故R2称为平衡电阻。
3．输入电阻、输出电阻 由于反相输入式放大电路采用的是并联负反馈，所以从输入端看进 去的电阻很小，近似等于R1。由于该放大电路采用电压负反馈，所以其 输出电阻很小，RO≈0。
8
2.2 同相输入式放大电路
Rf为反馈电阻，R2为平衡电阻(R2＝R1∥Rf)。
U idt
图3.10 积分运算电路
13
2．微分运算
微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的电阻、电容互换 位置就可以实现微分运算，如图3.11所示。