第七章 集成运算放大器的应用
第7章 集成运算放大器
若选取R2 = R3 ; R f = R1则 u0 u I1 u I 2
图中R2 // R3= R1 // Rf
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7.3.4 信号信号转换电路
1．电源变换电路
在电源变换电路中，有
电压-电压变换、电压-
电压-电压变换电路
电流变换、电流-电压 变换和电流-电流变换
。在非电量转换成电信
号的电路中，有光-电
)u I
（l）输出与输入信号相位相同；
（2）输出信号是输入信号的1
Rf R1
倍；
（3）输入阻抗较大，约等于rid； （4）输出阻抗较小； （5）同相输入端与反相输入端之间为虚短； （6）不存在虚地现象； （7）存在共模输入信号。
同相比例运 算电路的特
点
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2．同相加法运算电路
i2
uI1 u R2
化学工业出版社
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7.1.2 差动放大电路 1．电路组成及原理
2．差模信号和差模放大倍数
uid= ui1—ui2
Ad= A1≈
RC Rb rbe
3．共模信号和共模抑制比
u =u =u iC
iC1
iC2
KCMRR=
Ad Ac
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7.2 集成运算放大器
7.2.1 集成运算放大器的基本组成
重要结论
u+＝u– 虚 短i+＝i –＝0 虚
断
理想集成运算放大器的符号
电压传输特性
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7.3.2 反相输入运算电路的分析方法
1．反相比例运算电路
利用虚地的概念可知 u + ＝u – ＝0
i1
uI u R1
uI 0 R1
07.集成运算放大器的应用分析
返回>>第七章集成运算放大器的应用§集成运放应用基础集成运放最早应用于信号的运算，它可对信号完成加、减、乘、除、对数、 微分、积分等基本运算，所以称为运算放大器。
目前集成运放的应用几乎渗透 到电子技术的各个领域，除运算外还可以对信号进行处理、变换和测量，也可 用来产生正弦信号和各种非正弦信号，成为电子系统的基本功能单元。
本章先 介绍运算电路，随后介绍其它应用。
集成运放低频等效电路一、 低频等效电路在电路中我们将集成运放作为一个完整的独立器件来对待。
因此，计算、 分析时将集成运放用等效电路来代替，由于集成运放主要应用在频率不高的场 合下，所以只讨论在低频时的等效电路，如下图所示。
二、 理想集成运算放大电路大多数情况下，将集成运放视为理想集成运放。
所谓理想集成运放，就是 将集成运放的各项技术指标理想化。
即：⑴开环差模电压放大倍数A od = X ⑵输入电阻r id =x ； r ic = X ； ⑶输入偏置电流I B1= I B2=0 ；dU IO dl IO⑷失调电压U io 、失调电流l io 以及它们的温漂 dT dT 均为零； ⑸共模抑制比CMRR= X; ⑹输出电阻r od =0；(7)-3dB 带宽 fh= X ；⑻无干扰、噪声。
由于实际集成运放与理想集成运放比较接近，因此在分析、计算应用电路 时，用理想集成运放代替实际集成运放所带来的误差并不严重，在一般工程计 算中是允许的。
本章中凡未特别说明，均将集成运放视为理想集成运放来考虑。
三、集成运放的线性工作区1线性工作区放大器的线性工作区是指是指输出电压U o 与输入电压U i 成正比时的输入(b)运放符号Q)简化等效电路电压U i 的取值范围。
U imin〜U iU o 与U i 成正比，可表示为所以II _ U omin I I U i min = ~AUi maxA ,为讨论方便，我们作如下约定 U +—代表运放同相端的电位U -—代表运放反相端的电位U +- = U + — U - U -+ = U -—U +其中U + —与 U —+都是运放的差模输入电压，只是两者的规定正方向相反。
7章集成电路运算放大器的线性运用
同相输入 uo1 uo2
同相输入
差分输入
对共模信号： uO1 = uO2
则 uO = 0
对差模信号： R1 中点为交流地
模 拟电子技术
uO1
(1
R2 R1 /
2
)uI1
，
uO2
(1
R2 R1 /
2
)uI
2
，
uO
R4 R3
(uo2
uo1 )
R4 R3
(1
2 R2 R1
)( uI1
uo
f
1 2
ui R
模 拟电子技术
7.2.4 微分与积分运算 一、微分运算
R2 = Rf 微分电路输出电压:
虚地
i1 iF
虚断
i1
C1
duI dt
uO
uI
iF
Rf
Rf C1
duI dt
RfC1 = — 时间常数 O uO
t
O
t
模 拟电子技术
二、积分运算
模 拟电子技术
模 拟电子技术
二、减法运算
法 1：利用叠加定理
uI2 =
0
uI1 使：uO1
Rf R1
uI1
uI1 =
0
uI2 使：uO2
(1
Rf R1
)u
法 2：利用虚短、虚断
u
uO R1 R1 Rf
uI1 Rf R1 Rf
uO2
(1
Rf R1
)
Rf R1 Rf
实验七 集成运算放大器的应用
实验2.2集成运算放大器的应用1.实验目的（1）学习正确使用集成运算放大器的方法。
（2）掌握集成运算放大器在模拟信号运算方面的应用。
（3）掌握电压比较器的特性。
2.实验预习要求（1）按照本实验的“实验内容及要求”（1）、（2），画出各实验电路图，并标出图中电阻的阻值和运放的引脚号码。
（2）画出图2.2.3所示电压比较器的电压传输特性，说明参考电压对电压传输特性的影响，并分析输出波形与输入波形的关系。
（3）如何通过测量手段判断集成运放是否工作在线性区？3.实验仪器和设备序号名称型号数量1电子技术实验箱BDCL1台2数字式万用表UT511块3功率函数发生器DF16311台4数字存储示波器TDS10021台5集成运算放大器μA7411片6硅稳压管2CW11/14各2只4.实验器件介绍（1）本实验采用通用型集成运算放大器μA741，它具有较高的开环电压放大倍数A u0（105~108），高输入阻抗r id（约为2MΩ），高共模抑制比等特点。
集成运放μA741为8脚、双列直插式扁平封装，各引脚功能如下表所示。
电源端输入端输出端接调零电位器空脚+U CC-U EE u+u-u o OA1OA2NC74326158（2）集成运算放大器μA741电源电压的允许范围为±9V~±18V。
本实验中取正电源为+U CC=+15V，负电源为-U EE=-15V。
（3）硅稳压管2CW11和2CW14的电参数如下表所示。
名称型号稳定电压稳定电流最大稳定电流硅稳压管2CW11 3.2~4.5V10.5mA55mA 2CW146~7.5V10mA33mA5.电子电路实验注意事项（1）接好线路经检查正确无误后再通电，严禁带电接线，以免造成设备损坏。
（2）实验所用到的芯片、电阻器、电容器、二极管、稳压管等元器件由实验箱提供。
（3）在实验中整个实验系统应共“地”：将函数发生器的“-”、示波器的“地”、毫伏表的“地”、以及电路中所有“地（⊥）”均应连接在一起，成为一个“公共端”。
实验七、集成运算放大器的基本应用 《电子技术基础实验(模拟、数字)》模电课件
• 理想运放在线性应用的两个重要特点
1、由于理想运放Avd＝∞，u0为有限值，因而净 输入电压uP－uN＝0，即uP = uN，称为“虚
短”。 2、由于净输入电压为0，因为理想运放的输入电
阻Ri＝∞，所以两个输入端之间的输入电流
为零，即ip=iN=0，称为“虚断”。
在运算电路中，无论输入电压，还是输 出电压，均对“地”而言。
反相比例运算电路的输出电压与输入电压之
间的反关相系比为例：U放大0
RF R1
Ui
R2 R1//RF
器的输出电压取决
于RF与R1的比值。 若RF＝R1时，
则UO=−Ui，称为 反相跟随器。
四川大学电工电子实验中心
2．同相比例运算电路
如图所示。信号Ui从同相输入端输入，输
出电压U0与输入电压Ui的关系为：
《模拟电子技术实验》
四川大学电工电子实验中心
四川大学电工电子实验中心
四川大学电工电子实验中心
• 集成运放的电压传输特性
同相输入端uP：指输出电压与输入电压相位相同。
反相输入端uN：指输出电压与输入电压相位相反。
集成运放的电压传输特性：输出电压与输入电压的
关系曲线—— uof upun
同相输入端
U0R R1 3 R RF 3＋ R R21Ui2R RF 1Ui1
当 R1R2,R3R4时，
则：Uo
RF R1
(Ui2
Ui1)
扫描方式
若RF＝R1
，则
U0
Ui2Ui1
四川大学电工电子实验中心
5．反相比例积分电路 如图当所输示入，端在加理上想幅条值件为下，U的uo(方t)波电R11C 压0t，uid并t设uc(u0()c)=0，
集成运算放大器及应用—集成运算放大器(电子技术课件)
（a）新国标符号
（b）以往用过的符号
图3.1.2 集成运放的符号
4.集成运放实物 （1）封装形式、引脚排列
金属壳封装
双列直插式 塑料封装
图3.1.3 集成运放封装与引脚图
图3.1.4 LM324引脚图
（2）运算放大器外形图
图3.1.5 集成运放实物图
三、理想集成运放的主要参数 1.理想集成运放
4.共模抑制比 KCMR 反映了集成运放对共模信号的抑制能力。
5.输入失调电压、电流 U IO 0 I IO 0 它是指集成运放输出电压为零时，两个输入端所加补偿电压的大小、两个输
入端的静态电流之差均为零。 6.上限截止频率 f H
反映集成运放的频率特性。
集成运放的线性应用（一）
3.2.1 集成运放的线性应用（一）
差模信号是指 ui1 = – ui2，即两个输入信号大小相同，极性相反。 共模信号是指 ui1 = ui2 ，即两个输入信号大小相同，极性相同。
2.输入电阻 rid
它是指集成运放在开环状态下，输入差模信号时两输入端之间的动态电阻， 反映差模输入时，集成运放向信号源索取电流的大小。
3.输出电阻 ro 0
二、集成运放的组成及符号 1.集成运放的组成框图
uid +
输入级
中间电压 放大级
输出级 uo
偏置电路
图3.1.1 集成运放的组成框图
2.各组成部分的特点
采用差分放大电路。要求输入电阻 高，输入端耐压高，抑制温度漂移 能力强，静态电流小。
采用共发射极放大 电路。要求有足够 的放大能力。
采用互补对称输出电 路。要求输出电压范 围宽，输出电阻小， 非线性失真小。
一、线性区的集成运放
项目七集成运算放大器的应用
电工电子技术
项目七 集成运算放大器的应用
4. 反馈的分类
判断法：瞬时极性法
（1） 正反馈和负反馈
正反馈 — 反馈使净输入电量增加，
从而使输出量增大。
负（2） 直流反馈和交流反馈 直流反馈 — 直流信号的反馈。 交流反馈 — 交流信号的反馈。
电气工程系
u+ < u –时, uo= –UOmax
电气工程系
电工电子技术
项目七 集成运算放大器的应用
任务三十一：放大电路中的负反馈及其应用
能力目标1：
会用反馈概念判断反馈类型
能力目标2： 能力目标3：
会按放大电路要求选择合适 的负反馈
能应用深度负反馈放大电路 的特点估算闭环电压增益
电气工程系
电工电子技术
电气工程系
电工电子技术
项目七 集成运算放大器的应用
2. 集成运放组成及电路符号
u+id 输入级
中间级 偏置电路
输出级 uo
输 入 级 ： 差分电路，大大减少温漂。 中 间 级 ： 采用有源负载的共发射极电路，增益大。 输 出 级 ： OCL 电路，带负载能力强 偏置电路： 镜像电流源，微电流源。
电气工程系
若反馈仍存在则为电流反馈。
— 闭环
输入
放大电路 输出
电气工程系
反馈网络
电工电子技术
项目七 集成运算放大器的应用
3. 反馈的组成和基本关系式
xi + xid A
比较 环节
–
xf 基本放大电路
反馈网络 F
开环放大倍数 A xo
反馈系数 F xf xid
闭环放大倍数
xo Af
xo xi
Af
集成运算放大器及应用—集成运放的非线性应用(电子技术课件)
(a)反相输入
(b)同相输入
图3.3.9 输入保护电路
(3)输出保护 利用稳压管V1和V2接成反向串联电路。若输出端出现过高电压，集成运放输
出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。
由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。
3.保护电路 (1)电源极性的保护 利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏。当
电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起 到保护作用。
图3.3.8 电源极性保护电路
(2)输入保护 利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏
由图可见，他们之间存在差值称为回差电 压或迟滞宽度u，用 表示，即：
图3.3.7 滞回电压比较器的传输特性
u Uth1 Uth2
三、集成运放使用常识 1.零点调整 方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。 2.消除自激振荡 方法：加阻容补偿网络。具体参数和接法可查阅使用说明书。目前，
滞回比较器具有两个不同的阈值，且相差较大（通常称我电压 滞回特性），即惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。
（1）滞回电压比较器中的阈值电压
图3.3.6 滞回电压比较器
当 uo U om 时，集成运放同相
输入端的电位为：
u
R1 R1 R2
F
Uth1
（2）滞回电压比较器中的阈值电压
图3.3.6 滞回电压比较器
当 uo U om 时，集成运放同相输入端
的电位为：
u
模拟电路第七章
du i t uo t CR dt
28
利用加法器和积分器可以用电路解微分方程：
d 2 uo duo uo 例： dt2 3 dt 4 ui
其中：ui U im cost
求uo=? 解：
d uo duo duo uo 2 dt ui 3 dt dt dt 4 dt
1 t 1 uo t ic t dt U C ( 0) C RC
u t dt
t 0 i
27
U C ( 0) t=0时电容器C两端的初始电压
二、 微分器
iR iC
0 Uo Uo iR R R
du c (t ) du i (t ) iC C C dt dt
R2
R4
R1 －
R3
＋
R2 R4
uo1
图7—4 相减器电路
24
R1 －
ui1 ＋ R2
R3 uo1
R3 uo1 (1 )U R1 R3 R4 (1 )( )ui1 R1 R2 R4
R3 uo 2 ui 2 R1
uo2
R4
R1 ui2
－
＋ R2 R4
R3
uo uo1 uo2
又因为 if=i1+i2+i3，则
uo i f R f
uo
Rf R
(ui1 ui 2 ui 3 )
20
例1 试设计一个相加器，完成uo= -(2ui1+3ui2)的运 算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均≥100kΩ。 解: 为满足输入电阻均≥100kΩ，选R2=100kΩ，
14
集成运算放大器的应用
设乘法器和集成运放均为理想组件。根据叠加原理和集成运放虚短、虚地的概念，则有
(7-48)
为保证平方器有源反馈网络使电路为负反馈，ui必须为负值。当ui>0时，可采用反相乘法器，也能满足反馈极性为负。二极管的作用是防止输入电压ui为正时电路闭锁。R3为二极管提供直流通路。 同理，对于开m次方运算，只要将m次乘方运算电路接到运放的反馈回路中即可实现。
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图7-13 例7-4选用的电路
2
*
四、积分电路
图7-14 无源RC积分电路及输入输出波形
积分电路的输出电压与输入电压成积分关系。 根据输入电压加到集成运放的反相输入端或同相输入端，有反相积分电路和同相积分电路两种基本形式。
*
(一) 反相积分电路
反相比例电路中的反馈元件Rf 用电容C代替，输入回路电阻R1 仍是电阻R，便可构成图7-15所示的反相积分电路。
图7-16 阶跃电压作用时的uo波形
*
(二) 反相求和积分电路
如果在基本反相积分电路的反相端加入多个输入信号，便构成如图7-18所示的反相求和积分电路(图中有两个输入信号)。
图7-18 反相求和积分电路
*
7.2 集成模拟乘法器
一、概述
模拟乘法器是两个互不相关的模拟信号实现相乘作用的有源网络。集成模拟乘法器一般有两个输入端和一个输出端，是一个三端口的非线性有源器件。有同相模拟乘法器和反相模拟乘法器两种。它们的输出电压与输入电压的函数关系为 同相乘法器 uo=KuXuY 反相乘法器 uo= −KuXuY 其中，K为正数，称为增益系数，常数K=0.1V−1。集成模拟乘法器功能符号如图7-31所示。