1、第4章 集成运算放大器的应用第4章 集成运算放大器的应用目的和要求：目的和要求：1 1、掌握模拟运算电路的基本原理和应用；掌握模拟运算电路的基本原理和应用；2 2、掌握信号处理电路的基本原理和应用；掌握信号处理电路的基本原理和应用；3 3、掌握正弦波振荡器的振荡条件和掌握正弦波振荡器的振荡条件和RC/LCRC/LC振荡器的原理和应用；振荡器的原理和应用；4 4、掌握运算放大器的应用以及运用中的实际问题。掌握运算放大器的应用以及运用中的实际问题。第4章 集成运算放大器的应用4.1.1 作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放
2、大。方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。馈系数有关。第4章 集成运算放大器的应用foiRuRu11RRuuAfioufuo_+RfR1R2uii1i20uu虚短路虚短路i1=i2虚开路虚开路1 1、反相输入比例、反相输入比例运算电路运算电路第4章 集成运算放大器的应用平衡电阻，使输入端对地的静平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。级的对称性。R2=R1 /Rfuo_+RfR
3、1R2uii1i2电位为电位为0 0，虚地，虚地反馈方式反馈方式电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻很小！输出电阻很小！第4章 集成运算放大器的应用2 2、同相输入比例运算电路、同相输入比例运算电路_+R2R1RPuiuou-=u+=ui12RuRuuiioiouRRu)1(121211RRuuAou虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高电压串联负反馈。输入电阻高第4章 集成运算放大器的应用_+uiuoiouuuu此电路是电压并联负反馈，在电路中作用与分离元此电路
4、是电压并联负反馈，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。结构特点：结构特点：输出电压全部引输出电压全部引到反相输入端，信号从同相到反相输入端，信号从同相端输入。端输入。电压跟随器是电压跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。3 3、电压跟随器、电压跟随器第4章 集成运算放大器的应用例例1 1 在图示电路中，已知在图示电路中，已知R1=100k，Rf=200k，ui=1V，求输，求输出电压出电压uo，并说明输入级的作用。，并说明输入级的作用。ui +R2 +uoRfR1uo1解解 输入级为电压跟随器，由于是电压串联
5、负反馈，因而具有极高的输入电阻，起到减轻信号源负担的作用。且V 1o1iuu，作为第二级的输入。第二级为反相输入比例运算电路，因而其输出电压为：(V)21100200o11ouRRuf第4章 集成运算放大器的应用4.1.2 1 1、加法运算电路、加法运算电路作用：作用：将若干个输入信号之和按比例放大。将若干个输入信号之和按比例放大。类型：类型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。数无关，与输入电压和反馈系数
6、有关。第4章 集成运算放大器的应用fRRRR/12113i12iFi11R12_+RfR11ui2uoR3ui10uuFiii1211)(212111ififouRRuRRu反相求和运算反相求和运算调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。入电压和输出电压的比例关系，调节方便。第4章 集成运算放大器的应用2 2、减法运算电路、减法运算电路_+RFR1R2ui2uoR3ui1 uu11RuuRuuiFo312RuRuui1123231)1(iFiFouRRuRRRRRu第4章 集成运算放大器的应用若3R（
7、断开），则：21F11Fo1iiuRRuRRu若21RR，且F3RR，则：)(121FoiiuuRRu若F321RRRR，则：12oiiuuu由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。_+RFR1R2ui2uoR3ui11123231)1(iFiFouRRuRRRRRu第4章 集成运算放大器的应用例例例例 2 2 试试试试用用用用两两两两级级级级运运运运算算算算放放放放大大大大器器器器设设设设计计计计一一一一个个个个加加加加减减减减运运运运算算算算电电电电路路路路，实实实实现现现现以以以以下下下下运运运运算算算算关关关关系系系系：3
8、21o82010iiiuuuu 解解 由题中给出的运算关系可知 ui3与 uo反相，而ui1和 ui2与 uo同相，故可用反相加法运算电路将 ui1和 ui2相加后，其和再与 ui3反相相加，从而可使 ui3反相一次，而 ui1和 ui2反相两次。根据以上分析，可画出实现加减运算的电路图，如图所示。由由图图可可得得：22f211f1o1iiuRRuRRu34f222f111f15f2o15f234f2iiiiuRRuRRuRRRRuRRuRR 第4章 集成运算放大器的应用根据题中的运算要求设置各电阻阻值间的比例关系：15f2RR，101f1RR，202f1RR，84f2RR 若选取k 100f
9、2f1RR，则可求得其余各电阻的阻值分别为：k 101R，k 52R，k 5.124R，k 1005R 平衡电阻 R3、R6的值分别为：k 5.2100/5/10/f1213RRRR k 10100/100/5.12/f2546RRRR ui2 R3 +uo1 ui1 Rf1 R1 R2 R6 +uo ui3 Rf2 R4 R5 A1 A2 第4章 集成运算放大器的应用iRiCui-+RR1CuoRuiiRtuCioCddiR=iCtuRCuiod1结结 论论输出电压与输入电压对时间的积分成正比输出电压与输入电压对时间的积分成正比4.1.3 1 1、积分运算电路、积分运算电路虚开路虚开路虚短路
10、虚短路积分电路积分电路第4章 集成运算放大器的应用iRiCui-+RR1CuotuRCuiod1应用举例：应用举例：积分波形积分波形若ui为恒定电压UtRCUuotui0tuo0U-UomTM积分时限积分时限积分波形积分波形积分电路积分电路第4章 集成运算放大器的应用tui0tuo0方波方波-三角波转换图三角波转换图iRiCui-+RR1Cuo应用举例：应用举例：波形转换波形转换积分电路积分电路tRCUuo设设ui=U(恒定）：恒定）：第4章 集成运算放大器的应用u i+uoRR1i1iRC2 2、微分运算电路、微分运算电路RuioRtuCiidd1Rii 1虚短路虚短路虚开路虚开路tuRCu
11、iodduouiUtt00ui为恒定时的输出波形为恒定时的输出波形第4章 集成运算放大器的应用例例 3 利用积分电路将方波变成三角波时间常数 t=R1Cf=0.1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt 设 uC(0)=0 tutd51.01o1.00ms1.05d)5(1.01o3.01.0ms3.0tut=5 V 第4章 集成运算放大器的应用4.2.1 ：选出所需要的频率范围内的信号，使其顺利通过；选出所需要的频率范围内的信号，使其顺利通过；而对于频率超出此范围的信号，使其不易通过。而对于频率超出此范围的信号，使其不易通过。理想滤波器的频率特性：理想滤波器的频率特性：1 1、按电路
12、功能分类、按电路功能分类:不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为低通、高通、低通、高通、带通和带阻带通和带阻四种。四种。滤波电路的分类：滤波电路的分类：第4章 集成运算放大器的应用 有源滤波器：有源滤波器：由无源元件由无源元件R、C和放大电路构成的滤波器。和放大电路构成的滤波器。放大电路广泛采用带有深度负反馈的集成运算放大器。放大电路广泛采用带有深度负反馈的集成运算放大器。由于集成运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，由于集成运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使滤波器输出和输入间有良好的隔离，便于级联，以构成滤使滤波器输出和输入间有
13、良好的隔离，便于级联，以构成滤波特性好或频率特性有特殊要求的滤波器。波特性好或频率特性有特殊要求的滤波器。无源滤波器：无源滤波器：仅由无源元件仅由无源元件R、C构成的滤波器。无源构成的滤波器。无源滤波器的带负载能力较差，无放大能力。滤波器的带负载能力较差，无放大能力。2.按所用元件分类：按所用元件分类：无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器第4章 集成运算放大器的应用R (a)电路 (b)幅频特性 +RFR1CAufAu21Au0ououiRCjUUCjRCjUUiiC111RCjURRURRUi1111F1Fo第4章 集成运算放大器的应用oFURRRU11iUCRCUj1j1iUCR1
14、1jUUCR11)RR1(UU1FiojRR1RFC+-+iUoU幅频特性AufAu21Au0o第4章 集成运算放大器的应用o1Fo1111jARCjRRUUAuiuf2o1uufAARC1o式中1F1RRAu为通频带放大倍数，RC1o称为截止角频率。电压放大倍数的幅频特性为：幅频特性AufAu21Au0o第4章 集成运算放大器的应用R1RF+-+iUoU高通滤波器高通滤波器RoFURRRU11iUCRRUj1iURC1j11UURCRRUUAFiouf1j11)1(1第4章 集成运算放大器的应用R (a)电路 (b)幅频特性 +RFR1CAufAu21Au0cuouic1Fo11111jAR
15、CjRRUUAuiufRC1o：第4章 集成运算放大器的应用4.2.2 +Cuoui +uG采样保持电路功能：采样保持电路功能：对连续变化的模拟量进行跟踪采样，并将采集到的量值保持一定时间，并在此时间内完成模拟量到数字量转换的电路。工作过程分为：采样和保持两个阶段。第4章 集成运算放大器的应用控制信号控制信号u uG G出现时，电子开关出现时，电子开关接通，输入模拟信号接通，输入模拟信号u ui i经电子开关使保持经电子开关使保持电容电容C C迅速充电，电容迅速充电，电容电压即输出电压电压即输出电压u uo o跟跟随输入模拟信号电压随输入模拟信号电压u ui i的变化而变化。的变化而变化。+C
16、uoui +uG：u uG G=0=0，电子开关断开，保持电容，电子开关断开，保持电容C上的电上的电压因为没有放电回路而得以保持。一直到下一次控压因为没有放电回路而得以保持。一直到下一次控制信号的到来，开始新的采样保持周期。制信号的到来，开始新的采样保持周期。第4章 集成运算放大器的应用4.2.3 uiR2(a)电路 (b)电压传输特性 +R10uoURuiuoURuOMuOM运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，
17、输出电压电压uo达到最大值达到最大值UOM。RUui时，OMoUu；RUui时，OMoUu。第4章 集成运算放大器的应用4.2.3 基本功能：基本功能：对二个输入电压进行比较，判断出哪一个电压大，在输出端输出比较结果。二个输入电压：一个为参考电压，另一个为被比较电压。比较结果；输出二种不同的电平，高电平或低电平，作为“1”或“0”。uoui0+Uom-UomUR传输特性传输特性UR：参考电压：参考电压 ui：被比较信号：被比较信号+uouiUR第4章 集成运算放大器的应用uoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时,uo=-Uom 1、ui从反相端输入从反相端输入+uouiURR1R2第4
18、章 集成运算放大器的应用uoui0+UOM-UOM2、过零比较器、过零比较器:(UR=0时时)uoui0+UOM-UOM+uoui+uouiui从反相端输入从反相端输入ui从从同相端输入同相端输入传输特性传输特性传输特性传输特性第4章 集成运算放大器的应用电路改进电路改进1：用单向稳压管稳定输出电压。用单向稳压管稳定输出电压。uoui0+Uz-UzUR+uiURR1R2uoUZ限制输出电压的大小，与负载电平配合限制输出电压的大小，与负载电平配合第4章 集成运算放大器的应用电路改进电路改进2：用双向限幅比较器。用双向限幅比较器。+uiuo UZRR+uiuo UZ电压比较器的另一种形式电压比较器
19、的另一种形式 将双向稳压管接在负将双向稳压管接在负反馈回路上反馈回路上uoui0+UZ-UZ第4章 集成运算放大器的应用用双向限幅比较器的应用用双向限幅比较器的应用tuiUom-UomtuiUHUL UZ+uiURR1R2uoR把过零的正弦波变换成把过零的正弦波变换成矩形波矩形波第4章 集成运算放大器的应用信号产生电路信号产生电路(振荡器振荡器)分类分类正弦波振荡正弦波振荡:非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器(1 kHz 数百数百 kHz)LC 振荡器振荡器(几百几百 kHz 以上以上)石英晶体振荡器石英晶体振荡器(频率稳定度高频率稳定度高)方波、方波、三角波、三角波、锯齿波等锯齿
20、波等主要性主要性要求能要求能输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频率准确稳定频率准确稳定第4章 集成运算放大器的应用Xi=0Xo由于干扰由于干扰xf 经反馈经反馈网络网络F F由于由于正反馈正反馈Xd 经放大经放大电路电路A A4.3.1 xo增大很快，最后由于饱和而趋于稳定增大很快，最后由于饱和而趋于稳定AFxi=0 +xd+xfxo第4章 集成运算放大器的应用 可见产生自激振荡必须满足dfXX。由于oXFXf，dXAXo，由此可得产生自激振荡的条件为：1FA由于A AA，F FF，所以：1)(FAFAAFFAFA。自激振荡条件又可分为：幅值条件：1AF，表示反馈
21、信号与输入信号的大小相等。相位条件：n2FA，表示反馈信号与输入信号的相位相同，即必须是正反馈。第4章 集成运算放大器的应用4.3.2 R +RFR1CuoRC放大器 反馈网络Z1Z2正弦波振荡器的基本组成部分：正弦波振荡器的基本组成部分：、基本放大电路基本放大电路、正反馈网络正反馈网络、选频网络选频网络 正弦波振荡器的分类：正弦波振荡器的分类：、RC正弦波振荡器正弦波振荡器、LC正弦波振荡器正弦波振荡器第4章 集成运算放大器的应用R +RFR1CuoRC放大器 反馈网络Z1Z21F1RRARCRCjZZZF131212放大器的电压放大倍数为：放大器的电压放大倍数为：反馈网络具有选频作用。反馈
22、网络具有选频作用。RC反馈网络的反馈系数为：反馈网络的反馈系数为：第4章 集成运算放大器的应用RCRCjRRFA13111F 为 满足振荡的相位条件n2FA，上式的虚部必须为零，即：RC1o 可 见 该 电 路 只有 在 这 一 特定 的 频 率 下才 能 形 成 正反 馈。同 时，为 满 足 振 荡 的 幅 值 条 件1AF，因 当o时31F，故 还 必 须 使：311FRRA第4章 集成运算放大器的应用4.4.1 通常是根据实际要求来选用运算放大器。通常是根据实际要求来选用运算放大器。4.4.2 通常是外接通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振消振电路或消振电容，用它来破坏
23、产生自激振荡的条件。荡的条件。4.4.3 调零时应将电路接成闭环。调零时应将电路接成闭环。4.4.4 输入端保护、输出端保护、电源保护。输入端保护、输出端保护、电源保护。4.4.5 第4章 集成运算放大器的应用本章小结本章小结 (1)(1)模拟运算电路的输出电压与输入电压之间有一定的函模拟运算电路的输出电压与输入电压之间有一定的函数关系，如比例运算、加减运算、积分、微分运算以及它们的数关系，如比例运算、加减运算、积分、微分运算以及它们的组合运算等。组合运算等。(2)(2)信号处理电路包括有源滤波器、电压比较器和采样保信号处理电路包括有源滤波器、电压比较器和采样保持电路等。有源滤波器由无源滤波网
24、络和带有深度负反馈的放持电路等。有源滤波器由无源滤波网络和带有深度负反馈的放大电路组成，具有高输入阻抗，低输出阻抗和良好的滤波特性大电路组成，具有高输入阻抗，低输出阻抗和良好的滤波特性等特点。电压比较器是一种差动输入的开环运算放大器，对两等特点。电压比较器是一种差动输入的开环运算放大器，对两个输入电压进行比较，输出规定的高、低电平。个输入电压进行比较，输出规定的高、低电平。第4章 集成运算放大器的应用 (3)(3)正弦波振荡器是一种带有正反馈的放大电路，由反馈正弦波振荡器是一种带有正反馈的放大电路，由反馈网络、选频网络和放大电路组成。当某一频率满足自激振荡网络、选频网络和放大电路组成。当某一频
25、率满足自激振荡条件条件(幅值条件为幅值条件为AF=1AF=1，相位条件为，相位条件为2 2+f f=2n2n)时，便时，便可输出该频率的正弦波。可输出该频率的正弦波。(4)使用运算放大器时要根据实际要求来选用，必要时还使用运算放大器时要根据实际要求来选用，必要时还要注意对运算放大器采取消振、调零、保护要注意对运算放大器采取消振、调零、保护(包括输入端保护、包括输入端保护、输出端保护、电源保护输出端保护、电源保护)等措施，如果负载需要的电流较大，等措施，如果负载需要的电流较大，可在运算放大器的输出端加接一级互补对称电路来扩大输出可在运算放大器的输出端加接一级互补对称电路来扩大输出电流。电流。第4章 集成运算放大器的应用本章作业本章作业习题四：习题四：4-14-1、2 2、9 9、1010、1212、1616、1818、1919、2121、2424
