集成運算放大器應(yīng)用電路.ppt

第5章集成運算放大器應(yīng)用電路 5 1集成運算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)5 2集成運放的線性應(yīng)用5 3集成運放的非線性應(yīng)用5 4集成運放在應(yīng)用中的實際問題 5 1集成運算放大器應(yīng)用基礎(chǔ) 分析集成運放應(yīng)用電路時 把集成運放看成理想運算放大器 可以使分析簡化 實際集成運放絕大部分接近理想運放 5 1 1理想運算放大器的特點 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IB1 IB2 0 6 失調(diào)電壓 失調(diào)電流及溫漂為0 利用理想運放分析電路時 由于集成運放接近于理想運放 所以造成的誤差很小 本章若無特別說明 均按理想運放對待 5 1 2負反饋是集成運放線性應(yīng)用的必要條件 由于集成運放的開環(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 采用深度負反饋可以提高其穩(wěn)定性 此外運放的開環(huán)頻帶窄 例如F007只有7Hz 無法適應(yīng)交流信號的放大要求 加負反饋后可將頻帶擴展 1 AF 倍 另外負反饋還可以改變輸入 輸出電阻等 所以要使集成運放工作在線性區(qū) 采用負反饋是必要條件 為了便于分析集成運放的線性應(yīng)用 我們還需要建立 虛短 與 虛斷 這兩個概念 1 由于集成運放的差模開環(huán)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 集成運放工作在線性區(qū)時 兩輸入端均無電流 稱為 虛斷 2 由于兩輸入端無電流 則兩輸入端電位相同 即U U 由此可見 集成運放工作在線性區(qū)時 兩輸入端電位相等 稱為 虛短 5 1 3運算放大器的基本電路 運算放大器的基本電路有反相輸入式 同相輸入式兩種 反相輸入式是指信號由反相端輸入 同相輸入式是指信號由同相端輸入 它們是構(gòu)成各種運算電路的基礎(chǔ) 1 反相輸入式放大電路 圖5 1所示為反相輸入式放大電路 輸入信號經(jīng)R1加入反相輸入端 Rf為反饋電阻 把輸出信號電壓Uo反饋到反相端 構(gòu)成深度電壓并聯(lián)負反饋 圖5 1反相輸入式放大電路 1 虛地 的概念 由于集成運放工作在線性區(qū) U U Ii Ii 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 虛地 是反相輸入式放大電路的重要特點 2 電壓放大倍數(shù) 在圖5 1中 由于Ii I i 0 則If Ii 即 5 1 式中Auf是反相輸入式放大電路的電壓放大倍數(shù) 上式表明 反相輸入式放大電路中 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Rf R1 可以直接作為比例運算放大器 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用于保持運放的靜態(tài)平衡 要求R2 R1 Rf R2稱為平衡電阻 3 輸入電阻 輸出電阻 由于U 0 所以反相輸入式放大電路輸入電阻為由于反相輸入式放大電路采用并聯(lián)負反饋 所以從輸入端看進去的電阻很小 近似等于R1 由于該放大電路采用電壓負反饋 其輸出電阻很小 Ro 0 5 2 4 主要特點 1 集成運放的反相輸入端為 虛地 U 0 它的共模輸入電壓可視為零 因此對集成運放的共模抑制比要求較低 2 由于深度電壓負反饋輸出電阻小 Ro 0 因此帶負載能力較強 3 由于并聯(lián)負反饋輸入電阻小 Ri R1 因此要向信號源汲取一定的電流 2 同相輸入式放大電路 圖5 2所示電路為同相輸入式放大電路 輸入信號Ui經(jīng)R2加到集成運放的同相端 Rf為反饋電阻 R2為平衡電阻 R2 R1 Rf 1 虛短的概念 對同相輸入式放大電路 U 和U 相等 相當(dāng)于短路 稱為 虛短 由于U Ui U Uf 則U U Ui Uf 由于U U 則 5 3 又由于U U 0 所以 在運放的兩端引入了共模電壓 其大小接近于Ui 2 電壓放大倍數(shù) 由圖5 2可見R1和Rf組成分壓器 反饋電壓 5 4 由于Ui Uf 則 5 5 由上式可得電壓放大倍數(shù) 上式表明 同相輸入式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)等于 1 Rf R1 此值與運放本身的參數(shù)無關(guān) 在圖5 2中如果把Rf短路 Rf 0 把R1斷開 R1 則 5 6 圖5 3電壓跟隨器 3 輸入電阻 輸出電阻 由于采用了深度電壓串聯(lián)負反饋 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 4 主要特點 同相輸入式放大電路屬于電壓串聯(lián)負反饋電路 主要特點如下 1 由于深度串聯(lián)負反饋 使輸入電阻增大 輸入電阻可高達2000M 以上 2 由于深度電壓負反饋 輸出電阻Ro 0 3 由于U U Ui 運放兩輸入端存在共模電壓 因此要求運放的共模抑制比較高 通過對反相輸入式和同相輸入式運放電路的分析 可以看到 輸出信號是通過反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到反相輸入端 從而實現(xiàn)了深度負反饋 并且使得其電壓放大倍數(shù)與運放本身的參數(shù)無關(guān) 采用了電壓負反饋使得輸出電阻減小 帶負載能力增強 反相輸入式采用了并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小 而同相輸入式采用了串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大 5 2集成運放的線性應(yīng)用 利用集成運放在線性區(qū)工作的特點 根據(jù)輸入電壓和輸出電壓關(guān)系 外加不同的反饋網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)多種數(shù)學(xué)運算 輸入信號電壓和輸出信號電壓的關(guān)系Uo f Ui 可以模擬成數(shù)學(xué)運算關(guān)系y f x 所以信號運算統(tǒng)稱為模擬運算 盡管數(shù)字計算機的發(fā)展在許多方面替代了模擬計算機 但在物理量的測量 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) 測量儀表系統(tǒng) 模擬運算等領(lǐng)域仍得到了廣泛應(yīng)用 5 2 1比例運算 比例運算的代數(shù)方程式是y K X 前面介紹的反相輸入式和同相輸入式放大電路的輸入 輸出電壓的關(guān)系式分別是Uo Rf R1 Ui和Uo 1 Rf R1 Ui 其電阻之比是常數(shù) 它們的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系是比例關(guān)系 因此能實現(xiàn)比例運算 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的變號運算 此電路稱為反相器 5 2 2加法 減法運算 加 減法運算的代數(shù)方程式是y K1X1 K2X2 K3X3 其電路模式為Uo K1Ui1 K2Ui2 K3Ui3 其電路如圖5 4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 有虛地 且U U 0 圖5 4反相加法器 各支路電流分別為 又由于虛斷Ii 0 則 即 整理得到 上式可模擬的代數(shù)方程式為 式中 5 7 當(dāng)R1 R2 R3 R時 式 5 7 變?yōu)?5 7 當(dāng)Rf R時 上式中比例系數(shù)為 1 實現(xiàn)了加法運算 例5 1設(shè)計運算電路 要求實現(xiàn)y 2X1 5X2 X3的運算 解此題的電路模式為Uo 2Ui1 5Ui2 Ui3 是三個輸入信號的加法運算 由式5 可知各個系數(shù)由反饋電阻Rf與各輸入信號的輸入電阻的比例關(guān)系所決定 由于式中各系數(shù)都是正值 而反相加法器的系數(shù)都是負值 因此需加一級變號運算電路 實現(xiàn)這一運算的電路如圖5 5所示 圖5 5例5 1電路 輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下 Rf1 R1 2 Rf1 R2 5 Rf11 R3 1取Rf1 Rf2 R4 10k 則R1 5k R2 2k R3 10k R 1 R1 R2 R3 Rf1 R 2 R4 Rf2 Rf2 2 例5 2設(shè)計一個加減法運算電路 使其實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算 Y X1 2X2 5X3 X4 圖5 6加減法運算電路 解此題的電路模式應(yīng)為Uo Ui1 2Ui2 5Ui3 Ui4 利用兩個反相加法器可以實現(xiàn)加減法運算 電路如圖5 6所示 上圖中 如果取Rf1 Rf2 10k 則R1 10k R2 5k R3 2k R4 10k R 1 R1 R2 Rf1 R 2 R3 R4 Rf2 2 由于兩級電路都是反相輸入運算電路 故不存在共模誤差 5 2 3積分 微分運算 1 積分運算 積分運算是模擬計算機中的基本單元電路 數(shù)學(xué)模式為 y K Xdt 電路模式為 u K Uidt 該電路如圖5 7所示 在反相輸入式放大電路中 將反饋電阻Rf換成電容器C 就成了積分運算電路 因而 5 9 由上式可以看出 此電路可以實現(xiàn)積分運算 其中K 1 R1C 圖5 7積分運算電路 2 微分運算 微分運算是積分運算的逆運算 將積分運算電路中的電阻 電容互換位置就可以實現(xiàn)微分運算 如圖5 8所示 圖5 8微分運算電路 由式 5 10 可以看出 輸入信號Ui與輸出信號Uo有微分關(guān)系 即實現(xiàn)了微分運算 負號表示輸出信號與輸入信號反相 RfC為微分時間常數(shù) 其值越大 微分作用越強 由于U 0 I i 0 則 5 10 5 3集成運放的非線性應(yīng)用 電壓比較器的基本功能是比較兩個或多個模擬輸入量的大小 并將比較結(jié)果由輸出狀態(tài)反映出來 電壓比較器工作在開環(huán)狀態(tài) 即工作在非線性區(qū) 5 3 1單限電壓比較器 圖5 9 a 所示電路為簡單的單限電壓比較器 圖中 反相輸入端接輸入信號Ui 同相輸入端接基準電壓UR 集成運放處于開環(huán)工作狀態(tài) 當(dāng)UiUR時 輸出為低電位 Uom 其傳輸特性如圖5 9 b 所示 由圖可見 只要輸入電壓相對于基準電壓UR發(fā)生微小的正負變化時 輸出電壓Uo就在負的最大值到正的最大值之間作相應(yīng)地變化 圖5 9簡單的電壓比較器 a 電壓比較器 b 傳輸特性 比較器也可以用于波形變換 例如 比較器的輸入電壓Ui是正弦波信號 若UR 0 則每過零一次 輸出狀態(tài)就要翻轉(zhuǎn)一次 如圖5 10 a 所示 對于圖5 9所示電壓比較器 若UR 0 當(dāng)Ui在正半周時 由于Ui 0 則Uo Uom 負半周時Ui 0 則Uo Uom 若UR為一恒壓 只要輸入電壓在基準電壓UR處稍有正負變化 輸出電壓Uo就在負的最大值到正的最大值之間作相應(yīng)地變化 如圖5 10 b 所示 圖5 10正弦波變換方波 a 輸入正弦波UR 0 b 輸入正弦波UR U 比較器可以由通用運放組成 也可以用專用運放組成 它們的主要區(qū)別是輸出電平有差異 通用運放輸出的高 低電平值與電源電壓有關(guān) 專用運放比較器在其電源電壓范圍內(nèi) 輸出的高 低電平電壓值是恒定的 5 3 2遲滯電壓比較器 單限電壓比較器存在的問題是 當(dāng)輸入信號在UR處上下波動時 輸出電壓會出現(xiàn)多次翻轉(zhuǎn) 采用遲滯電壓比較器可以消除這種現(xiàn)象 遲滯電壓比較器如圖5 11所示 該電路的同相輸入端電壓U 由Uo和UR共同決定 根據(jù)疊加原理有 由于運放工作在非線性區(qū) 輸出只有高低電平兩個電壓Uom和 Uom 因此當(dāng)輸出電壓為Uom時 U 的上門限值為 圖5 11遲滯電壓比較器 這種比較器在兩種狀態(tài)下 有各自的門限電平 對應(yīng)于UoH有高門限電平U H 對應(yīng)于UoL有低門限電平U L 輸出電壓為UoL時 U 的下門限值為 遲滯電壓比較器的特點是 當(dāng)輸入信號發(fā)生變化且通過門限電平時 輸出電壓會發(fā)生翻轉(zhuǎn) 門限電平也隨之變換到另一個門限電平 當(dāng)輸入電壓反向變化而通過導(dǎo)致剛才翻轉(zhuǎn)那一瞬間的門限電平值時 輸出不會發(fā)生翻轉(zhuǎn) 直到Ui繼續(xù)變化到另一個門限電平時 才能翻轉(zhuǎn) 出現(xiàn)轉(zhuǎn)換遲滯 如圖5 12所示 圖5 12遲滯電壓比較器的輸入 輸出波形 a 輸入波形 b 輸出波形 5 4集成運放在應(yīng)用中的實際問題 在實際應(yīng)用中 除了要根據(jù)用途和要求正確選擇運放的型號外 還必須注意以下幾個方面的問題 1 調(diào)零 實際運放的失調(diào)電壓 失調(diào)電流都不為零 因此 當(dāng)輸入信號為零時 輸出信號不為零 有些運放沒有調(diào)零端子 需接上調(diào)零電位器進行調(diào)零 如圖5 13所示 圖5 13輔助調(diào)零措施 a 引到反相端 圖5 13輔助調(diào)零措施 a 引到反相端 b 引到同相端 2 消除自激 運放內(nèi)部是一個多級放大電路 而運算放大電路又引入了深度負反饋 在工作時容易產(chǎn)生自激振蕩 大多數(shù)集成運放在內(nèi)部都設(shè)置了消除自激的補償網(wǎng)絡(luò) 有些運放引出了消振端子 用外接RC消除自激現(xiàn)象 實際使用時可按圖5 14所示 在電源端 反饋支路及輸入端連接電容或阻容支路來消除自激 圖5 14消除自激電路 a 在電源端子接上電容 b 在反饋電阻兩端并聯(lián)電容 圖5 14消除自激電路 a 在電源端子接上電容 b 在反饋電阻兩端并聯(lián)電容 3 保護措施 集成運放在使用時由于輸入 輸出電壓過大 輸出短路及電源極性接反等原因會造成集成運放損壞 因此需要采取保護措施 為防止輸入差?；蚬材ｋ妷哼^高損壞集成運放的輸入級 可在集成運放的輸入端并接極性相反的兩只二極管 從而使輸入電壓的幅度限制在二極管的正向?qū)妷褐畠?nèi) 如圖5 15 a 所示 圖5 15保護措施 a 輸入保護電路 b 輸出保護電路 c 電源反接保護電路 圖5 15保護措施 a 輸入保護電路 b 輸出保護電路 c 電源反接保護電路 圖5 15保護措施 a 輸入保護電路 b 輸出保護電路 c 電源反接保護電路 為了防止輸出級被擊穿 可采用圖5 15 b 所示保護電路 輸出正常時雙向穩(wěn)壓管未被擊穿 相當(dāng)于開路 對電路沒有影響 當(dāng)輸出電壓大于雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時 穩(wěn)壓管被擊穿 減小了反饋電阻 負反饋加深 將輸出電壓限制在雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍內(nèi) 為了防止電源極性接反 在正 負電源回路順接二極管 若電源極性接反 二極管截止 相當(dāng)于電源斷開 起到了保護作用 如圖5 15 c 所示