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1、第4章集成运算放大器的应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第4章章 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用掌握集成运算放大器在线性和非线性应掌握集成运算放大器在线性和非线性应用时的分析方法用时的分析方法掌握集成运算放大器的反相、同相、差掌握集成运算放大器的反相、同相、差动动3 3种基本输入方式及其电路的特点种基本输入方式及其电路的特点熟悉熟悉比例、加减、积分、微分等比例、加减、积分、微分等基本运基本运算电路的结构、工作原理、特点和功能算电路的结
2、构、工作原理、特点和功能能分析由基本运算电路组合而成的其他能分析由基本运算电路组合而成的其他运算电路运算电路熟悉电压比较器的电路结构、工作原理熟悉电压比较器的电路结构、工作原理和分析方法和分析方法熟悉一阶滤波器的电路结构、工作原理熟悉一阶滤波器的电路结构、工作原理和分析方法和分析方法了解采样保持电路、波形发生电路、信了解采样保持电路、波形发生电路、信号测量电路的结构和工作原理号测量电路的结构和工作原理了解集成运放在实际应用中的一些注意了解集成运放在实际应用中的一些注意事项事项学习要点学习要点4.1 模拟运算电路模拟运算电路4.2 信号处理电路信号处理电路4.3 波形发生电路波形发生电路4.4
3、使用运算放大器使用运算放大器应注意的几个问题应注意的几个问题第第4章章 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用4.1 模拟运算电路模拟运算电路4.1.1 比例运算电路比例运算电路比例运算电路比例运算电路1 1、反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路图示电路既能提高输入电阻，也能满足一定放大倍数的要求。根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，可以推出图4-2所示电路的闭环电压放大倍数为：例例 在图4-2所示电路中，已知R1=100k，Rf1=200k，Rf2=200k，Rf3=1k，求：（1）闭环电压放大倍数Auf、输入电阻ri及平衡电阻R2；（2）如果改用图4-1的电路，要想保持闭环
4、电压放大倍数和输入电阻不变，反馈电阻Rf应该多大？解解（1）闭环电压放大倍数为：2 2、同、同相输入比例运算电路相输入比例运算电路电压跟随器电压跟随器电压跟随器电压跟随器例例 在图示电路中，已知R1=100k，Rf=200k，ui=1V，求输出电压uo，并说明输入级的作用。例例 在图示电路中，已知R1=100k，Rf=200k，R2=100k，R3=200k，ui=1V，求输出电压uo。4.1.2 加法和减法运算电路加法和减法运算电路1 1、加法运算电路加法运算电路2 2、减法、减法运算电路运算电路例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中u uo o与与与与u ui i
5、1 1、u ui i2 2的关系。的关系。的关系。的关系。解解解解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中u uo o与与与与u ui i1 1、u ui i2 2的关系。的关系。的关系。的关系。解解解解：电路由第一级的同相比例运算电路和第二级的减法运算电路级联而成。例例例例 试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以下运算关系：下运算关系：下运算关系：下运算关系：解解 由题中
6、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。由图可得：由图可得：由图可得：由图可得：例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中u uo o与与与与u ui i的关系。的关系。的关系。的关系。4.1.3 积分和微分运算电路积分和微分运算电路1 1、积分运算电路积分运算电路积积积积 分分分分电电电电 路路路路波形波形波形波形积分电路用于方波三角波转换例例 在图示的电路中。（1）写出输出电
7、压uo与输入电压ui的运算关系。（2）若输入电压ui=1V，电容器两端的初始电压uC=0V，求输出电压uo变为0V所需要的时间。2 2、微、微分运算电路分运算电路4.2 信号处理电路信号处理电路4.2.1 有源滤波器有源滤波器有源滤波器有源滤波器滤滤滤滤波波波波器器器器：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。不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为低低低低通通通通、高高高高通通通通、带带带带通通通通和带阻带阻带阻带阻四种。无无无无源源源源滤滤滤滤波波波波器器器器：仅由无源元件R、C构成的滤波器。无源滤波器的带负载能力较差，这是因为无源滤波器与负
8、载间没有隔离，当在输出端接上负载时，负载也将成为滤波器的一部分，这必然导致滤波器频率特性的改变。此外，由于无源滤波器仅由无源元件构成，无放大能力，所以对输入信号总是衰减的。有有有有源源源源滤滤滤滤波波波波器器器器：由无源元件R、C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。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，以构成滤波特性好或频率特性有特殊要求的滤波器。1 1、低通滤波器、低通滤波器、低通滤波器、低通滤波器截止角频率截止角频率截止角频率截止角频率：2 2、高通滤波器、高通滤波器、高通滤波器、高通滤波器截止角
9、频率截止角频率截止角频率截止角频率：4.2.2 采样保持电路采样保持电路采采采采样样样样阶阶阶阶段段段段：控制信号uG出现时，电子开关接通，输入模拟信号ui经电子开关使保持电容C迅速充电，电容电压即输出电压uo跟随输入模拟信号电压ui的变化而变化。保保保保持持持持阶阶阶阶段段段段：uG=0，电子开关断开，保持电容C上的电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。4.2.3 电压比较器电压比较器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，输出电压uo达到最大值UOM。1 1、简单比较器、简单比较
10、器、简单比较器、简单比较器基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通，uo=0；uiUR时，稳压管正向导通，uo=UZ；uiuH1时，比较器的输出电压uo由UOM跳变至UOM，此时同相输入端的电压为：当ui由高向低变化直至ui1。正弦波振荡器的基本组成部分：基本放大电路正反馈网络选频网络正弦波振荡器的分类：RC正弦波振荡器LC正弦波振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器2 2、RC RC正弦波振荡器正弦波振荡器正弦波振荡器正弦波振荡器放大器的电压放大倍数为：反
11、馈网络具有选频作用。RC反馈网络的反馈系数为：4.3.2 非正弦波发生电路非正弦波发生电路非正弦波发生电路非正弦波发生电路1 1、方波发生电路、方波发生电路、方波发生电路、方波发生电路电路组成：电路组成：电路组成：电路组成：由滞回比较器和RC充放电回路两部分组成，图中VDZ是双向稳压管，起限制输出电压幅值的作用，R3是VDZ的限流电阻。电电电电路路路路工工工工作作作作原原原原理理理理：设设设设t t=0=0时时时时电电电电容容容容上上上上电电电电压压压压u uC C=0=0，滞滞滞滞回回回回比比比比较较较较器器器器的的的的输输输输出出出出电电电电压压压压u uo o=+=+U UOMOM，则集
12、成运放同相输入端的电位为：，则集成运放同相输入端的电位为：，则集成运放同相输入端的电位为：，则集成运放同相输入端的电位为：此时输出电压uo通过电阻R向电容C充电，使电容两端的电压uC按指数规律上升。由于电容C接在集成运放的反向输入端，所以，只要uCuH1，uo即由UZ跳变至UZ，于是集成运放同相输入端的电位立即变为：输出电压uo变为UZ后，电容C通过电阻R放电，使电容两端的电压uC按指数规律下降。uC下降到零后，电容C反方向充电。直至时uC uH2，比较器的输出电压uo又立即由UZ跳变至UZ。如此周而复始，便在输出端得到方波电压，而电容两端则得到三角波电压。2 2、三角波发生电路、三角波发生电
13、路、三角波发生电路、三角波发生电路电路组成：电路组成：电路组成：电路组成：在滞回比较器的输出端再接了一个积分电路组成，滞回比较器中的R1没有直接接地，而是接到了积分电路的输出端。电电电电路路路路工工工工作作作作原原原原理理理理：由由由由于于于于虚虚虚虚断断断断，运运运运放放放放A A1 1反反反反相相相相输输输输入入入入端端端端的的的的电电电电位位位位为为为为零零零零，而而而而同同同同相相相相输输输输入入入入端端端端的的的的电电电电位位位位u uHH同同同同时时时时与与与与滞滞滞滞回回回回比比比比较较较较器器器器的的的的输输输输出出出出电电电电压压压压u uo1o1和和和和积积积积分分分分电电
14、电电路路路路的输出电压的输出电压的输出电压的输出电压u uo o有关，根据叠加定理，可得：有关，根据叠加定理，可得：有关，根据叠加定理，可得：有关，根据叠加定理，可得：设t=0时滞回比较器的输出电压uo1=UZ，积分电路的输出电压uo=0，根据上式可知此时uH0。此后uo将随时间按线性规律上升，uH也随时间按线性规律上升，当上升到uH=0时，uo1即由UZ跳变至UZ，同时uH也跳变为一个正值。在此之后，uo将随时间按线性规律下降，使uH也随时间按线性规律下降。当下降到uH=0时，uo1又由UZ跳变至UZ，同时uH也跳变为一个负值。然后重复以上过程，于是在滞回比较器的输出端得到的电压uo1为方波
15、，而在积分电路的输出端则得到的电压uo为三角波，其中三角波电压uo的幅度为：4.4 使用运算放大器使用运算放大器应注意的几个问题应注意的几个问题4.4.1 选用元件选用元件选用元件选用元件通常是根据实际要求来选用运算放大器。如测量放大器的输人信号微弱它的第一级应选用高输入电阻、高共模抑制比、高开环电压放，大倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。选好后，根据管脚图和符号图联接外部电路，包括电源、外接偏置电阻、消振电路及调零电路等。4.4.2 消振消振消振消振通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。是否已消振，可将输入端接地，用示波器观察输出端有无自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。4.4.3 调零调零调零调零4.4.4 保护保护保护保护调零时应将电路接成闭环。调零分两种，一种是在无输入时调零，即将两个输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。另一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。1 1、输入端保护、输入端保护、输入端保护、输入端保护3 3、电源保护、电源保护、电源保护、电源保护2 2、输出端保护、输出端保护、输出端保护、输出端保护4.4.5 扩大输出电流扩大输出电流扩大输出电流扩大输出电流