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1、集成运算放大器本讲稿第一页，共四十二页第7章 集成运算放大器v项目 集成运算放大电路的认识及应用v任务一 集成运算放大器的认识v任务二 学习放大器基本线性运算电路v任务三 学习放大器的非线性应用电路 v动手做动手做 用运算放大器实现电压比较的电路 本讲稿第二页，共四十二页v在计算机主板上可以看到一些集成芯片，这些集成芯片体积小、管脚多，应用非常广泛。（a）计算机主板（b）常见集成芯片 图7-1 计算机主板及常见集成芯片项目引入项目引入本讲稿第三页，共四十二页v输入级：输入级：一般采用具有恒流源的双输入端的差分放大电路v 目的就是减小放大电路的零点飘移、提高输入阻抗。v中间放大级：中间放大级：电
2、压放大，使放大器有足够高的电压放大倍数。v输出级：输出级：一般采用射级输出器构成的电路v 目的是实现与负载的匹配，使电路有较大的输出功率和较强的带负载能力图7-2 运算放大器的内部电路框图1.集成运算放大器的基本组成v偏置电路：偏置电路：是为上述各级电路提供稳定合适的偏置电流，稳定各级的静态工作点v一般由各种恒流源电路构成。本讲稿第四页，共四十二页 （a）运算放大器的外形（b）运算放大器的图形符号（c）运算放大器的管脚图7-3 LM741集成运算放大器的外形、图形符号和管脚图 本讲稿第五页，共四十二页v（1）输入和输出端两个输入端u、u和一个输出端uO反相输入端输出信号uO与输入信号u相位相反
3、（极性相反）；同相输入端输出信号uO与输入信号u相位相同（极性相同）。v（2）电源端 管脚7与4是外接电源端，为集成运算放大器提供直流电源。通常采用双电源供电方式，4脚接负电源组的负极，7脚接正电源组的正极。v（3）调零端 管脚1和5是外接调零补偿电位器端。调节电位器RP，可使输入信号为零时，输出信号也为零。1.集成运算放大器LM741使用时不能接错集成运算放大器的电路参数和晶体管特性不可能完全对称本讲稿第六页，共四十二页（1）开环差模电压增益Auo（差模电压放大倍数）Auo越大，运放的精度越高，工作越稳定，一般可达几十万。（2）开环差模输入电阻rid衡量运算放大器从信号源取用电流大小的参数。
4、rid越大，从信号源取用的电流越小，运算精度越高一般在几十千欧以上。（3）输出电阻ro衡量集成运放带负载能力的参数。ro越小，集成运放带负载的能力就越强，一般为几百欧，甚至更小。2.集成运算放大器的主要参数本讲稿第七页，共四十二页v（4）共模抑制比KCMRv衡量集成运放抑制干扰信号能力大小的参数。vKCMR数值越大，抑制干扰的能力越强。一般运放的KCMR达几十万以上v理想集成运放:Auo rid ro0 KCMR 还有输入失调电压、输入失调电流、输入失调温漂电压、输入失调温漂电流等参数。本讲稿第八页，共四十二页v 直流信号放大电路，把集成运算放大器作为一个线性放大元件v两个重要特点:（1）同相
5、输入端和反相输入端的电位相等（虚短）。因Auo，所以uiu-uuo/Auo0，则 uu“虚地”反相输入端是一个不接“地”的“地”电位：如果信号自反相输入端输入，同相输入端接地时，u+0，u也等于零。（2）同相输入端和反相输入端的输入电流等于零（虚断）。rid，所以 ii0 3.理想运算放大器的特点虽uu，但不是真正的短路，不能两者短接起来虽ii0，两输入端不能真正地断开v上述两个结论，可使电路分析简化，是分析的依据。v此外，集成运算放大器还可以工作在非线性区。此时，uoAuo（u+u）本讲稿第九页，共四十二页v想一想：想一想：v集成运算放大器工作在线性区和非线性区的特点有哪些？v理想集成运算放
6、大器的Auo、rid、ro、rid、KCMR各是多少？v什么是“虚短”和“虚断”？v什么是“虚地”？本讲稿第十页，共四十二页任务二 学习放大器基本线性运算电路v1.反相运算电路（反相比例运算电路）反相运算电路（反相比例运算电路）图7-5 反相比例运算电路RpR1Rf ui和uo之间是相位相反的比例关系其放大关系仅与Rf和R1有关，而与放大器本身无关反相器RfR1时，则有Auf1本讲稿第十一页，共四十二页v想一想：想一想：反相比例运算电路中，既然u0，那么将该反相输入端真正接地能够正常工作吗？i0，那么将该反相输入端引线断开能正常工作吗？为什么？本讲稿第十二页，共四十二页v解：v因传感器的输出阻
7、抗低，故可采用由输入阻抗小的反相比例运算电路构成放大器；v因标准表的最高输入电压对应着传感器10MPa时的输出电压值，而传感器这时的输出电压为1100mV0.1V，也就是放大器的最高输入电压，这时放大器的输出电压应是5V。v所以放大器的电压放大倍数是5/0.1=50倍。v由于相位与需要相反，所以在第一级放大器后再接一级反相器，使相位符合要求。v根据这些条件来确定电路的参数。例例7.1有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500，测量范围是，测量范围是010MPa，其灵敏度为，其灵敏度为+1mV0.1 Mpa。现用一个输入。现用一个输入05V的标准的标准表来显示这个
8、传感器测量的压力变化，需要用一个放大器把传感器表来显示这个传感器测量的压力变化，需要用一个放大器把传感器输出的信号放大到标准表输入需要的状态，设计一个放大器并确定输出的信号放大到标准表输入需要的状态，设计一个放大器并确定各元件参数。各元件参数。本讲稿第十三页，共四十二页v（1）取放大器的输入阻抗是信号源内阻的20倍，即R110k；v（2）Rf50R1500k；v（3）RpR1Rf105009.8 k；v（4）运算放大器均采用LM741；v（5）采用对称电源供电，电压可采用10V;v（6）Rf2R1250k；v（7）Rp2R12Rf2505025 k。v电路图如图7-6所示。图7-6 例7.1图
9、 本讲稿第十四页，共四十二页uo与ui之间的关系仅与外部电阻有关，具有高运算精度和稳定性。若使RfR1R2R3，则 uo（ui1ui2ui3）表明，输出电压等于输入电压的代数和。平衡电阻 RpR1R2R3Rf 2.2.反相加法运算电路反相加法运算电路本讲稿第十五页，共四十二页vR1Cf称为积分时间常数，越大，达一uo值所需的时间越长。v当uiU（直流）时，有Rf换成电容换成电容Cf与反相运算电路的区别与反相运算电路的区别积分与反相关系积分与反相关系3.反相积分电路反相积分电路本讲稿第十六页，共四十二页v若ui是一个正阶跃电压信号，v则uo随时间近似线性关系下降，输出电压最大数值为集成运放的饱和
10、电压值。（a）阶跃信号 （b）积分输出信号图7-9 反相积分电路本讲稿第十七页，共四十二页4.反相微分电路反相微分电路RfC1称为微分时间常数电容电容R1换成换成C1与反相运算电路的区别与反相运算电路的区别本讲稿第十八页，共四十二页v表明uo和ui成比例关系，比例系数是1+Rf/R1，而且uo与ui是同相位。v为了保保证差动输入级的静态平衡v R2R1Rf5.同相比例运算电路同相比例运算电路无无“虚地虚地”本讲稿第十九页，共四十二页电压跟随器断开断开R1当当R1,uo ui为电压跟随器为电压跟随器电压跟随器具有极高的输入电阻电压跟随器具有极高的输入电阻和极低的输出电阻和极低的输出电阻能起到良好
11、的隔离作用能起到良好的隔离作用R2 Rf0电压跟随器电压跟随器2本讲稿第二十页，共四十二页v（1）输出信号uo ui 且与输入信号ui相位相同；v（2）输入阻抗rid较大，而输出阻抗较小；v（3）“虚短”（同相与反相输入端之间）无虚地现象v（4）存在共模输入信号共模输入信号v反相与同相比例电路的区别反相与同相比例电路的区别：v都有“虚短虚短”现象。反相有“虚地”，同相无“虚地”。v反相比例运算无共模信号共模信号；而同相输入比例有：v即uuui，故要求能够承受共模干扰信号同相比例运算电路的特点同相比例运算电路的特点本讲稿第二十一页，共四十二页解：是一电压跟随器分压后，同相输入端得到7.5V的输入
12、电压，即Ui7.5V因为是一电压跟随器，故UoUi所以Uo7.5V。例例7.2试计算Uo的大小 由此例可见，Uo只与电源电压和分压电阻有关，其精度和稳定性较高，可用做基准电压。本讲稿第二十二页，共四十二页v解:分析电路可知，其反馈类型为电流串联负反馈，各电流、电压之间的关系如下例例7.3试写出通过负载电阻RL的电流iL与输入信号ui之间的关系式。图7-14 电压电流转换器与负载电阻与负载电阻RL无关无关只要只要ui和和R1恒定，恒定，负载中的电流负载中的电流iL就恒定就恒定本讲稿第二十三页，共四十二页v当集成运算放大电路的同相输入端和反相输入端都接有输入信号时，称为差分输入运算电路，如图7-1
13、5所示。图7-15 差分输入运算电路6.差分输入运算电路差分输入运算电路本讲稿第二十四页，共四十二页6.差分输入运算电路差分输入运算电路v广泛应用于广泛应用于测量与控制系统中测量与控制系统中 同相和反相输入端都有输入信号同相和反相输入端都有输入信号当R3Rf，R2R1时时比例系数只与外接比例系数只与外接元件有关元件有关再若再若R1Rf，减法运算电路减法运算电路本讲稿第二十五页，共四十二页v解:由差分放大电路输出与输入之间的关系式可得出例例7.4如图是用运算放大器构成的测量电路。图中US为恒压源，若Rf是某个非电量（如应变、压力或温度）的变化所引起的传感元件的阻值变化量。试写出uo与Rf之间的关
14、系式。运算放大器构成的测量电路 v计算结果表明，输出信号电压与传感元件电阻值的变化量成正比。本讲稿第二十六页，共四十二页任务三 学习放大器的非线性应用电路 v运算放大器的非线性应用v当运算放大器工作在开环状态或引入正反馈时，由于其放大倍数非常大，所以输出只能存在正、负饱和两个状态。v在非线性工作条件下，放大器可实现电压比较、信号的产生等功能。v电压比较器是用来对输入信号进行幅度鉴别和比较的电路，常用于模拟电路和数字电路的连接，称为接口电路。前面学习的放大器都是工作在线性条件下本讲稿第二十七页，共四十二页（a）电压比较器 （b）传输特性 1.基本电压比较器基本电压比较器v根据理想运算放大器的特点
15、v当uiUR时，输出为正饱和电压UoHv当ui UR时，输出为负饱和电压UoL输入信号与参考电压比较vUR是将输出电压由某一种状态转换到另一种状态时的输入电压。v过零电压比较器v门限电压UR0V，即同相端接地。输出电压与输入电压的关系门限电压（阈值电压）本讲稿第二十八页，共四十二页（a）过零电压比较器 （b）传输特性 图7-18 过零电压比较器及其传输特性 本讲稿第二十九页，共四十二页v限幅电路v利用稳压管的稳压功能，将稳压管稳压电路接在比较器的输出端v双向稳压管，稳定电压为UZv双向限幅电路v电压比较器的输出被限制在UZ和UZ之间，即输出由双向稳压管限幅的电路2.有限幅电路的电压比较器有限幅
16、电路的电压比较器限幅电路可得某一特定电压值本讲稿第三十页，共四十二页v限幅电路v正向稳压管v输出稳定在UZ上正向限幅电路正向限幅电路 正向限幅电路 本讲稿第三十一页，共四十二页v带有限幅电路。（a）反相输入过零电压比较器（b）传输特性 图7-21 反相输入过零电压比较器及其传输特性反相端输入的过零电压比较器本讲稿第三十二页，共四十二页（a）同相输入过零电压比较器（b）传输特性图7-22 同相输入过零电压比较器及其传输特性 同相端输入的过零电压比较器本讲稿第三十三页，共四十二页v当输出电压为正饱和值uoUoM，v当输出电压为负饱和值uoUoM，3.滞回电压比较器UR是基准电压v设某瞬间 uoUo
17、M，在uiURH时，输出才能由UoM跃变到UoM；v若ui持续减小，减小到uiURL时，输出才会又跃变至UoMv改变R1或R2，可改变URH、URL和回差电压。回差电压:URHURL本讲稿第三十四页，共四十二页v滞回电压比较器由于引入了正反馈，可以加速输出电压的转换过程，改善输出波形；由于回差电压的存在，提高了电路的抗干扰能力。当输入电压是正弦波时，输出矩形波本讲稿第三十五页，共四十二页例例7.5 试画出图试画出图7-25所示过零比较器的传输特所示过零比较器的传输特性。当输入为正弦电压时，画出输出电压的波形。性。当输入为正弦电压时，画出输出电压的波形。过零比较器的传输特性解：解：输出电压波形图
18、 通过过零比较器可以将输入的正通过过零比较器可以将输入的正弦波转换成矩形波弦波转换成矩形波本讲稿第三十六页，共四十二页动手做动手做 用运算放大器实现用运算放大器实现电压比较的电路电压比较的电路v预习要求预习要求v（1）通过阅读资料，了解）通过阅读资料，了解A741集成运算放大器的主要技术参数及集成运算放大器的主要技术参数及应用特性；应用特性；v（2）复习运算放大电路的基本原理及电路组成；）复习运算放大电路的基本原理及电路组成；v（3）重点复习运算放大器的非线性应用。）重点复习运算放大器的非线性应用。v一、实训目的一、实训目的v（1）熟悉集成运算放大器的外形结构及各引线的功能；）熟悉集成运算放大
19、器的外形结构及各引线的功能；v（2）学习应用集成运算放大器组成滞回电压比较器的接线和测量方法；）学习应用集成运算放大器组成滞回电压比较器的接线和测量方法；v（3）掌握常用电子测量仪器的使用。）掌握常用电子测量仪器的使用。v二、实训仪器与器件二、实训仪器与器件本讲稿第三十七页，共四十二页三、实训原理三、实训原理滞回电压电压比较器 本讲稿第三十八页，共四十二页四、实训内容v1.交流电压的测量交流电压的测量本讲稿第三十九页，共四十二页本讲稿第四十页，共四十二页五、注意事项v(1)拆接元件时必须切断电源，不可带电操作。v(2)在训练过程中，要正确使用各种仪器，并对A741进行测试。v（3）调零时必须细心，切忌不要使电位器RP的滑动端与地线或正电源线相碰，否则会损坏集成运放。本讲稿第四十一页，共四十二页v本章结束本讲稿第四十二页，共四十二页