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集成运算放大电路


1.2 理想集成运算放大器
满足下列条件的运算放大器称为理想集成运算放大器。
(1)开环差模电压放大倍数Aud →∞; (2)差模输入电阻 Rid→∞; (3)输出电阻 RO→0; (4)共模抑制比→∞; (5)输入偏置电流=0; (6)失调电压、失调电流及温漂为0
利用理想集成运算放大器分析电路时,由于集成运算放大器接近 于理想运算放大器,所以造成的误差很小,本章若无特别说明,集成 运算放大器均按理想运算放大器对待。
1.3 集成运算放大器的电压传输特性 1.电压传输特性
实际电路中集成运算放大器的传输特性如图3.3所示。图中曲线上升部分的
斜率为开环电压放大倍数Aud,以μA741为例,其开环电压放大倍数Aud可达 105,最大输出电压受到电源电压的限制,不超过±18V,此时,输入端的电压
u与idu=idu呈od线/A性ud,放不大超关过系±,0称.1为8m线V性。工也作就区是。说若,u当id
在图3.5中,如果把Rf短路(Rf=0),把R1断开(R1→∞),则Auf=1, 即输入信号Ui和输出信号Uo大小相等、相位相同。我们把这种电路称为电 压跟随器,如图3.6所示。由集成运算放大器组成的电压跟随器比由射极 输出器组成的电压跟随器性能好,其输入电阻更高,输出电阻更小,性能 更稳定。
(2)中间级。要求中间级本身具有较高的电压增益。 (3)输出级。主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要,同时还需要 有较低的输出电阻和较高的输入电阻,以起到将放大级和负载隔离的作用。 (4)偏置电路。为各级提供合适的工作电流,一般由各种恒流源电路组成。
2.集成运算放大器的符号 限定符号读解:
表示放大(驱动)能力,
∞ 表示放大倍数为∞。
图3.2 集成运算放大器的符号
“+”表示同相输入端;“-”表示反相输入端。若反相输入端接地, 信号由同相输入端输入,则输出信号和输入信号的相位相同;若将同相输入 端接地,信号从反相输入端输入,则输出信号和输入信号相位相反。集成运 放的引脚除输入、输出端外,还有正、负电源端,有的集成运算放大器有调 零端,如μA741等。
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同相输入式放大电路,U+和U-相等,相当 于短路,称为“虚短”。由于U+=Ui,U-=Uf, 则U+=U-=Ui=Uf。又由于U+=U-≠0,所以, 在运算放大器的两端引入了共模电压,其大小
接近于Ui。
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图3.5 同相输入式放大电路
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R1和Rf组成分压器,反馈电压:
Uf=Uo
R1 Rf +R1
由于Ui=Uf,因此
1 集成运算放大器 1.1 集成运算放大器的组成框图
集成运算放大器内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器,其内部组成 原理框图如图3.1所示,它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等4部分组成。
图3.1 集成运算放大器内部组成原理框图
(1)输入级。要求其输入电阻高。为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信 号,输入级都采用具有恒流源的差动放大电路,也称为差动输入级。
3 当集成运算放大器工作在开环状态或外接正反馈时,由于集成运算放大器 的Aud很大,只要有微小的电压信号输入,集成运算放大器就一定工作在非线 性区。其特点是:输出电压只有两种状态,不是正饱和电压+Uom,就是负饱 和电压-Uom。 (1)当同相端电压大于反相端电压,即u+>u- 时,uo=+Uom。 (2)当反相端电压大于同相端电压,即u+<u- 时,uo=-Uom。
Ui=Uo
R1 Rf +R1
得到
Uo=
Rf+R1 R1
Ui

1+
Rf R1

Ui
由上式可得电压放大倍数(比例系数)
Auf=
Uo Ui
=1+ Rf R1
同相输入式放大电路中输出电压与输入电压的相位相同,大小成比 例关系,比例系数等于(1+Rf /R1),此值与运算放大器本身的参数无关。


Uo Rf
Ii =
U i-U R1
= Ui R1
由于I-=Ii′≈0,因此If=Ii,即
Auf
=-
Rf R1
为比例系数 。
Ui =- U o
R1
Rf
图3.4 反相输入式放大电路
Auf=
Uo Ui
=- Rf R1
Rf=R1时,Auf=-1,即输出电压和输入电压的大小相等,相 位相反,此电路称为反相器。
同相输入端电阻R2用于保持运算放大器的静态平衡,要求R2=R1∥Rf , 故R2称为平衡电阻。
3.输入电阻、输出电阻 由于反相输入式放大电路采用的是并联负反馈,所以从输入端看进 去的电阻很小,近似等于R1。由于该放大电路采用电压负反馈,所以其 输出电阻很小,RO≈0。
2.2 同相输入式放大电路
Rf为反馈电阻,R2为平衡电阻(R2=R1∥Rf)。
2 基本运算电路
2.1 反相输入式比例运算放大电路
1. 虚地”的概念
U+ ≈ U-,Ii+ ≈ Ii- ≈0,即流过R2的电流为0。U+ ≈ 0,则U+ ≈ U- ≈ 0说明反相端虽然没有直接 接地,但其电位为地电位,相当于接地,是
“虚假接地”,简称“虚地”。
2.电压放大倍数
在图3.4
If
= U -U o Rf
集成运算放大电路
1 集成运算放大器 1.1 集成运算放大器的组成框图 1.2 理想集成运算放大器 1.3 集成运算放大器的电压传输特性 2 基本运算电路 2.1 反相输入式比例运算放大电路 2.2 同相输入式放大电路 2.3 加法、减法运算 2.4 积分、微分运算 3 电压比较器 4 集成运算放大器在应用中的实际问题
uid 在 0~0.18mV之间时 ,uod
超过0.18mV,则集成运算放大器
内部的输出级晶体管进入饱和区工作,输出电压uod的值近似等于电源电压,与uid不再
呈线性关系,故称为非线性工作区。
图3.3 集成运算放大器的电压传输特性曲线
2.集成运算放大器的线性应用
集成运算放大器工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。当集成 运算放大器工作在线性区时,输出电压在有限值之间变化,而集成运算放 大器的Aud→∞,则uid=uod / Aud≈0,由 uid =u+-u - ,得u+≈u - ,此式 说明,同相端和反相端电压几乎相等,称为虚假短路,简称“虚短”。由 集成运算放大器的输入电阻 rid→∞,得i+≈i-≈0。此式说明,流入集成运算 放大器同相端和反相端的电流几乎为0,称为虚假断路,简称“虚断”。
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