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集成运算放大电路演示课件

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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。
Uo=-
Rf R1
U
i1 +
R R
f 2
U
i2

R R
f 3
U
i3
当R1=R2=R3=R时,Uo=-
R R
f
(Ui1+Ui2+Ui3)
当Rf=R时,Uo=-(Ui1+Ui2+Ui3) 上式中比例系数为-1,实现了加法运算。
图3.7 反相加法器
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2. 差动输入与减法运算 两个输入端都有信号输入,称为差动输入。
图3.15 消除自激电路
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3. 保护措施 集成运算放大器在使用时由于输入、输出电压过大,输出短路及电源 极性接反等原因会造成集成运算放大器损坏,因此需要采取保护措施。
图3.16 保护措施
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5 常用的集成运放简介
1. μA741(LM741)与1458双运放 图3.17为741电路。741为带调零端的集成运放,管脚1和5接调零电阻。 图3.18为1458双运放电路。1458集成了两个相同、且等于741的电路。
图3.12 简单的电压比较器
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比较器也可以用于波形变换。例如,比较器的输入电压Ui是正弦波信号, 若UR=0,则每过0一次,输出状态就要翻转一次,如图3.13(a)所示。对 于如图3.13所示的简单的电压比较器,若UR=0,当Ui在正半周时,由于Ui> 0,则Uo=-Uom,负半周时Ui<0,则Uo=Uom。若UR为一恒压U,只要输 入电压在基准电压UR处稍有正负变化,输出电压Uo就在负的最大值到正的最 大值之间作相应的变化,如图3.13(b)所示。
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
u id 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
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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”。
3.输入电阻,输出电阻 由于采用了深度电压串联负反馈,该电路具有
-
uo
很高的输入电阻和很低的输出电阻(Rif→∞,Ro→0), 这是同相输入式放大电路的重要特点。
ui
+
图3.6 电压跟随器
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2.3 加法、减法运算 1. 加法运算
同相输入端的平衡电阻
R4= R1//R2//R3//Rf
根据叠加原理可得到:
∞ 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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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
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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
R1和Rf组成分压器,反馈电压:
Uf=Uo
R1 Rf+
R1
由于Ui=Uf,因此
Ui=Uo
R1 Rf+ R1
得到 Uo=
R

f
R
1
R
1
Ui
= 1 +Rf R1Ui由上式可得电压放大倍数(比例系数)
Auf=
U U
o i
=1+ R f R1
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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。
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。
图3.13 正弦波变换方波
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4 集成运算放大器在应用中的实际问题 1.调零 实际运算放大器的失调电压、失调电流都不为零,因此,当输入信号
为零时,输出信号不为零。有些运算放大器没有调零端子,需接上调零 电位器RP进行调零,如图3.14所示。
图3.14 辅助调零措施
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2. 消除自激 集成运算放大器内部是一个多级放大电路,而运算放大器又引入了 深度负反馈,在工作时容易产生自激振荡。大多数集成运算放大器在内 部都设置了消除自激的补偿网络,有些运算放大器引出了消振端子,用 外接RC消除自激现象。实际使用时可按图3.15所示,在电源端、反馈支 路及输入端连接电容或阻容支路来消除自激。
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。
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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
由此可以看出,输入信号Ui与输出信号Uo 有微分关系,即实现了微分运算。负号表示输 出信号与输入信号反相,RfC为微分时间常数, 其值越大,微分作用越强。
图3.11 微分运算电路
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3 电压比较器 如图3.12(a)所示电路为简单的单限电压比较器。图中反相输入端接 输入信号Ui,同相输入端接基准电压UR。集成运算放大器处于开环工作状 态,当Ui<UR时,输出为高电位+Uom,当Ui>UR时,输出为低电位-Uom, 其传输特性如图3.12(b)所示。 由图可见,只要输入电压相对于基准电压UR发生微小的正负变化时, 输出电压Uo就在负的最大值到正的最大值之间作相应的变化。
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。
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
调零 1 U- 2 U+ 3
-V 4
-
+
8 NC
7 +V
6 UO 5 调零
图3.17 集成运放741
图3.18 双集成运放1458
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2. LM324 LM324四运放电路。该型运放可工作在单电源,电压范围3~30V, 增益可达100dB,是一款应用较广的电路
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- U Rf
o

-U R
o f
Ii =
U i- U R1
=U i R1
由于I-=Ii′≈0,因此If=Ii,即
Auf
=-
R R
f 1
为比例系数 。
Ui
U =-
o
R1
Rf
图3.4 反相输入式放大电路
U Auf= U
o i
=- R f R1
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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。
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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)。
U idt
图3.10 积分运算电路
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2.微分运算
微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的电阻、电容互换 位置就可以实现微分运算,如图3.11所示。
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