第五章集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路

模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)第五章集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路

集成運(yùn)算放大器是將電子器件和電路集成在硅片上的放大器。同相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同；反相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。5.1集成運(yùn)算放大器的符號(hào)、模型和電壓傳輸特性5.1.1集成運(yùn)算放大器的符號(hào)35.1.1集成運(yùn)算放大器的模型uid

=ui+-

ui-：差模輸入電壓；Auo：集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)；Ri：集成運(yùn)放的輸入電阻；Ro：集成運(yùn)放的輸出電阻。Ri→Ro→0Auo→Ii+=Ii-→0理想化理想化條件“虛斷路”輸入電阻，反映了集成運(yùn)放輸入端向輸入信號(hào)源索取電流的能力，要求它愈大愈好；輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的帶負(fù)載能力要求它愈小愈好；A愈大愈好Ri→Ro→0Avo→KCMR→0漂移→0理想化“虛斷”“虛短”“虛短”：Auo→vid→0“虛斷”：Ii+=Ii-=065.1.2集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性線性放大區(qū)：uo

=Auo(ui+-ui-)=Auouid“虛短路”：Auo→uid→0限幅區(qū)：uo

=UCC或

UEE，uid

可以較大，不再“虛短路”。7反相電壓傳輸特性含運(yùn)算放大器電路分析的方法節(jié)點(diǎn)法、回路法虛斷、虛短概念作用：將信號(hào)按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。比例運(yùn)算電路5.2反相比例放大器與同相比例放大器101)閉環(huán)增益與電壓傳輸特性5.2.1反相比例放大器5.2反相比例放大器與同相比例放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。輸出與輸入反相、運(yùn)算電路輸入電阻較小利用虛短和虛斷得平衡電阻RN與RPRN、RP：令vi和vo為零，分別指從N（－）或P（＋）端到地之間的直流電阻。R2=R1

//

RfRN=RpR3=R1

//R2//

Rf122)閉環(huán)輸入電阻反相比例放大器的特點(diǎn)：(1)信號(hào)從反相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相；(2)U-=U+=0，因?yàn)橥喽穗妷簽榱?接地)，所以反相端呈現(xiàn)“虛地”特性；(3)閉環(huán)放大倍數(shù)Auf

=-R2

/R1；(4)閉環(huán)輸入電阻較小，RifR1，閉環(huán)輸出電阻Rof→0。13【例5.2.1】設(shè)計(jì)一個(gè)放大器電路，要求輸入電阻大于等于50kΩ，uo=-6ui。【例5.2.2】有一運(yùn)放組成的反相比例放大器，電源電壓UCC=│UEE│=12V，求輸入信號(hào)分別為ui1=1sinωt(V)和ui2=2sinωt(V)時(shí)的輸出波形圖。14【例5.2.3】有一運(yùn)放組成的反相比例放大器，如右圖所示，電源電壓UCC

=|

UEE

|=12V，求輸入信號(hào)分別為ui1

=1sint(V)和ui2

=2sint(V)時(shí)的輸出波形圖。155.2.2同相比例放大器輸出與輸入同相、運(yùn)算電路輸入電阻較大利用虛短和虛斷得16同相比例放大器的特點(diǎn)：(1)信號(hào)從同相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相；(2)U+

=U-

0，反相端和同相端電壓相等,即“虛短路”；(3)閉環(huán)放大倍數(shù)大于等于1，可以設(shè)計(jì)成電壓跟隨器；17(4)閉環(huán)輸入阻抗進(jìn)一步增大，趨向于理想條件，即Rif

→；(5)閉環(huán)輸出阻抗進(jìn)一步減小，也趨向于理想條件，即Rof→0。185.2.3兩種放大器比較反相比例放大器的特點(diǎn)：1.信號(hào)從反相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。共模輸入為零。2.U-=U+=0，因?yàn)橥喽穗妷簽榱?接地)，所以反相端呈現(xiàn)“虛地”特性。3.閉環(huán)放大倍數(shù)

。4.閉環(huán)輸入電阻較小，Rif≈RI，

等效到運(yùn)放輸入端的等效電阻

。5.閉環(huán)輸出電阻

Rof

→0。同相比例放大器的特點(diǎn)：1.信號(hào)從同相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相。共模輸入不為零。2.U-=U+≠0，反相端與同相端電壓相等，呈現(xiàn)“虛短路”特性。3.閉環(huán)放大倍數(shù)大于等于1。4.閉環(huán)輸入阻抗進(jìn)一步增大，Rif→∞，閉環(huán)輸入電阻為

。5.閉環(huán)輸出電阻Rof

→0。【例5.2.4】電路如圖所示，試問(wèn)(1)運(yùn)放A1、A2的功能各是什么？(2)求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式，即總增益的表達(dá)式。20【例5.2.5】彰顯電壓跟隨器的隔離(緩沖)作用。

有一內(nèi)阻Rs

=100k的信號(hào)源，為一個(gè)負(fù)載(RL

=1k)

提供電流和電壓。一種方案是將它們直接相連(如圖(a)所示)；另一種方案是在信號(hào)源與負(fù)載之間插入一級(jí)電壓跟隨器(如圖(b)所示)。試分析兩種方案負(fù)載RL

所得到的電壓uL

和電流iL

。215.3加法器5.3.1反相加法器【例5.3.1】試設(shè)計(jì)一個(gè)相加器，完成uo

=-(2ui1+3ui2)的運(yùn)算，并要求對(duì)ui1、ui2的輸入電阻均大于等于100k。225.3.2同相加法器235.4基本減法器及儀用放大器5.4.1基本減法器電路24【例5.4.1】利用減法器電路可以構(gòu)成“稱重放大器”。試問(wèn)，輸出電壓uo

與重量(體現(xiàn)在Rx變化上)有何關(guān)系。255.4.2精密相減器電路----儀用放大器265.5積分器和微分器差動(dòng)積分器5.5.1積分器27【例5.5.1】電路如圖所示，當(dāng)t=

t1(1s)時(shí)，開(kāi)關(guān)S接a點(diǎn)；當(dāng)t=t1(1s)~t2(3s)時(shí)，開(kāi)關(guān)S接b點(diǎn)；而當(dāng)t>t2(3s)時(shí)，開(kāi)關(guān)S接c點(diǎn)。已知運(yùn)算放大器電源電壓

15V，初始電壓uC(0)=0，試畫(huà)出輸出電壓uo(t)的波形圖。28295.5.2微分器利用積分器和相加器求解微分方程305.6電壓一電流變換(V-I)和電流一電壓變換(I-V)5.6.1V-I變換器負(fù)載電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，而與輸入信號(hào)成正比315.6.2I-V變換器32【例5.6.1】精密直流電壓測(cè)量電路如圖所示，一般要求電壓測(cè)量?jī)x表的輸入電阻要盡量大，否則測(cè)量精度會(huì)受影響。利用同相輸入且施加負(fù)反饋的運(yùn)算放大器電路輸入電阻大的特點(diǎn)，有助于提高測(cè)量精度。由圖可見(jiàn)，流過(guò)

的電流

等于流過(guò)表頭的電流

，若電阻R1=100kΩ，表頭最大量程電流IMm=100μA，則被測(cè)電壓ui的最大值為10V，即精密直流電壓測(cè)量電路33【例5.6.2】運(yùn)放電路如圖所示，求uo

與ui

的關(guān)系式。方法一：利用“虛地”、“虛斷路”概念方法二：利用戴維南定理將圖示電路簡(jiǎn)化34增益可調(diào)電路35【例5.6.3】將典型的反相比例放大器的R1、R2推廣到一般的阻抗Z1、Z2，如圖(a)所示，則會(huì)演變出許多新的電路。如圖(b)所示，就是一個(gè)比例-積分-微分電路，用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)校正電路。36【例5.6.4】運(yùn)放電路如圖所示，試計(jì)算uo1、uo2以及各支路電流值。37【例5.6.5】電路如圖所示，求輸出與輸入的關(guān)系式。385.7對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)放大器及乘除器5.7.1 對(duì)數(shù)運(yùn)算器395.7.2反對(duì)數(shù)（指數(shù)）運(yùn)算器5.7.3乘法器和除法器405.8.1 精密整流(限幅)電路5.8精密整流、檢波（峰值檢波、相敏檢波）及取樣保持電路1.精密半波整流電路412.精密全波整流電路——絕對(duì)值電路精密全波整流電路的傳輸特性及輸出波形425.8.2 峰值檢波電路435.8.3 相敏檢波電路445.8.4 取樣保持電路455.9.1 高速電流反饋型集成運(yùn)算放大器5.9特殊用途的集成運(yùn)算放大器1.電流模集成運(yùn)算放大器的基本框圖與基本特性4647若干電流模運(yùn)放的型號(hào)及其參數(shù)

型號(hào)參數(shù)AD811AD844AD9610OPA623OPA658POPA603MAX4112/4113壓擺率SR/(V/μs)1800(Rf=1kΩ)2000(Rf=0.5~)3500(Rf=1.5kΩ)2100(Uopp

=5V)1700(Uopp

=2V)10001500/1800帶寬(BW)/MHz1406080290680100600/750失調(diào)電壓UIO/mV0.50.05±0.38±551同相端輸入電阻/MΩ

1.5100.22.740.550.5反相端輸入電阻/Ω

145020

503030低頻互阻增益/MΩ

0.75(RL=200Ω)3(RL=500Ω)1.5(RL=200Ω)

0.190.40.5共模抑制比

KCMR/dB6010060

6050輸出電流

IO/mA±100±60±50±70±120±150±80電源電壓/V±5~±15

±5±5±15±548寬帶、高速集成運(yùn)算放大器舉例(一)電壓反饋型、輸入輸出軌對(duì)軌運(yùn)算放大器OPA83049(二)電流反饋型THS3120/THS3121505.9.2 集成儀表放大器INA128/129增益/(V/V)RG(INA128)/ΩRG(INA128)/Ω12510205010020050010002000500010000NC50.00k12.50k5.556k2.632k1.02k505.1251.3100.250.0525.0110.005.001NC49.9k12.4k5.49k2.61k1k49924910049.924.99.764.87增益與電阻的對(duì)應(yīng)表51INA128/129應(yīng)用舉例具有右腿驅(qū)動(dòng)的心電信號(hào)（ECG）放大電路INA128共模電流提供路徑525.9.3 增益可控集成運(yùn)算放大器1.可編程增益放大器-----PGA103增益(倍數(shù))2腳1腳A1A0100100110010無(wú)效11注：邏輯0：

(-5.6V)<U<0.8V；邏輯1：

2V<U<(+V)；邏輯電平是相對(duì)于3腳的電位。增益與數(shù)字連接的關(guān)系53增益可編程儀表放大器電路542.電壓控制增益放大器—VCA820/VCA822/VCA824555.10.1 運(yùn)放開(kāi)環(huán)應(yīng)用------電壓比較器5.10運(yùn)放開(kāi)環(huán)應(yīng)用及電壓比較器電壓比較器及其輸出波形56【例5.10.1】電路及輸入信號(hào)波形

分別如圖5.10.2（a）(b)所示，其中C為交流耦合（隔直）電容，試分別畫(huà)出