集成运算放大器基本应用电路.ppt
6.1 引言,集成运算放大器的基本应用电路：信号的运算、处理及信号产生电路。本章的主要内容：理想运放的概念及理想运放工作在线性区和非线性区的特点；集成运放的线性应用电路比例运算电路、加减运算电路、积分和微分运算电路、对数和指数运算电路。运放的非线性应用电路电压比较器。,第6章 集成运算放大器基本应用电路,6.2 理想运算放大器,什么是理想运算放大器?将集成运放的各项技术指标理想化后得到一种最简模型。,(1)Aod=(2)Rid=,Ro=0(3)IB1=IB2=0A(4)UIO=0，IIO=0，(5)KCMR=(6)BW=,6.2.1 理想运放的技术指标,6.2.2 理想运放工作在线性区和非线性区的特点,运放工作在线性区时，有：,因为,所以,即,称为虚短,又有输入电阻,因此,称为虚断,理想运放工作在线性有两个重要特性：“虚短”和“虚断”。,+Uom,-Uom,理想运放的电压传输特性,0,线性区 Aod,+Uom,-Uom,理想运放的电压传输特性,0,非线性区,非线性区,运放工作在非线性区时，uP-uN为微小量，Aod=，所以uO将饱和，为+UOM或-U。,理想运放工作在非线性区也有两个特点：,(1)当uPuN时，uO=UOM；当uPuN时，uO=-UOM。此时，集成运放工作在非线性区。,(2)uPuN为有限值，Rod=，所以。即理想运放工作在非线性区也具有“虚断”的特点,6.2.2 理想运放工作在线性区和非线性区的特点,集成运算放大器比例运算电路有三种类型：,1.反相输入比例运算电路2.同相输入比例运算电路 3.差分输入比例运算电路,比例运算电路：是输出信号与输入信号成固定比例关系的运算电路,6.3 比例运算电路,反相比例运算电路,反相比例运算电路,iI,if,uP,uN,0,0,输入电压uI通过电阻作用于集成运放的反相输入端，输入端有电流iI。,根据“虚断”，有iP=iN=0,可得,iI if,uP=0,根据“虚短”，有uP=uN=0,反相输入端是0电位，就好像接地一样，称为“虚地”。,反相输入比例运算电路的电压增益为,uO与ui是反相比例关系，比例系数为，其电压增益可大于、等于、小于1。,反相比例运算电路的输入电阻,if,若，则，则该电路称为反相器。,共模输入电压为,对运放的共模抑制比要求较低,反相比例运算电路,为保证运放输入级差分放大电路的对称性，在输入uI=0时，从运放的反相输入端和同相输入端向外看，两者的对地等效电阻相等，即,反相比例运算电路在uI=0时的等效电路,反相比例运算电路,例6.3.1 已知R1=R2=R4=100k、R3=10k，试求：1.电路的电压增益；2.为保证输入端的对称性，估算R的取值。,例电路图,解：1.根据“虚断”，“虚短”,求得,列节点电流方程,2.平衡电阻R为,反相比例运算电路,6.3.2 同相输入比例运算电路,同相比例运算电路,输入信号uI作用下，因虚断，得,uP,又因虚短,由以上分析可得,0,0,uN,所以电压增益为,根据虚断,同相比例运算电路,同相输入端的输入电流为0，其输入电阻为,uI,0,0,uI,根据虚短,同相输入比例运算电路的电压增益大于等于1，输出与输入同相，实现了同相比例运算关系，比例系数为,该电路对运放的共模抑制比要求较高。,共模输入电压为,6.3.2 同相输入比例运算电路,同相比例运算电路中若R1=和RF=0，则构成电压跟随器,同相比例运算电路,(a)(b)电压跟随器电路图,它可以在信号源与负载之间起到隔离和缓冲的作用。,其电压增益等于1，相当共集（共漏）放大电路的情况。,6.3.2 同相输入比例运算电路,6.3.3 差分输入比例运算电路,差分输入比例运算电路,输入信号uI1作用，uI2=0 时，输出为uO1,输入信号uI2作用，uI1=0时，输出为uO2,可得,设,电路的差模电压增益,(1)为保证运放输入端处于平衡状态，要求，为减小电路共模输出电压，通常应使。,(2)由于电路无“虚地”现象，uP，uN存在共模电压，应选用高共模抑制比的运放。,在应用该电路时，要注意以下几点：,(3)要求R1和R1及Rf和Rf 严格匹配。,(4)该电路增益调整困难。,实现差模运算称为差分比例运算电路,6.3.3 差分输入比例运算电路,集成运算放大器比例运算电路有三种类型：,1.反相输入求和运算电路2.同相输入求和运算电路 3.减法运算电路,加减运算电路：实现对多个输入信号按不同的比例求和或者求差的运算关系的电路。,6.4 加减运算电路,反相输入求和运算电路,在反相比例运算电路的基础上，增加多个输入支路，就构 成了反相输入求和电路。,反相求和运算电路,当R1=R2=R时，输出电压与两输入信号之和成反相比例运算关系,根据“虚短”、“虚断”及节点电流法求得,6.4.2 同相输入求和电路,在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路。,同相求和运算电路,根据“虚断”和叠加原理，得,根据“虚短”,同相输入求和电路可实现多个输入信号的加法运算关系，但此电路设计和调整较难。,6.4.2 同相输入求和电路,6.4.3 减法运算电路,加减运算电路,为解决差分比例运算电路设计中的困难，常用加减运算电路来完成多个输入信号的减法运算。,6.5.1 积分运算电路,用电容C替换反相比例运算电路中的反馈电阻RF，就构成积分运算电路，又称积分器。,积分运算电路,+uC-,0,根据“虚短”和“虚断”得,设初始时刻为0，t时刻输出电压为,当输入信号是直流电压UI时，有,输出电压与时间t为线性关系,6.5 积分和微分运算电路,例6.5.1:积分电路中，R=10k、C=0.1F。设电容器上的初始电压为0V，运放输出电压的最大值UOM=15V。,例的输入和输出信号波形,对例求解运算可得输出电压uO的波形如图(c)和(d),例的输入和输出信号波形,若积分运算电路的输入方波信号不完全对称，将导致积分运算电路的输出达到饱和；解决方法是在积分电容两端并联一个较大的电阻。同时，应采用输入失调电压、失调电流和偏置电流较小的运放。,当电路输入端分别加入如图所示的输入信号波形时，试分别画出积分器的输出信号波形。,6.5.2 微分运算电路,微分运算电路是将积分运算电路的电阻、电容互换位置得到的。设电容器上的初始电压为0V。,微分运算电路,根据“虚短”和“虚断”,可求得,在实际应用中，这种微分电路由于高频干扰的影响，电路输出不稳定，趋于振荡。,R1、C1对正常信号的微分运算影响很小；在高频段，降低电压放大倍数，有效地抑制高频噪声；,因此提出一种实用微分电路。,电路中，选取阻容元件的参数使,实用微分电路,RC1构成一个超前环节，克服R1、C的滞后影响，形成相位补偿；,稳压管用于限制输出幅度。,6.6.1 对数运算电路,对数运算电路,在反相比例运算电路中，将反馈电阻用二极管代替，可构成对数运算电路。,当uI0时，VD导通。由“虚短”和“虚断”可得,由二极管的伏安特性方程得,只有uI0时，此对数函数关系才成立,6.6 对数和指数运算电路,6.6.2 指数运算电路,将对数运算电路中的二极管VD和电阻R互换，可得指数运算电路。,指数运算电路相当反对数运算电路。,指数运算电路,当uI0时，VD导通。由“虚短”和“虚断”可得,2.电压比较器中的集成运放工作在开环或引入正反馈状态，工作在非线性区。,运放的工作状态,1.电压比较器可实现信号鉴幅和比较功能；与其它电子电路组合，可实现信号发生、模-数转换、电源监测等功能。,6.7 电压比较器,3.电压比较器的电压传输特性,电压比较器的输出电压uO与输入电压uI之间的关系曲线，称为电压传输特性。,(2)电压比较器的两种输出电压。,根据电压传输特性的不同，电压比较器分为3种：单限比较器、滞回比较器和窗口比较器。,(1)比较器的输出状态发生跃变时所对应的输入电压称为阈值电压，用UTH表示。,(3)电压比较器输出电压的跃变方向。,当uI UREF 时，uO UZ；电路的阈值电压UTH UREF,6.7.1 单限比较器,(a)(b)单限比较器及其电压传输特性,运放输入端并联的两个二极管作用是保护运放的输入级。运放输出端的R与DZ构成输出限幅电路。,对单限比较器进行如下讨论：,(1)当UREF=0V时，单限比较器称为过零比较器。其阈值电压为零。,6.7.1 单限比较器,(2)当参考电压UREF为常量时，单限比较器可以用于波形变换。设输入uI为三角波，过零比较器输出波形为矩形波。,过零比较器的输出电压波形,6.7.1 单限比较器,(3)当参考电压UREF为高频三角波时，若输入uI为低频正弦信号，则比较器输出为脉宽调制(PWM)波形，。,单限比较器输出的PWM波形,6.7.1 单限比较器,(4)若将单限比较器的输入端与参考电压端互换，此时输入uI经过UTH时，uO的跃变方向正好与原图相反。,6.7.1 单限比较器,(5)分析电压比较器的方法确定其电压传输特性。a.确定比较器的阈值电压UTH；b.明确输出在输入过UTH时的跃变方向。,基本方法：a.令uP=uN，求阈值电压UTH。b.若uI由同相输入端接入，有 若uI由反相输入端接入，有,(6)当输入电压uI受到干扰在阈值电压上下波动时，其输出uO将在高、低电平之间反复跳跃。因此单限比较器抗干扰能力差。,6.7.1 单限比较器,例6.7.1 单限比较器的参考电压UREF0V，试分析其电压传输特性。,解：根据“虚断”和叠加定理,令,求得,得出电路的电压传输特性。,(a)(b)例的电路图及其电压传输特性,6.7.2 滞回比较器,滞回比较器的输出uO经过反馈电阻R1被引回到运放的同相输入端。由于引入了正反馈，运放工作于非线性区，uO为高电平+UZ或低电平-UZ。,uP不仅取决于UREF，还受uO的影响。随着uO在+UZ和-UZ之间的跃变，uP也随之改变。因此，滞回比较器具有两个阈值电压。,反相滞回比较器与电压传输特性,反相滞回比较器,根据“虚断”和叠加定理,令,可得,当uO=+UZ 时，上限阈值电压 UTH1,当uO=-UZ 时，下限阈值电压 UTH2,6.7.2 滞回比较器,设uIUTH2，则 uN uP，uO+UZ。此时uPUTH1，增大 uI，经过UTH1时，uO从+UZ跃变为-UZ。,电压传输特性,设 uIUTH1，则 uN uP，uO-UZ。此时uP UTH2，减小 uI，经过UTH2，uO从-UZ跃变为+UZ。,由以上分析可得滞回比较器的电压传输特性。,两阈值电压之差称为回差电压,改变UREF的值，可使滞回特性曲线在水平方向上移动；改变电阻R1、R2的比值，可改变回差电压U。,6.7.2 滞回比较器,设uI UTH，uO-UZ，阈值电压为UTH2；减小uI过UTH2时，uO由-UZ跳变为+UZ，阈值电压为UTH1；此后uI只有经过UTH1时才使uO由+UZ跳变为-UZ。因此有更强的抗干扰能力。,(a)(b)反相滞回比较器的输入与输出电压波形,滞回比较器可用于波形变换，例如将三角波变换为矩形波。,6.7.2 滞回比较器,将图中uI和UREF的位置互换，就构成了同相滞回比较器，其电压传输特性曲线的变化方向与反相滞回比较器正好相反。,6.7.2 滞回比较器,例6.7.2设运放的最大输出电压UOM=12V，试求：1.分析电路的电压传输特性；2.根据电路输入电压信号画出电路的输出电压波形。,解：1.由电路图可知,例电路图及其电压传输特性,根据“虚断”和叠加定理,求得,当uO=+6V时，UTH1=1.5V；当uO=-6V时，UTH2=7.5V,令,6.7.2 滞回比较器,2.根据电路的电压传输特性，可得电路的输出电压波形。,该电路为同相滞回比较器，可画出其电压传输特性。,例的输入和输出电压波形,6.7.2 滞回比较器,6.7.3 窗口比较器,窗口比较器由一对单限比较器构成。有两个阈值电压，由R1、R2与VD1、VD2构成的分压支路提供。,当R1=R2时,窗口比较器,1.当uIUL时，UO2=+UOM，VD4导通；uO1=-UOM，VD3截止，uO=+UOM。2.当UH uIUL时，uO1=-UOM，uO2=-UOM，VD3、VD4截止，uO=0。3.当uIUH时，uO1=+UOM，VD3导通；uO2=-UOM，VD4截止，uO=+UOM。,6.7.3 窗口比较器,窗口比较器的输入uI在单向变化过程中，经过每一个阈值电压时，uO都发生跃变，即uO会跳变两次。,窗口比较器可以检测某一特定范围的输入信号，常用于信号鉴幅、模拟-数字转换等电路中。,窗口比较器的输入和输出电压波形,6.7.3 窗口比较器,集成电压比较器与由通用的集成运放构成的比较器的区别为：(1)通用集成运算放大器的工作速度较慢，一般为s数量级；集成电压比较器翻转速度快，大约在ns数量级。(2)通用集成运算放大器的输出级一般采用推挽电路，双极性输出，输出电平比较高。与数字电路连接时需加限幅措施。集成电压比较器的输出级为集电极开路结构，需接上拉电阻，输出符合TTL/CMOS电平，容易和数字电路连接。,6.7.4 集成电压比较器的特点,集成电压比较器分类：按电压比较器的个数，可分为单、双和四电压比较器；按功能可分为通用型、高速型、低功耗型、低电压型和高精度型；按输出方式可分为普通、集电极开路输出或互补输出。,表6.7.1 几种常用集成电压比较器的性能比较,6.7.4 集成电压比较器的特点,LM311的8脚双列直插式管脚图如下图(b)所示。LM311有同相和反相两个输入端，正、负两个外接电源，有外部平衡调节端和选通控制端。输出可接成“线与”方式。,(a)(b)LM311的管脚,LM311特点：输入偏流小，电压范围宽、响应速度快、输出与TTL及CMOS电平兼容。,1.LM311,电阻R的阻值可根据负载电流的大小和电源电压的高低来选择，电阻R也可以是负载。LM311可以采用集电极(或漏极)开路输出，其输出电平灵活，可以输出3.3V、5V和12V等。,(a)集电极输出方式(b)发射极输出方式LM311常用接法,1.LM311,LM339是一种四电压比较器集成电路。采用14脚双列直插式的封装。,LM339的特点：(1)工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作；(2)输入失调电压小；(3)对信号源的内阻要求不高；(4)共模输入电压范围宽；(5)差动输入电压范围较大，最大可以等于电源电压；(6)输出端电位可灵活设置。,LM339的管脚与功能图,2.LM339,用LM339可以方便的构成单限比较器等多种比较器，LM339可以直接驱动CMOS。,LM339构成的单限比较器(b)LM339 直接驱动CMOS电路,(a)(b),2.LM339,LM339可以直接驱动TTL门电路。,(c)LM339 直接驱动TTL电路,2.LM339,
