【教学课件】第七章集成运算放大器的应用.ppt
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1、第七章 集成运算放大器的应用,7.1 集成运放应用基础 7.2 运算电路 7.3 有源滤波电路 7.4 电压比较器,7.1 集成运放应用基础,7.1.1 低频等效电路,图7-1 集成运放低频等效电路,7.1.2 理想集成运算放大电路,(1)开环电压放大倍数Aod=;(2)输入电阻rid=;ric=;(3)输入偏置电流IB1=IB2=0;(4)失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂 均为零。(5)共模抑制比CMRR=;(6)输出电阻rod=0;(7)-3dB带宽fh=;(8)无干扰、噪声。,7.1.3 集成运放的线性工作区,放大器的线性工作区是指输出电压Uo与输入电压Ui成正比时的输入电压
2、Ui的取值范围。记作Ui minUi max。,Uo与Ui成正比,可表示为,代表运放同相输入端的电位;U代表运放反相输入端的电位;其中,与都是运放的差模输入电压,只是两者的规定正方向相反。当集成运放工作在线性区时,作为一个线性放大器件,它的输出信号和输入信号之间满足如下关系:,(7-1),例如F007开环时Aod=105,UOL=-10V,UOH=+10V,则其线性区为-0.1mV+0.1mV。如果外加负反馈,使闭环增益Auf=100,则,对于理想运放,由于Aod=,Uo是有限值,所以当其工作在线性状态时,由公式(7-1)可得,故,7.1.4 集成运放的非线性工作区,运放的非线性工作区是指其U
3、o与 不成比例时,的取值范围。在非线性工作区,图 7 2 理想运放开环传输特性,由于理想运放的rid=ric=,而输入电压总是有理值,所以不论输入电压是差模信号还是共模信号,流过两输入端的电流及均为无穷小量,即,7.2 运 算 电 路,7.2.1 比例运算电路,1.反相比例运算电路,图 7 3 反相比例运算电路,因为,所以,又因为,所以,因为,,所以,该式表明,Uo与Ui是比例关系,其比例系数是Rf/R1,负号表示Uo与Ui相位相反。作为一个放大器,其闭环增益、输入电阻、输出电阻分别为,所以,2.同相比例运算电路,图 7 4 同相比例运算电路,因为,所以,因为,所以,电压增益,输入电阻,输出电
4、阻,若图 7-4 中的R1=或Rf=0,则Uo=Ui,此时,该电路构成电压跟随器,分别如图 7-5(a)、(b)所示。图 7-5(a)中,Rf具有限流保护作用,R=Rf,以满足平衡条件,图 7 5 电压跟随器,3.差动比例运算电路,图 7 6 差动比例运算电路,因为,所以,所以,若满足平衡条件 R1Rf=R2Rp,则,若满足对称条件 R1=R2,Rf=Rp,则,或,当满足对称条件时,其差模电压增益Aud为,差模输入电阻为,输出电阻,7.2.2 求和电路1.反相求和电路,图 7 7 反相求和电路,因为Rf引入负反馈,所以运放工作在线性区,故,反相求和电路可以模拟如下方程:,例如,要求用集成运算放
5、大器实现,如果Rf=100k,电路如图7-7所示,则只要选取,则,图 7-7 所示电路对 呈现的输入电阻分别为,输出电阻为,2.同相求和电路,图 7 8 同相求和电路,因为,所以,因为 所以,即,因为,式中 R=RaRbRc,所以,若满足平衡条件R=RaRbRc=R=R1Rf,则,该电路对 所呈现的输入电阻分别为,输出电阻为,3.代数求和电路,图 7 9 代数求和电路,令,在 作用下,则,令,在 作用下,则,式中,R=R3R4,R=R1R2Rf,故,若满足平衡条件 R=R,则,图 7 10 代数求和电路的常用形式,由于理想运放的输出电阻为零,所以其输出电压Uo不受负载的影响。当多级理想运放相连
6、时,后级对前级的输出电压Uo不产生影响。,7.2.3 积分电路和微分电路,1.积分电路,图 7 11 反相积分电路基本形式,由电路得,因为“-”端是虚地,即,并且,式中uC(0)是积分前时刻电容C上的电压,称为电容端电压的初始值。所以,把 代入上式得,当uC(0)=0 时,若输入电压是图 7-12(a)所示的阶跃电压,并假定uC(0)=0,则t0时,由于uI=E,所以,图7 12 基本积分电路的积分波形,当时间在t1 t2期间时,uI=+E,电容充电,其初始值,当时间在0t1期间时,uI=-E,电容放电,当t=t1时,uO=+Uom。,所以,当t=t2时,uO=-Uom。如此周而复始,即可得到
7、三角波输出。,图7 13 实际积分运算电路,2.微分电路,图7 14 微分电路,因为,并且“-”端是虚地,所以,7.2.4 对数和指数运算电路,1.对数运算电路,当 时,所以,将反相比例电路中的Rf用二极管或三极管代替,即可组成对数运算电路,如图7-15所示。,图7 15 基本对数运算电路,当二极管正向导通时,由于“-”端是虚地,所以,图7 16 用三极管的对数运算电路,2.指数运算电路,图 7 17 基本指数运算电路,由于“-”端是虚地,所以二极管的端电压uD为,当uIUT时,又因为,所以iF=iD,故,7.2.5 乘法运算电路,图 7 18 简单乘法器框图,图 7 19 集成乘法器电路符号
8、,图 7 20 除法电路,因为运放的“-”端是虚地,并且,所以,因为,由以上两式得,正确地选取R1与R2的值,使R2/R1=k,则,图 7 21 开平方电路(uI0),因为运放的“-”端是虚地,并且,所以,而 故,正确地选取R1与R2的值,使R2/R1=k,则,【例1】图 7-22 是一个由理想运放构成的高输入阻抗放大器,求其输入电阻ri。,图 7 22 高输入阻抗放大器,解 两个运放都外加有负反馈,所以都工作在线性区。,当 时,。一般为防止自激,以保证ri为正值,R要略大于R1。,7.3 有源滤波电路,图7 23 无源滤波器及其幅频特性,图7-23(a)中:,图7-23(b)中:,它们的截止
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