运放基础知识

集成运算放大器的线性应用
1、集成运算放大器的转移特性: 正饱和
uo
u-
∞
uo u+
线性工作范围 u- - u+
0
•输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅 十几毫伏），所以常将特性理想化
负饱和
2、运放线性工作的保障: •两输入端的电压必须非常接近，才能保障运放工作
在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。
•电路图和传输特性曲线如图所示。
(a)电路图
(b)传输特性曲线
图07.02 固定电压比较器
(2)比较器的基本特点
• 工作在开环或正反馈状态。 • 开关特性，因开环增益很大，比较器的输出
只有高电平和低电平两个稳定状态。 • 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线
性关系。
二、迟滞比较器
•由输出引一电阻分压支路到同相端，电路如图所示。
Un Rn
( 1 R1
1 R2

1 Rn
)UP

1 Rs K Rs Rf
Uo
设 : R1

R2

Rn; K

R n
Uo

K (1
Rf Rs
)(U1 R1
U2 R2

Un Rn
)

1 (1 n
Rf Rs
) (U1 U2
Un)
结论：(1).同相加法器的输出电压与输入电压U1 Un之和成正比。 (2).缺点：调节某一支路的Rn会影响比例放大倍数 。 (3).优点：输入阻抗高。
•因 运 放 具 有 虚 断 的 特性； •对 运 放 同 相 输 入 端 的电位可用叠加原理 。 求得：
UP
U

Rs Rs Rf
Uo;
因: I1 I2 In
U1 U P U2 U P Un U P 0
R1
R2
Rn
U1 U2 R1 R2
结论：(1).闭环增益AUf只取决于Rf和R1 ；
(2).负号表示Ui与Uo反相；
（二）、同相比例运算电路
1.电路
If
I1 R1
R2 Ui
Rf
∞ Uo
3.构成要求
R2=R1//Rf （R +=R -）
2.分析
(4)、∵I-=0，∴If =I1
(1)、∵I+=0 ∴ U Ui
(2)、 U U Ui

(
Rf R1
U i1

Rf R2
Ui2 )
图07.01 反相求和运算电路 当R1 R2 Rf时，输出等于两输入反相之和。 Uo (Ui1 Ui2 )
（二） 同相加法电路
•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，如图所示。
图07.02 同相加法电路
Uo Ud
iR id
id

Isexp
Ud UT
Uo

U T ln
id Is

U T ln
Ui RI s
六、 指数运算•图电中路二极管可用三
极管发射接代替。
指数运算电路如图07.10所示。
Uo if R f id R f

R f
Is
exp
Ui UT
图 07.10 指数运算电路
值是固定的，有的只有一 个阈值，有的具有两个阈 *五、 比较器的应用
值。
一、 单门限比较器
只有一个门限的 比较器
(1)过零比较器和单门限电压比较器
•过零电压比较 器是典型的幅 度比较电路。
•其电路图和传
输特性曲线如
(a)
图所示。
(b)
(a)电路图
(b)传输特性曲线
图07.01 过零电压比较器
•将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个 电压值VREF 上 , 就得到单门限比较器。
•根据以上特点推出理想运放线性应用时的重要特性
二、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征：
1、u+=u-(虚短)
Ui=U+=U-= Uo / AU
两输入端电压近似相等；
2、 i+=i-=0 (虚断)
同相和反向输入端电流近似为零；
Ui= Uo / AU 0 ; Ui= Ii Ri 0 ; Ii 0 ;


Rf
Is
ln1
Ui UT
•指数运算电路相当反对数运算电路。
第二节、电压比较器
比较器是将一个模拟
电压信号与一个基准电压 一、 单门限比较器 相比较的电路。
常用的幅度比较电路 二、 迟滞比较器
有电压幅度比较器、窗口 比较器，具有迟滞特性的
三、 单片集成电压比较器
比较器。这些比较器的阈 *四、 窗口比较器
•当输入电压Ui从零逐渐增大：
1.当Ui ≤U时；
Uo

U
om
U 称为上限阈值(触发)电平。
U 1

R f U REF R f R2

R2 R f R2
U
om
2.当U i
≥ U 时：U o

U
om
•此时触发电平变为U2 ， U2 称为 下限阈值(触发)电平。
U2

R f U REF R f R2
6*、检验输出电压是否在线性范围内。
一、理想运放模型： •理想运放具有如下性能：
1、开环电压增益——AUd ; 2、输入电阻——Rid ; 3、输出电阻——Ro=0; 4、频带宽度——BW ; 5、共模抑制比——CMRR ;
6、失调、漂移和内部噪声为零 ;
运放的主要特点 对功能电路非常重要
I3、输出端呈电压源特性： U-
I+
U+
∞
Uo + A-U(U+-U- )
第二节 基本运算电路
一、比例运算电路 反相比例运算
二、加、减法运算电路 反相加法运算
同相比例运算
同相加法运算 减法运算
三、积分微分电路
四、对数指数电路
基本反相积分
对数电路
基本反相微分
指数电路
（一）、反相比例运算电路
1.电路
3.总输出电压为：
Uo2
Uo1
Uo2

(1
Rf R1
)
R3 R2
R3
U2

Rf R1
U1
若取电阻 : R1 R2; R3 Rf ;
上式可简化为： U o

Rf R1
(U2
U1)
三、 积分电路
•积分运算电路的分析方法与加法电路类似，反相积
分运算电路如图所示：
1.利用运放虚地的概念：
If
Rf
3.构成要求
R1 Ui
I1
∞ Uo
Rp=R1//Rf （R +=R -）
2.分析
Rp
(1)、∵I+=0 ∴U+＝0V
(5)、
Uo U Rf
If


Rf R1
Ui
(2)、U-=U+=0V(虚地) (3)、I1=Ui /R1
AUf
Uo Ui


Rf R1
Ui
(4)、∵I-=0，∴If =I1= Ui /R1
二、 减法电路
P
•减法器为同、反相放大器的组合，利用叠加原理求解：
1.只考虑U1作用时：
Uo1

Rf R1
U1
2.只考虑U2作用时：同相端 输入电压为：
Up

R2
R3
R3
U
2
图07.02 减法电路
Uo2 Uo1 Uo2

Uo2 (1 Rf
R1
()1R2RRR31fR)3RU2R23RR3RU R1
Ui R1
( 5)、AUf
Uo Ui
1 Rf R1
Uo

(1
Rf R1
)U i
结论：闭环增益AUf只取决于Rf和R1 ；
而与运放本身无关。
同相比例运算电路（特例）
电路：
Rf =0
R1 =
R2 Ui
∞ Uo
当 Rf =0 ; R1 = 时：上式中的电压增益为：
AUf
Uo Ui
1
即：Uo Ui
•是一个理想的电压跟随器。
（一）、 反相加法电路
Rp
•在反相比例电路的基础上加一输入支路，构成反相加法电路。
•两输入电压产生的电流都流向Rf 。所以输出是两输入信号的比
例和。
Uo (Ii1 Ii2 )Rf

(U i1 R1

U i2 R2
) Rf

R2 R f R2
U
om
图07.03(a)滞回比较 器电路图
i(t)= ui (t)/R i(t)= if (t)
2.电容两端的电压：
图12.05 积分运算电路
uc
(t)

uo
(t
)


1 C
if (t)dt
1 RC
ui (t)dt
四、 微分电路
•微分运算电路如图所示:
ic
(t
)

C

dui (t dt
)
;
ic (t) if (t)
•运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主
要电路标志。
线性应用运放电路的一般分析方法
•求输出电压的方法可分步骤进行： 1、利用i+=0，由电路求出同相输入端电压u+ ； 2、利用u+=u-，确定反相输入端电压u-=u+ ； 3、利用已知电压u-，由A电路求出电流i1 ； 4、利用i-=0，求出电流 if =i1 ； 5、由电路F的特性和u-确定输出电压：uo=u--F(if ) ；
if
(t
)

C

dui (t) dt

图 07.07 微分电路
显然 :
uo (t) if (t)R f icR

R
f
C
dui (t) dt
•反映了输入输出的微分关系。
五、 对数电路 •图中二极管可用三
极管发射接代替。
对数运算电路见图12.08。
图 07.09 对数运算电路