电工电子7-集成运算放大器

RfC1称为微分时间常数
与反相运算电路的区别
5. 同相比例运算电路
无“虚地”

表明uo和ui成比例关系，比例系数是1+Rf/R1，而且uo与ui是 同相位。 为了保保证差动输入级的静态平衡 R2＝R1∥Rf

电压跟随器
当R1＝∞, uo ＝ ui为电压跟随器
电压跟随器具有极高的输入 电阻和极低的输出电阻 能起到良好的隔离作用





解： 因传感器的输出阻抗低，故可采用由输入阻抗小的反相比例运算 电路构成放大器； 因标准表的最高输入电压对应着传感器10MPa时的输出电压值， 而传感器这时的输出电压为1×100mV＝0.1V，也就是放大器的 最高输入电压，这时放大器的输出电压应是5V。 所以放大器的电压放大倍数是5/0.1=50倍。 由于相位与需要相反，所以在第一级放大器后再接一级反相器， 使相位符合要求。 根据这些条件来确定电路的参数。
电工电子技术
清华大学出版社
第7章
项目

集成运算放大器
集成运算放大电路的认识及应用
任务一 集成运算放大器的认识 任务二 学习放大器基本线性运算电路 任务三 学习放大器的非线性应用电路 动手做 用运算放大器实现电压比较的电路
项目引入

在计算机主板上可以看到一些集成芯片，这些集成芯片体积 小、管脚多，应用非常广泛。
（a）同相输入过零电压比较器
（b）传输特性
图7-22 同相输入过零电压比较器及其传输特性
3.滞回电压比较器

当输出电压为正饱和值uo＝＋UoM，
UR是基准电压

当输出电压为负饱和值uo＝－UoM，
回差电压:URH－URL

设某瞬间 uo＝＋UoM，在ui≥URH时，输出 才能由＋UoM跃变到－UoM； 若ui持续减小，减小到ui≤URL时，输出才 会又跃变至＋UoM 改变R1或R2，可改变URH、URL和回差电压。



（1）取放大器的输入阻抗是信号源内阻的20倍，即R1＝10kΩ； （2）Rf＝50R1＝500kΩ； （3）Rp＝R1∥Rf＝10∥500＝9.8 kΩ； （4）运算放大器均采用LM741； （5）采用对称电源供电，电压可采用10V; （6）Rf2＝R12＝50kΩ； （7）Rp2＝R12∥Rf2＝50∥50＝25 kΩ。 电路图如图7-6所示。
过零比较器的传输特性
输出电压波形图
动手做 用运算放大器实现
电压比较的电路


预习要求
（1）通过阅读资料，了解μA741集成运算放大器的主要技 术参数及应用特性； （2）复习运算放大电路的基本原理及电路组成； （3）重点复习运算放大器的非线性应用。


一、实训目的
（1）熟悉集成运算放大器的外形结构及各引线的功能； （2）学习应用集成运算放大器组成滞回电压比较器的接线 和测量方法； （3）掌握常用电子测量仪器的使用。

R1Cf称为积分时间常数，越大，达一uo值所需的时间越长。

当ui＝U（直流）时，有

若ui是一个正阶跃电压信号，
则uo随时间近似线性关系下降，输出电压最大数值为集成运 放的饱和电压值。
（a）阶跃信号 图7-9 反相积分电路
（b）积分输出信号
4. 反相微分电路
电容R1换成C1
duC iC = C1 dt
（a） 计算机主板
（b）常见集成芯片
图7-1 计算机主板及常见集成芯片
1.集成运算放大器的基本组成

输入级：一般采用具有恒流源的双输入端的差分放大电路 目的就是减小放大电路的零点飘移、提高输入阻抗。 中间放大级： 电压放大，使放大器有足够高的电压放大倍数。 输出级：一般采用射级输出器构成的电路 目的是实现与负载的匹配，使电路有较大的输出功率和较强的带负载能力 偏置电路： 是为上述各级 电路提供稳定合适的偏置电 流，稳定各级的静态工作点 一般由各种恒流源电路构成。
〖例7.3〗试写出通过负载电阻RL的电流iL与输信号ui 之间的关系式。

解: 分析电路可知，其反馈类 型为电流串联负反馈，各电流、 电压之间的关系如下
iL = i1
与负载电 阻RL无关
图7-14 电压－电流转换器
只要ui和R1恒定， 负载中的电流iL就恒定
6. 差分输入运算电路

当集成运算放大电路的同相输入端和反相输入端都 接有输入信号时，称为差分输入运算电路，如图715所示。

解:由差分放大电路输出与输入之间的关系式可得出

计算结果表明，输出信号 电压与传感元件电阻值的 变化量成正比。
运算放大器构成的测量电路
任务三 学习放大器的非线性应用电路

运算放大器的非线性应用——
前面学习的放大器都是 工作在线性条件下

当运算放大器工作在开环状态或引入正反馈时，由 于其放大倍数非常大，所以输出只能存在正、负饱 和两个状态。 在非线性工作条件下，放大器可实现电压比较、信 号的产生等功能。


想一想：
集成运算放大器工作在线性区和非线性区的特点有 哪些？ 理想集成运算放大器的Auo、rid、ro、rid、KCMR各是多 少？ 什么是“虚短”和“虚断”？ 什么是“虚地”？


任务二 学习放大器基本线性运算电路

1. 反相运算电路（反相比例运算电路） u＋ = u- = 0
｝
图7-5 反相比例运算电路
Rp＝R1∥Rf
ui和uo之间是相位相反的比例关系 其放大关系仅与Rf和R1有关，而与放大器本身无关
反相器——Rf＝R1时，则有Auf＝－1

想一想：
反相比例运算电路中，既然u－≈0 ，那么将该反相输 入端真正接地能够正常工作吗？ i－≈0，那么将该反相输入端引线断开能正常工作吗？ 为什么？
〖例7.1〗有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500Ω，测量 范围是0~10MPa，其灵敏度为+1mV／0.1 Mpa。现用一个输 入0~5V的标准表来显示这个传感器测量的压力变化，需要用 一个放大器把传感器输出的信号放大到标准表输入需要的状态， 设计一个放大器并确定各元件参数。

（2）电源端
管脚7与4是外接电源端，为集成运算放大器提供直流电源。
使用时不能接错
通常采用双电源供电方式，4脚接负电源组的负极，7脚接正电源组的正极。

（3）调零端
管脚1和5是外接调零补偿电位器端。 调节电位器RP，可使输入信号为零时，输出信号也为零。
集成运算放大器的电路参数和晶体管 特性不可能完全对称
门限电压 （阈值电压）
输出电压与输 入电压的关系
（b）传输特性
（a）过零电压比较器
（b）传输特性
图7-18 过零电压比较器及其传输特性
可得某一特定电压值
2. 有限幅电路的电压比较器


限幅电路——
利用稳压管的稳压功能，将稳压管稳压 电路接在比较器的输出端
双向稳压管，稳定电压为±UZ
限幅电路



3. 理想运算放大器的特点


直流信号放大电路，把集成运算放大器作为一个线性放大元件
两个重要特点:
虽u＋＝u－， 但不是真正 的短路，不 能两者短接 起来
（1）同相输入端和反相输入端的电位相等（虚短）。 因Auo≈∞，所以ui＝u- － u＋＝uo/Auo≈0， 则 u＋＝u－ “虚地”——反相输入端是一个不接“地”的“地”电位：


本章结束
图7-6 例7.1图
2. 反相加法运算电路
｝
uo与ui之间的关系仅与外部电阻有关，具有高运算精度和稳定性 。 若使Rf＝R1＝R2＝R3 ， 则 uo＝－（ui1＋ui2＋ui3） 表明，输出电压等于输入电压的 代数和。 平衡电阻 Rp＝R1∥R2∥R3∥Rf
3. 反相积分电路
Rf换成电容Cf
与反相运算电路的区别 积分与反相关系



滞回电压比较器由 于引入了正反馈， 可以加速输出电压 的转换过程，改善 输出波形；由于回 差电压的存在，提 高了电路的抗干扰 能力。
当输入电压是正弦波时，输出矩形波
〖例7.5〗 试画出图7-25所示过零比较器的传 输特性。当输入为正弦电压时，画出输出电压 的波形。
解： 通过过零比较器可以将输 入的正弦波转换成矩形波


反相比例运算无共模信号；而同相输入比例有：
即u ＝u ＝u ，故要求能够承受共模干扰信号
〖例7.2〗试计算Uo的大小
解：是一电压跟随器 分压后，同相输入端得到＋7.5V的 输入电压， 即Ui＝7.5V 因为是一电压跟随器，故Uo＝Ui
所以Uo＝7.5V。
由此例可见，Uo只与电源电压和分压电阻有关，其精度 和稳定性较高，可用做基准电压。
ro越小，集成运放带负载的能力就越强，
一般为几百欧，甚至更小。


（4）共模抑制比KCMR
衡量集成运放抑制干扰信号能力大小的参数。 KCMR数值越大，抑制干扰的能力越强。一般运放的KCMR达几十万以上


理想集成运放 : Auo≈∞ rid≈∞ ro≈0 KCMR≈∞
还有输入失调电压、输入失调电流、输入失调温漂电压、输 入失调温漂电流等参数。
如果信号自反相输入端输入，同相输入端接地时，u+＝0，u－也等于零。
（2）同相输入端和反相输入端的输入电流等于零（虚断）。 rid≈∞，所以 i＋＝i－≈0

上述两个结论，可使电路分析简化，是分析的依据。 此外，集成运算放大器还可以工作在非线性区。此时， uo≠Auo（u+－u－）
虽i＋＝i－≈0， 两输入端不能 真正地断开