理想与集成运算放大器

U 0 R6 R4 U i nU i
+
3
6
6
2
U0
+
LM3 5 8
U 01
R2 U i R1
U 01 0
退出
可见输出形成全波整流。同理，若将D1、D2极性反接，可得到输出极性相 反的全波整流。
8 通用窗口比较器
10k UH VCC_CIRCLE A1 1N4001 1 1 2
V+ V+ R1 R2 V+
vo
RT
应变片1
vo
W 应变片2
R1
vo
R2
压力传感器
温度传感器
（1）差模信号和共模信号
VDIFF表示差模电压，它是有用信号。VCM表示共 模电压，它携带的信号对测量没有用处，且会降低测 量精度。
（2）基本差分放大电路的原理
Rf R1
v1 v2
-
A +
vo
R2 RF
Rf RF Rf vo vo1 vo2 v1 （ ）v2 1 R1 R2 RF R1
2.实际运算放大器的模型
vN
vP
+ +
+
v D rD
rO
avD
vO
（1）差分输入电阻rD； （2）电压增益a； （3）输出电阻rO； （4）差分输入电压vD=vP-vN。 741运算放大器的rd=2MΩ，a=200V/mV，ro=75Ω。
1.2 用集成运放构成的典型放大电路
1.比例放大器
R2 R1
VREF
v2 -A 1 +
R1 2kΩ R2
Βιβλιοθήκη Baidu
Rf 2kΩ
输 入 数 字 量
Rfb
I OUT1 I OUT2
AGND DGND
v1 1kΩ
-A 2 +
加法电路
vo
vo 5V 2 v1
D/A转换器双极性输出工作波形
v1
t
vo
+5V
0 -5V
0 -5V
t
3.基本差动放大电路 （1）差模信号和共模信号
vi
+
A
vo
Avf=vo/vi= -R2/R1
2.同相放大器
vi
+ -
A
vo
R2 R1
vo R2 Avf 1 vi R1
3.加法电路
v1 v2
R1 R2
Rf
-
A +
vo
v1 v2 vo （ ） Rf R1 R2
加法电路的应用——D/A转换器双极性输出
+5V
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
4.仪表放大器 采用IN132构成的仪表放大器
v1
+ -
A1 R2
2
40kΩ
40kΩ
-
5 6 1
R1
R2 3 40kΩ
A + 2
+
vo
40kΩ
v2
R2 vo 1 2 ）（v2 v1 （ ） R1
仪表放大器具有的特征是：
• 具有高的输入阻抗，低的偏置电流。
• 平衡差动输入，高的共模抑制比。 • 单端输出，较低的输出电阻。 • 具有较小的失调电压与漂移。 • 改变一只外接电阻阻值或接线，即能改变放大器的增益。
4．转换速率（Slewing Rate，SR） OPA552的单位增益带宽GBW为12MHz，SR为 24V/μS，用其构成放大倍数为5的反相放大器，其小信 号带宽为12MHz/5=2.4MHz，当输出信号的峰-峰值为 10V时，其 fp（max）=SR/（2πVo（max））==764（kHz）
基于集成运放的放大电路设计
运算放大器构成信号的产生、信号的变换、 信号处理等各种各样功能，已成为构成模拟系统 的基本单元。 1.1 运算放大器的模型
vN vP 高阻 输入级 中间 放大级 低阻 输出级
vO
偏置电路
1.理想运算放大器的模型
iN=0
vN
vP
iP=0
-
vD
+
+ -
avD
vO
（1）开环增益Avd＝∞； （2）输入电阻Rid= ∞ ； （3）输出电阻Rod=0； （4）频带宽度△f=∞； （5）共模拟制比KCMR=∞； （6）失调漂移、内部噪声均为0。
R2 I2 A + RP
VP I P RP I1 R1 R1
I P RP I 2 I1 I N IN R1
vo
v o I 2 R2 I P RP （ I P RP I N）R2 I P RP R1
R2 （ I P RP I N R1 ） I P RP R1 R2 1 ）R P I P R 2 I N （ R1
Rf
R1 +VCC C2 8
1 fL 2R2C1
在通带内： uo
ui
C1
Auf 1 Rf R1
•
R2
-VEE
Ri R2
7 精密整流电路
① 半波整流电路 精密整流电路，它可将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。 当
U i （正半周）时，D 导通，D 截止，输出电压: 0 1 2
当 Ui 0 （负半周）时，D1截止，D2导通，输出电压:
Ci vi
vo
电容C1、C2为隔直电容，有关C1、C2的选择有放大器的下限频率fL 决定。该放大器的电压放大被数 AVF = RF／R1 下图是自举式同相交流放大器
退出
① 双电源供电的交流放大器 若只放大交流信号，可采用同相式交流电压放大器（也可 用反相式）。
退出
同相交流放大电路 1. 一般电路
退出
A1
Ct R5 6 2 1 680 2 1k 2 1 Vz
0.01uF
1
R3
3.3k
100 R1
R2 Rp
2
1
F VZ f 2V 01 R t C t
R2 F R W R1
2
1
¡ À6V
12
+
3.3k
R4
100k
3
-
1
+
3
2
RW Rt 2 2 A2 6 VCC_CIRCLE V01
开环电压增益从开环直流增益A0下降3dB时所对 应的频宽称为开环带宽BW 从开环直流增益到0dB时所对应的频宽称为单位 增益带宽GBW 。 741运放的典型值fb=5Hz，ft=200000×5=1MHz。
3.开环带宽BW和单位增益带宽GBW
R1 R2 dB A0 +
A
AF 0 fb 1+R2/R1 f(dec) fB ft
1 1 2
R 42 0 k
2 2 1
U0 1
D1
1
20k R6
2
R 220k D2
1 Vi
R 510k
1 N4 1 4 8
20k R1
2
2 3
LM3 5 8 R3
1
10k
1
6 .2 k
R7
2
2
+
3
6
6
2
U0
+
LM3 5 8
退出
1 1 2
R 42 0 k
2 2 1
U0 1
D1
1
20k R6
2
R 220k D2
1 Vi
R 510k
1 N4 1 4 8
20k R1
2
2 3
LM3 5 8 R3
1
10k
1
6 .2 k
R7
2
2
当 Ui 0 （正半周）时，二极管D2截止，D1导通， 故 R R
U0
6
R4
Ui
6
R5
U 01 nU i
当 U i 0（负半周）时，二极管D1截止，D2导通， 故
V vo
0
t vI
正确使用集成运算放大器 （1）正确理解运放性能参数 电源电压 带宽 输出电流
MAX4016
MAX4016
正确使用集成运算放大器 （2）输入保护电路
R2 R1 D1 D2 VCC -
vi
A
+
vo vi
R1
D1 D2
A
+
RP VEE
（3）调零
1
R2
2
R1
Rf v 当Rf=RF，R1=R2 时，o vo1 vo2 R （v1 v2） Av（v1 v2） f 1
（2）专用差分放大器-IN132
差动放大电路的的主要优点是电路简单，缺点 是输入电阻较低，增益调节不便，在实际使用中电阻 参数很难完全匹配导致共模抑制能力下降。
Ref 1 -in 2 +in
+
UL 1
2
3
1
-
2
3
2
10k
+
LM358
3
-
1
2
2
2
R3 4.7k V0 VCC_CIRCLE
输出V0=5V 。电路中A1、A2的输入端所加的双向嵌位二极管， 其保护作用。图中R3是一电阻，如需要，它可以是一个继电器 或指示灯
9 三角波—方波发生器
虽然产生三角波的电路很多，但用运算放大器构成的三角波发生器却
满足以上要求的电路原理图如下。
A1 V1 VCC_CIRCLE 3 2 + OP 07 R4 R6 2 10k 1 10k 2
1
6
1 R1 50k
12
OP 07 R2 1k + A3 1 3 2 V0 6 VCC_CIRCLE
12
R3 + OP 07 2 VCC_CIRCLE V2 3 A2 6 50k 1 R5 10k 2 2 R7 10k
R2 E0 1 ）（ R1 //R2）I OS （ R1
2. 输入失调电压 将同相输入端和反相输入端短接，对于实际 运算放大器来说，由于输入级电路参数的固有失 配，其输出电压vo≠0 。
VOH
实际运算放大器 理想运算放大器 0 VOS VOL
vP-vN
vN vP
VOS
+
vo
VOS对电阻反馈运算放大器电路的影响
R1 VOS R2
A + VOS
vo
R2 E0 1 ）VOS （ R1
输出失调电压的补偿
R1
R2 2 3
R1
R2
vi + -
+ 1
741 5
6
vi + vo
VCC RP
+
A
vo
R1//R2 -15V VEE RA
3.开环带宽BW和单位增益带宽GBW
A0
a0
0
f(dec) fb(BW) ft(GBW)
3 8 NC 7 V+ 6 OUT 5 Sense
40kΩ 40kΩ
40kΩ
+
-in
2
40kΩ
40kΩ
+
5 6 1
Sense OUT
V- 4
40kΩ
+in
3
40kΩ
40kΩ
Ref
SO-8
4.仪表放大器
基本差分电路虽然可以达到放大差模信号，抑制 共模信号的目的，但存在输入电阻较低、增益调节不 便的缺点。
VCC_CIRCLE +5V
1
1
Vi
2
R1 1 10k 10k A2 1N4001 LM358 1 1 2 R2 2 1 T 8050 10k
VCC_CIRCLE
1
2
2
VCC_CIRCLE
在元件选择与分类，或对生产现场进行监视与控制时，窗口比较器是很有 用的。图 所示即是一典型的窗口比较器电路。其中UH为上限电压，UL为下 限电压，Vi 为输入电压；当Vi>UH或Vi<UL 时，运算放大器A1或A2 输出高电 平，三极管T饱和导通，输出V0≈0V；当UL<Vi<UH时，运算放大器A1和A2均 输出低电平，三极管T截止，。
输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响
R2 E0 1 ） R1 //R2）I N RP I P ] （ （ [ R1
R2 E0 1 ） R1 //R2） RP I B （R1 //R2） RP I OS / 2 （ （ R1
措施： 令 RP R1//R2 得 缩小所有的电阻 ； 选择一款具有更低IOS值的运算放大器
R2 1 D1 R1 2 1N4148
U0 0 R2 v0 Ui R1
1
Rp
2
+
1N4148
VCC_CIRCLE Vi
3
-
1
2
2
A 6
D2
V0 VCC_CIRCLE
退出
② 精密全波整流电路（绝对值电路）
如果需要对小信号进行绝对值运算，可采用图所示电路。在电路中，电 阻元件选择R1=R2=R4=R，R5=R/2，R6=nR。
-
2
1.3 集成运放的主要参数
1.输入偏置电流和输入失调电流 同相输入端吸收的电流用IP表示，反相输入端吸 收的电流用IN表示
IP IN IB 2
将IP和IN的差称为输入失调电流
IOS=IP-IN
分析：输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响
VP I P RP
R1 I1 IN IP
2
5.反相交流放大器
Rf
vi
Ci
Ri A +
Co
vo
C1=1000/2πf0R1（μF） C2=1000/2πf0RL（μF）
单电源供电交流放大器
Vcc Rf C1
vo
C2 1/2Vcc
vi
Vcc
R1 R2 C3 + R3 A
RL
vo
无信号输入 有信号输入
t
6.同相交流放大器
Vcc C1 R4 + R1 Vcc 100k R2 100k R3 C2 10uF Rf Co A
vi
+ -
利用运算放大器741设计一个增益为60dB的音 频放大器，要求带宽fB≥20kHz。
4．转换速率（Slewing Rate，SR）
转换速率也称压摆率，其定义是运放在额定负载 及输入阶跃大信号时输出电压的最大变化率 。
V O SR t
当放大器输出大振幅的高频信号时，转换速率对实 际的带宽起到主要的约束。 fp（max）=SR/（2πVo（max））
具有许多优点：产生波形的线性度好、稳定性好，且可以同时产生方波； 输出频率范围极宽，其低频可达10-4Hz，高频方面约106Hz，且在十个数 量级的频带范围内，可以连续地改变输出频率，同时可保证频率改变时， 输出电压的幅度恒定不变。图3.2.15所示电路即是一典型的三角波—方波 发生器。率。在给定的参数条件下，该电路的输出频率为45Hz~500Hz。