模擬電子電路及技術基礎第五章集成運算放大器的基本應用電路

集成運算放大器是將電子器件和電路集成在硅片上的放大器。同相輸入端的輸入信號與輸出信號相位相同；反相輸入端的輸入信號與輸出信號相位相反。5.1集成運算放大器的符號、模型和電壓傳輸特性5.1.1集成運算放大器的符號35.1.1集成運算放大器的模型uid

=ui+-

ui-：差模輸入電壓；Auo：集成運放的開環電壓放大倍數；Ri：集成運放的輸入電阻；Ro：集成運放的輸出電阻。Ri→Ro→0Auo→Ii+=Ii-→0理想化理想化條件“虛斷路”輸入電阻，反映了集成運放輸入端向輸入信號源索取電流的能力，要求它愈大愈好；輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的帶負載能力要求它愈小愈好；A愈大愈好Ri→Ro→0Avo→KCMR→0漂移→0理想化“虛斷”“虛短”“虛短”：Auo→vid→0“虛斷”：Ii+=Ii-=065.1.2集成運算放大器的電壓傳輸特性線性放大區：uo

=Auo(ui+-ui-)=Auouid“虛短路”：Auo→uid→0限幅區：uo

=UCC或

UEE，uid

可以較大，不再“虛短路”。7反相電壓傳輸特性含運算放大器電路分析的方法節點法、回路法虛斷、虛短概念作用：將信號按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環放大倍數無關，與輸入電壓和反饋系數有關。比例運算電路5.2反相比例放大器與同相比例放大器101)閉環增益與電壓傳輸特性5.2.1反相比例放大器5.2反相比例放大器與同相比例放大器結構特點：負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。輸出與輸入反相、運算電路輸入電阻較小利用虛短和虛斷得平衡電阻RN與RPRN、RP：令vi和vo為零，分別指從N（－）或P（＋）端到地之間的直流電阻。R2=R1

//

RfRN=RpR3=R1

//R2//

Rf122)閉環輸入電阻反相比例放大器的特點：(1)信號從反相端輸入，輸出信號與輸入信號反相；(2)U-=U+=0，因為同相端電壓為零(接地)，所以反相端呈現“虛地”特性；(3)閉環放大倍數Auf

=-R2

/R1；(4)閉環輸入電阻較小，RifR1，閉環輸出電阻Rof→0。13【例5.2.1】設計一個放大器電路，要求輸入電阻大于等于50kΩ，uo=-6ui。【例5.2.2】有一運放組成的反相比例放大器，電源電壓UCC=│UEE│=12V，求輸入信號分別為ui1=1sinωt(V)和ui2=2sinωt(V)時的輸出波形圖。14【例5.2.3】有一運放組成的反相比例放大器，如右圖所示，電源電壓UCC

=|

UEE

|=12V，求輸入信號分別為ui1

=1sint(V)和ui2

=2sint(V)時的輸出波形圖。155.2.2同相比例放大器輸出與輸入同相、運算電路輸入電阻較大利用虛短和虛斷得16同相比例放大器的特點：(1)信號從同相端輸入，輸出信號與輸入信號同相；(2)U+

=U-

0，反相端和同相端電壓相等,即“虛短路”；(3)閉環放大倍數大于等于1，可以設計成電壓跟隨器；17(4)閉環輸入阻抗進一步增大，趨向于理想條件，即Rif

→；(5)閉環輸出阻抗進一步減小，也趨向于理想條件，即Rof→0。185.2.3兩種放大器比較反相比例放大器的特點：1.信號從反相端輸入，輸出信號與輸入信號反相。共模輸入為零。2.U-=U+=0，因為同相端電壓為零(接地)，所以反相端呈現“虛地”特性。3.閉環放大倍數

。4.閉環輸入電阻較小，Rif≈RI，

等效到運放輸入端的等效電阻

。5.閉環輸出電阻

Rof

→0。同相比例放大器的特點：1.信號從同相端輸入，輸出信號與輸入信號同相。共模輸入不為零。2.U-=U+≠0，反相端與同相端電壓相等，呈現“虛短路”特性。3.閉環放大倍數大于等于1。4.閉環輸入阻抗進一步增大，Rif→∞，閉環輸入電阻為

。5.閉環輸出電阻Rof

→0?！纠?.2.4】電路如圖所示，試問(1)運放A1、A2的功能各是什么？(2)求輸出電壓與輸入電壓的關系式，即總增益的表達式。20【例5.2.5】彰顯電壓跟隨器的隔離(緩沖)作用。

有一內阻Rs

=100k的信號源，為一個負載(RL

=1k)

提供電流和電壓。一種方案是將它們直接相連(如圖(a)所示)；另一種方案是在信號源與負載之間插入一級電壓跟隨器(如圖(b)所示)。試分析兩種方案負載RL

所得到的電壓uL

和電流iL

。215.3加法器5.3.1反相加法器【例5.3.1】試設計一個相加器，完成uo

=-(2ui1+3ui2)的運算，并要求對ui1、ui2的輸入電阻均大于等于100k。225.3.2同相加法器235.4基本減法器及儀用放大器5.4.1基本減法器電路24【例5.4.1】利用減法器電路可以構成“稱重放大器”。試問，輸出電壓uo

與重量(體現在Rx變化上)有何關系。255.4.2精密相減器電路----儀用放大器265.5積分器和微分器差動積分器5.5.1積分器27【例5.5.1】電路如圖所示，當t=

t1(1s)時，開關S接a點；當t=t1(1s)~t2(3s)時，開關S接b點；而當t>t2(3s)時，開關S接c點。已知運算放大器電源電壓

15V，初始電壓uC(0)=0，試畫出輸出電壓uo(t)的波形圖。28295.5.2微分器利用積分器和相加器求解微分方程305.6電壓一電流變換(V-I)和電流一電壓變換(I-V)5.6.1V-I變換器負載電流與負載無關，而與輸入信號成正比315.6.2I-V變換器32【例5.6.1】精密直流電壓測量電路如圖所示，一般要求電壓測量儀表的輸入電阻要盡量大，否則測量精度會受影響。利用同相輸入且施加負反饋的運算放大器電路輸入電阻大的特點，有助于提高測量精度。由圖可見，流過

的電流

等于流過表頭的電流

，若電阻R1=100kΩ，表頭最大量程電流IMm=100μA，則被測電壓ui的最大值為10V，即精密直流電壓測量電路33【例5.6.2】運放電路如圖所示，求uo

與ui

的關系式。方法一：利用“虛地”、“虛斷路”概念方法二：利用戴維南定理將圖示電路簡化34增益可調電路35【例5.6.3】將典型的反相比例放大器的R1、R2推廣到一般的阻抗Z1、Z2，如圖(a)所示，則會演變出許多新的電路。如圖(b)所示，就是一個比例-積分-微分電路，用于自動控制系統中的PID調節校正電路。36【例5.6.4】運放電路如圖所示，試計算uo1、uo2以及各支路電流值。37【例5.6.5】電路如圖所示，求輸出與輸入的關系式。385.7對數、反對數放大器及乘除器5.7.1 對數運算器395.7.2反對數（指數）運算器5.7.3乘法器和除法器405.8.1 精密整流(限幅)電路5.8精密整流、檢波（峰值檢波、相敏檢波）及取樣保持電路1.精密半波整流電路412.精密全波整流電路——絕對值電路精密全波整流電路的傳輸特性及輸出波形425.8.2 峰值檢波電路435.8.3 相敏檢波電路445.8.4 取樣保持電路455.9.1 高速電流反饋型集成運算放大器5.9特殊用途的集成運算放大器1.電流模集成運算放大器的基本框圖與基本特性4647若干電流模運放的型號及其參數

型號參數AD811AD844AD9610OPA623OPA658POPA603MAX4112/4113壓擺率SR/(V/μs)1800(Rf=1kΩ)2000(Rf=0.5~)3500(Rf=1.5kΩ)2100(Uopp

=5V)1700(Uopp

=2V)10001500/1800帶寬(BW)/MHz1406080290680100600/750失調電壓UIO/mV0.50.05±0.38±551同相端輸入電阻/MΩ

1.5100.22.740.550.5反相端輸入電阻/Ω

145020

503030低頻互阻增益/MΩ

0.75(RL=200Ω)3(RL=500Ω)1.5(RL=200Ω)

0.190.40.5共模抑制比

KCMR/dB6010060

6050輸出電流

IO/mA±100±60±50±70±120±150±80電源電壓/V±5~±15

±5±5±15±548寬帶、高速集成運算放大器舉例(一)電壓反饋型、輸入輸出軌對軌運算放大器OPA83049(二)電流反饋型THS3120/THS3121505.9.2 集成儀表放大器INA128/129增益/(V/V)RG(INA128)/ΩRG(INA128)/Ω12510205010020050010002000500010000NC50.00k12.50k5.556k2.632k1.02k505.1251.3100.250.0525.0110.005.001NC49.9k12.4k5.49k2.61k1k49924910049.924.99.764.87增益與電阻的對應表51INA128/129應用舉例具有右腿驅動的心電信號（ECG）放大電路INA128共模電流提供路徑525.9.3 增益可控集成運算放大器1.可編程增益放大器-----PGA103增益(倍數)2腳1腳A1A0100100110010無效11注：邏輯0：

(-5.6V)<U<0.8V；邏輯1：

2V<U<(+V)；邏輯電平是相對于3腳的電位。增益與數字連接的關系53增益可編程儀表放大器電路542.電壓控制增益放大器—VCA820/VCA822/VCA824555.10.1 運放開環應用------電壓比較器5.10運放開環應用及電壓比較器電壓比較器及其輸出波形56【例5.10.1】電路及輸入信號波形

分別如圖5.10.2（a）(b)所示，其中C為交流耦合（隔直）電容，試分別畫出