模拟电路之集成运算放大器.docx
模拟电路之集成运算放大器目录?前言2?集成运放的介绍及特性分析22.1.概述2?集成运算放大器2?集成运放由四个部分组成2?集成运放的特性4?集成运放的线性应用（引入负反馈）6?两个基本运算电路一一反相/同相比例运算电路6?同相比例运算电路的特例一一电压跟随器9?反相加法运算电路10?同相加法运算电路11?减法运算电路14?积分电路163.6.1.积分电路的原理和作用16?电路组成16?输入、输出波形17?积分电路的误差18?微分电路18?对数运算电路19?指数运算电路21?除法运算电路（利用模拟乘法器）22?有源滤波电路23?集成运放的非线性应用（开环或正反馈）244.1.概述24?过零比较器25?一般单限比较器26?滞回比较器27?窗口比较器28刖百想深入学习模电，前置的电路分析基础几乎是必要的一关。叠加原理、戴维宁定理、基尔霍夫、电感电容、阻抗、各种等效、各种数学模型基础不牢,地动山摇。电子信息相关知识是必须的。计算机知识则仅需了解（重点在数电）O集成运放的介绍及特性分析2.1.概述集成运放的电路原理图：CSDI1d皿皿a之九尾集成运算放大器集成运算放大器，简称集成运放，是一个高增益的直接耦合放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。它具有高增益、高输入电阻和低输出电阻的特性。各级放大电路输入和输出之间的连接方式称为耦合。直接耦合主要用于对直流或缓慢信号的放大；然而它的工作点不稳定，易产生零漂。零点漂移（零漂）：当放大电路的输入Ui=0（短路）时，输出Uo却不为0,而是随着时间变化。其最主要的原因是三极管的温度敏感特性。集成运放由四个部分组成输入级：常采用差动放大电路f抑制零点漂移中间级：共射放大电路f提高电压放大倍数输出级：互补对称输出级电路一提高带负载能力偏置电路：电流源电路f提供静态偏置电流CSDN1JUTCM-策士之九尾差动（分）放大电路：当该电路的两个输入端的电压有差别时，输出电压才有变动，因此称为差动。有差模和共模两种基本输入信号，由于其电路的对称性，当两输入端所接信号大小相等、极性相反时，称为差模输入信号；当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。通常我们将要放大的信号作为差模信号进行输入，而将由温度等环境因素对电路产生的影响作为共模信号进行输入。放大差模信号，抑制共模信号。t/TI（>Uo=Mo-Uo-=0v、dD赤J1jTd加策士之九尾集成运放的特性有单电源供电和正负双电源供电之分。同相输入端"+O-w_o反相输入端两个输入端：同相输入端+、反相输入端外一个输出端：W0开环差模放大倍数：Aod运放工作的两个区域：(1)线性区：uo=Aod(u+-u,y输出电压随输入电压线性变化(2)非线性区：输出只有两种可能，+uom,-UoM非赢二氯区F¾区_策士之U“开环：没有反馈。"差模”：u±u-o“同相”反相是指输入信号变化和输出相同/相反。为了保证集成运放的线性应用，必须闭环工作，即引入负反馈以减小电压增益，提高净输入电压的数值，进而扩宽线性区。集成运放的应用就根据其处于线性区或是非线性区来划定。Rf0ZCSDNTJUTCM-策士之九尾线性工作区：引入负反馈集成运放的两个工作区域满足虚短+=11_满足虚断，+=，_六O非线性工作区：引入正反馈或开环CSDN1JUTCM-策士之九尾线性工作区的两个特性：虚短：由于AOd很大，以致于很小的差模输入就会使输出趋向于饱和的非线性区，故想在线性区工作，Ui二U±u-就必须要小到一定程度，近似于“短路。即u+=u-也即ui=u±u-=0o虚断：由于集成运放的差模输入电阻很大，故流入运放输入端的电流远小于其外电路的电流，近似于“断路BPi+=i-=0o?.集成运放的线性应用（引入负反馈）?.1.两个基本运算电路一一反相/同相比例运算电路反相比例运算电路解：满足虚断乙=1=OIR=IF%-一二%一。KRf又丁满足虚短.=+=0.Uj-O0Uo一丁二丁CSDN1JUTCM-策士之九尾当Rf=RI时，变为反相器。同相比例运算电路-。Z /ZCSDNTJUTCM-策士之九尾解：满足虚断乙=2_=0二.iR=iFR10二。一Rf又丁满足虚短-U4r-U1.2/厂0_。一/R1RfCSDNTJUTCM策士之九尾?.2.同相比例运算电路的特例一一电压跟随器当=0时当&fOO时当用oo时Rf=OCSDN1JUTCM-策士之九尾可以起到阻抗匹配的作电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点,用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。另外一个作用就是隔离，把电路置于前级和功率放大器（扩音器）之间，可以切断后一级的反电动势对前级的干扰作用，从而使音质的清晰度得到大幅提高。?.3.反相加法运算电路可将上图分为以下两图:解得:uO1二U1Iu02-,uI2UoU01+U02-U11+（一*心12）K12×=-tuI1-1uI212CSDNTJUTCM策士之九尾叠加原理：在线性电路中有多个电源共同作用时，电路上任意一个支路上的电压或电流都是各电源单独作用下，在各支路上产生的电压或电流的叠加（代数和）。?.4.同相加法运算电路可以将上图分解为以下两图:注意，此时由虚短得到u+=u-=上图红圈公式（不再是Ui）R2R3uO1=(1+*UU11kR2+R3=(+aR2R3R2+R3=(1+舅R2R3R2+R3R1R2+R1R3IR2，R3R2+R3R2+R3R2R3R2+R3u02RI(R2+R3)R2R3R2+R3R2+R3R1R2+R2R3+R1R3R2+R3R2R3RIR2+R2R3+RR3。勺DUTJUTCM-策士之九尾=(1+颖Ri,3R1+R3.nRrR3UI2Rz+R1+R3=(1+RIR3R1+R3=(1+?)R1R3R1+R3R1R2+R2R3,RiR3+R1+R3R1+R3R1R3综上可知:uO1÷)R2(R1+R3)R1R3R1+R3R1+R3,U12=(1+R1R2+R2R3+R1R3uI2=(1+?)R1+R3RiR3RIR2+R2R3+RR312cSdnatIutc机集士之九尾R2R3R1R2+R2R3+R1R3u02=G÷)%R3R1R2+RR3+R2R3,u12Uo=UO1+Uq2R2R3R1R?+R2R3+RiR3,u1+(1+)RiR3RIR2+RR3+R2R3R2R3R1R2+R2R3+RR3N+*RiR3R1R2+R1R3+R2R3臼2R2R3(R+Rf)u1R1R3(R+RfM2R(RIR2+R2R3+Rj,R3)R(R1R?+R2R3+RiR3)R(R1R2+R1R3+R2R3)(r2uH+RIUI2)CSDNTJUTCM-策士之九尾RfU121HR3XCSDNUUTCM策士之九尾?.5.减法运算电路Rf可将上图分解为:Rfu02=(I+F)U12CSDM7JUTCM策士之九尾解得:Uoi=-I1UO2=(1+)UI2UC)=Uo1+Uq2=-U11+(1+)U12RfR+RfRf=KU1I+=西S=-gUi+'Uj2R11R"R(12U11)CSDD力UTcM-策士之九尾?.6.积分电路3.6.1.积分电路的原理和作用积分电路是使输出信号与输入信号的时间积分值成比例的电路积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。它是组成模拟计算机的基本单元，用以实现对微分方程的模拟。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。?.6.2.电路组成电容两端的电压UC与流过电容的电流ic之间存在着积分关系，即1如能使电路的输出电压UO与电容两端的电压UC成正比，而电路的输入电压U1与流过电容的电流ic成正比，则Uo与U1之间即可成为积分运算关系。利用理想运放工作在线性区时“虚短”和“虚断”的特点可以实现以上要求。在上图中，输入电压通过电阻R加在集成运放的反相输入端，并在输出端和反相输入端之间通过电容C引回一个深度负反馈，即可组成基本积分电路。为使集成运放两个输入端对地的电阻平衡，通常使同相输入端的电阻为R?=R(1可以看出，这种反相输入基本积分电路实际上是在反相比例电路的基础上将反馈回路中的电阻RF改为电容c而得到的。由于集成运放的反相输大端“虚地”，故UO=-UC可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则i1=ic,故u1=i1R=icR即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得式中电阻与电容的乘积称为积分时间常数，通常用符号r表示，即=RC如果在开始积分之前，电容两端已经存在一个初始电压，则积分电路将有一个初始的输出电压Uo(O),止匕时?.6.3.输入、输出波形?.6.3.1.输入电压为矩形波如果在基本积分电路的输入端加上一个矩形波电压，则由式(3)可知，当tWtO时，u1=0,故UO=0；当totWt1时，U1=UI=常数，则此时UO将随着时间而向负方向直线增长，增长的速度与输入电压的幅度U1成正比，与积分时间常数RC成反比。当tt1时，u1=0,由式(3)可知，此时Uo将保持t=t1时的输出电压值不变。?.6.3.2.输入电压为正弦波若U1=Umsinwt,则由式(3)可得心"=C5r此时积分电路的输出电压是一个条弦波。UO的相位比U1领先90°。此时积分电路的作用是移相。?.6.4.积分电路的误差在实际的积分运算电路中，产生积分误差的原因主要有以下两个方面：一方面是由于集成运放不是理想特性而引起的。例如，当U1=O地，Uo也应为零，但是由于运放的输入偏置电流流过积分电容，使Uo逐渐上升，时间愈长，误差愈大。又如，由于集成运放的通频带不够宽，使积分电路对快速变化的输入信号反应迟钝，使输出波形出现滞后现象，等等。
