运算放大器应用精.ppt

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1、运算放大器应用第1页，本讲稿共27页5.2集成运算放大器集成运算放大器集集成成电电路路的的类类型型：以以集集成成度度即即管管子子和和元元件件数数量量可可分分为为一一百百以以下下的的小小规规模模集集成成电电路路；一一百百至至一一千千个个之之间间的的中中规规模模集集成成电电路路；一一千千至至十十万万个个之之间间的的大大规规模模集集成成电电路路；十十万万以以上上的的超超大大规规模模集集成成电电路路。按按所所用用器器件件又又可可分分为为双双极极型型器器件件组组成成的的双双极极型型集集成成电电路路；单单极极型型器器件件组组成成的的单单极极型型集集成成电电路路；双双极极型型器器件件和和单单极极型型器器件件

2、兼兼容容组组成成的的集集成成器器件件。此此外外，还还有有线线性性集集成成电电路路和数字集成电路等。和数字集成电路等。集成电路：集成电路：把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体基片上而形成具有电路功能的器件。块半导体基片上而形成具有电路功能的器件。集成电路的优点：集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。作可靠等。集成运算放大器（简称集成运放）：集成运算放大器（简称集成运放）：直接耦合的高放大倍数的直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。线性集成电路。第2页，本讲稿共27页 1.

3、集成电路的外形：集成电路的外形：国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。5.2.1 集成运算放大器的外形和符号集成运算放大器的外形和符号 2.集成运放的型号集成运放的型号国国家家标标准准（GB3430-82）规规定定，由由字字母母和和阿阿拉拉伯伯数数字字表表示示，例例如如CF741、CF124等等，其其中中C表表示示国国家家标标准准，F表表示示运运算算放放大器，阿拉伯数字表示品种。大器，阿拉伯数字表示品种。第3页，本讲稿共27页国国产产第第二二代代集集成成运运放放CF741接接线线如如图图所所示示。双双列列直直插插式式集集成成运运放放

4、的的管管脚脚顺顺序序是是，管管脚脚向向下下，标标志志于于左左，序序号号自自下下而而上上逆逆时时针方向排列。管脚功能如下：针方向排列。管脚功能如下：3.集成运放的管脚顺序及功能集成运放的管脚顺序及功能CF741外接线图外接线图接正电源接正电源(+9+18)V 接负电源（接负电源（-9-18）V为同相输入端（输为同相输入端（输出信号与输入信号出信号与输入信号同相位）同相位）为反相输入端（输出信号为反相输入端（输出信号与输入信号反相位）与输入信号反相位）为空脚为空脚为输出端为输出端脚脚1、4、5外接外接调零电位器调零电位器第4页，本讲稿共27页国国产产第第一一代代集集成成运运放放F004接接线线如如

5、图图所所示示。圆圆壳壳式式集集成成运运放放的的管管脚脚顺顺序序是是，管管脚脚向向上上，序序号号自自标标志志起起从从小小到到大大按按顺顺时时针针方方向向排排列列。管管脚脚功能如下：功能如下：不同类型运放的管脚排列和不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。阅产品手册来确定。脚脚7接正电源（接正电源（+15）V，脚，脚4接负电源（接负电源（-15）V，脚，脚6为输出端，为输出端，脚脚1、4、8接调零电位器，脚接调零电位器，脚3为同为同相输入端，脚相输入端，脚2为反相输入端，脚为反相输入端，脚5、6之间的之间的300k 电阻及电阻及RP、CP的

6、作用是的作用是消除自激，可通过调试决定数值。消除自激，可通过调试决定数值。第5页，本讲稿共27页图图（a a）是是国国家家新新标标准准（GB47281385）规规定定的的符符号号；图图（b b）是是曾曾用用过过的的符符号号。画画电电路路时时，通通常常只只画画出出输输入入和和输输出出端端，输输入入端端标标“+”号表示同相输入端，标号表示同相输入端，标“-”号表示反相输入端。号表示反相输入端。4.集成运放的图形符号集成运放的图形符号第6页，本讲稿共27页闭闭环环放放大大倍倍数数：有有反反馈馈时时集集成成运运放放的的放放大大倍倍数数称称为为闭环放大倍数。其数值根据具体电路的反馈情况来计算。闭环放大倍

7、数。其数值根据具体电路的反馈情况来计算。5.2.2 集成运算放大器的放大倍数和参数集成运算放大器的放大倍数和参数一、两种放大倍数一、两种放大倍数1.开环放大倍数开环放大倍数AVO开环放大倍数开环放大倍数AVO：无反馈时集成运放的放大倍数。：无反馈时集成运放的放大倍数。（5.2.1）2.闭环放大倍数闭环放大倍数AVF第7页，本讲稿共27页输输入入电电压压为为零零时时，两两个个输输入入端端静静态态基基极极电电流流的的平平均均值值。一般为微安数量级，一般为微安数量级，IIB越小越好。越小越好。二、主要参数二、主要参数1.输入失调电压输入失调电压VIO输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端

8、输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。一般为毫伏级。它表征电路输入部分不对称外加的补偿电压。一般为毫伏级。它表征电路输入部分不对称的程度，的程度，VIO越小，运放性能越好。越小，运放性能越好。2.输入失调电流输入失调电流IIO输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。其值为两个输入端静态基极电流之差。外加的补偿电流。其值为两个输入端静态基极电流之差。3.输入偏置电流输入偏置电流IIB第8页，本讲稿共27页电电路路开开环环情情况况下下，输输出出电电压压与与输输出出电电流流之之比比。ro越越小小，

9、运运放放性能越好。一般在几百欧左右。性能越好。一般在几百欧左右。4.开环电压放大倍数开环电压放大倍数AVO电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。AVO越越大，集成运放运算精度越高。一般中增益运放的大，集成运放运算精度越高。一般中增益运放的AVO可达可达105倍。倍。5.开环输入阻抗开环输入阻抗ri指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。ri越大，越大，运放性能越好。一般在几百千欧至几兆欧。运放性能越好。一般在几百千欧至几兆欧。6.开环输出阻抗开环输出阻抗ro第9页，本讲稿共27页开开环环电电压

10、压放放大大倍倍数数随随信信号号频频率率升升高高而而下下降降3dBdB所所对对应应的的频频宽宽。以以上上参参数数可可根根据据集集成成运运放放的的型型号号，从从产产品品说说明明书书等等有有关关资资料料中中查阅。查阅。7.共模抑制比共模抑制比KCMR电路开环情况下，差模放大倍数电路开环情况下，差模放大倍数AVD与共模放大倍数与共模放大倍数AVC之比。之比。KCMR越大，运放性能越好。一般在越大，运放性能越好。一般在80dB以上。以上。8.输出电压峰输出电压峰-峰值峰值VOPP放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。峰值。9.静态功耗静态功耗PD电路输入端短

11、路、输出端开路时所消耗的功率。电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。10.开环频宽开环频宽BW第10页，本讲稿共27页通通用用型型集集成成运运放放的的特特点点是是：最最大大差差模模输输入入电电压压和和最最大大共共模模输输入入电电压压大大；输输出出有有短短路路保保护护功功能能；电电源源电电压压适适用用范范围围宽宽；不不需需外外接接补补偿电容。如性能较好的偿电容。如性能较好的CF741等。等。三、集成运放产品分类简介三、集成运放产品分类简介1.通用型通用型2.特殊型特殊型特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。如：特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。如：（1）高输入阻抗型）高输入阻抗型差模

12、输入电阻不小于差模输入电阻不小于109。（2）高精度型）高精度型VIO小于小于2V。（3）宽带型）宽带型增益带宽大。增益带宽大。（4）低功耗型）低功耗型当电源电压时，最大功耗不大于当电源电压时，最大功耗不大于6mWmW。（5）高速型）高速型转换速率大于转换速率大于30Vs s。（6）高压型）高压型输出电压较高。输出电压较高。第11页，本讲稿共27页 在在实实际际应应用用和和分分析析集集成成运运放放电电路路时时，可可将将实实际际运运放放视视为为理理想想运放，以简化分析。运放，以简化分析。5.2.3集成运算放大器的理想特性集成运算放大器的理想特性集成运放的理想特性为：集成运放的理想特性为：1.输入

13、信号为零时，输出端应恒定为零；输入信号为零时，输出端应恒定为零；2.输入阻抗输入阻抗ri=；3.输出阻抗输出阻抗ro=0；4.频带宽度频带宽度BW应从应从0；5.开环电压放大倍数开环电压放大倍数VO=。（集成运放的理想特性）（集成运放的理想特性）第12页，本讲稿共27页5.2.4集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例一、数学运算方面的应用举例一、数学运算方面的应用举例1.简单的比例运算功能简单的比例运算功能所以所以 （1 1）反向输入比例运算电路）反向输入比例运算电路是电压并联负反馈放大电路。是电压并联负反馈放大电路。根据运放根据运放“理想特性理想特性”，而，而 又是有限又是有限值，

14、则值，则，（5.2.2）第13页，本讲稿共27页由由于于，即即A端端的的电电位位接接近近于于零零电电位位，但但实实际际并并没没有接地，所以通常把有接地，所以通常把A端称为端称为“虚地虚地”。故反相输入比例运放的闭环放大倍数故反相输入比例运放的闭环放大倍数 （5.2.3）输出电压输出电压 （5.2.4）结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数 只取决只取决于于电压成反相比例关系。电压成反相比例关系。之比，与开环放大倍数之比，与开环放大倍数 无关；输出电压与输入无关；输出电压与输入与与第14页，本讲稿共27页根根据据运运放放“理理想想特特性性”，而而又又为为

15、有有限限值值。得得 （2）同相输入比例运算电路）同相输入比例运算电路是电压串联负反馈放大电路。是电压串联负反馈放大电路。因此，输入电压因此，输入电压 (5.2.5)，第15页，本讲稿共27页故同相输入比例运放的闭环放大倍数故同相输入比例运放的闭环放大倍数其中其中输出电压输出电压 (5.2.6)结结论论，同同相相输输入入比比例例运运算算电电路路的的放放大大倍倍数数与与 无无关关，只只取取决决于于 与与 的的比比值值；输输出出电电压压与与输输入入电电压压同同相相且且成成比比例例关系。关系。第16页，本讲稿共27页因为因为 ，则，则 ，于是，于是2.减法比例运算电路。减法比例运算电路。由图可知由图可

16、知 ，整理得整理得而而第17页，本讲稿共27页故电路又称为减法器。故电路又称为减法器。因因 ，故，故由于由于 ,，得，得 (5.2.7)结论，输出电压正比于两个输入电压之差。结论，输出电压正比于两个输入电压之差。如果如果，则则 (5.2.8)第18页，本讲稿共27页整理可得整理可得(5.2.9)3.加法比例运算电路加法比例运算电路由运放理想特性知由运放理想特性知，因而因而由于由于A点为点为“虚地虚地”，因此，因此若取若取，上式简化为，上式简化为(5.2.10)结论，电路的输出电压正比于各输入电压之和。结论，电路的输出电压正比于各输入电压之和。如果如果，则，则(5.2.11)故电路称为故电路称为

17、“加法器加法器”。第19页，本讲稿共27页 例例5.2.1 计计算算各各电电路路的的阻阻值值并并连连接接集集成成运运放放电电路路图图，使它满足使它满足 与与 之间的下列运算关系：之间的下列运算关系：（1 1）；（2 2）。解（解（1 1）由）由 可知可知 。所以只要按减法。所以只要按减法比例运算电路连接，其中，比例运算电路连接，其中，且且 即符即符合要求。合要求。集集成成运运放放除除了了组组成成上上述述运运算算单单元元电电路路外外，还还可可改改变变反反馈馈元元件件或或连连接接方方式式组组成成乘乘法法、除除法法、开开方方、平平方方、指指数数、对对数数以以及及微微分分、积积分分等等各各种种运算电路

18、。运算电路。（2 2）同理，用加法比例电路接线，使，且）同理，用加法比例电路接线，使，且 ，的要求。的要求。，即满足，即满足第20页，本讲稿共27页二、其它方面的应用举例二、其它方面的应用举例1.反相器反相器图中图中“1”表示放大系数为表示放大系数为1。符号：符号：2.电压跟随器电压跟随器如果令同相输入比例运放中的如果令同相输入比例运放中的，即输出，即输出电压电压全部反馈到输入端，而且同相。则全部反馈到输入端，而且同相。则于是于是 即输出电压与输入电压数值相等且同即输出电压与输入电压数值相等且同相，称为电压跟随器。相，称为电压跟随器。电压与输入电压在数值上相等且相位相反，称为电压与输入电压在数

19、值上相等且相位相反，称为“反相器反相器”。，即输出，即输出，则，则如果令反相比例运放中的如果令反相比例运放中的第21页，本讲稿共27页3.LM324组成的电平指示电路组成的电平指示电路（1）LM324简介简介LM324是含有四个运放的集成组件。简称四运放集成电是含有四个运放的集成组件。简称四运放集成电路。路。GND为为接接地地端端，VCC为为电电源源正正极极端端（6V），每每个个运运放放的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。例如，的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。例如，等等。等等。端及输出端。依此类推，端及输出端。依此类推，、是表示是表示2号运放器的，号运放器的，、分别表示分别表示

20、1号运放的反相输入端、同相输入号运放的反相输入端、同相输入第22页，本讲稿共27页四个运放的同相输入端连接于由四个运放的同相输入端连接于由V（2AP9）、）、R10、C2组成的整组成的整流电路输出端，作为信号的输入端。输出端分别通过限流电阻流电路输出端，作为信号的输入端。输出端分别通过限流电阻R6、R7、R8、R9接有发光二极管接有发光二极管V1、V4、V3、V2。反相输入端分别经电阻。反相输入端分别经电阻分压网络分压网络RP1、R2、R3、R4、R5分压后加上量值不等的正电压。分压后加上量值不等的正电压。（2）LM324组成的电平指示器组成的电平指示器第23页，本讲稿共27页无无信信号号输输

21、入入时时，四四个个运运放放同同相相输输入入端端皆皆为为零零电电平平，因因反反相相输输入入端端皆皆为为正正电电位位，所所以以各各运运放放输输出出低低电电平平，因因此此V1V4各各发发光光二二极极管管均均不不发发光光。有有信信号号输输入入时时，信信号号经经整整流流后后的的对对地地电电压压（电电位位）若若仅仅大大于于第第2脚脚电电位位，则则第第1脚脚的的发发光光二二极极管管V1发发光光。若若同同相相输输入入端端的的电电位位都都高高于于相相应应运运放放反反相相输输入入端端的的电电位位时时，四四个个发发光光二二极极管管V1、V4、V3、V2全全部部发发光光。这这样样，随随着着音音频频信信号号强强弱弱的的

22、变变化化，电电路路中中发发光光二二极极管管的的个个数数和和亮亮度度也也随随之之变化。其中，改变变化。其中，改变RP1的阻值，可调整发光二极管的亮度。的阻值，可调整发光二极管的亮度。第24页，本讲稿共27页5.2.5集成运放使用常识集成运放使用常识方方法法：加加阻阻容容补补偿偿网网络络。具具体体参参数数和和接接法法可可查查阅阅使使用用说说明明书书。目目前前，由由于于大大部部分分集集成成运运放放内内部部电电路路的的改改进进，已已不不需需要要外外加加补补偿偿网络。网络。一、零点调整一、零点调整方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。电压为

23、零。二、消除自激振荡二、消除自激振荡第25页，本讲稿共27页利利用用二二极极管管的的单单向向导导电电特特性性防防止止由由于于电电源源极极性性接接反反而而造造成成的的损损坏坏。当当电电源源极极性性错错接接成成上上负负下下正正时时，两两二二极极管管均均不不导导通通，等等于于电电源源断路，从而起到保护作用。断路，从而起到保护作用。三、保护电路三、保护电路1.电源极性的保护电源极性的保护2.输入保护输入保护 利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏集成运放的内部结构。无论是输入信号的正向电压或负向过额定值损坏集成运放的内部结构。无论是输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压，则电压超过二极管导通电压，则V1或或V2中就会有一个导通，从而限制了中就会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，起到了保护作用。输入信号的幅度，起到了保护作用。第26页，本讲稿共27页 利用稳压管利用稳压管V1和和V2接成反向串联电路。若输出端出现过高电接成反向串联电路。若输出端出现过高电压，集成运放输出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免压，集成运放输出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。了损坏。3.输出保护输出保护第27页，本讲稿共27页