电工学第10章集成运算放大器.ppt

1,第 10 章 集成运算放大器,10.1 集成电路,10.2 集成运算放大器的概述,10.3 反馈的基本概念,10.4 理想运算放大器,10.5 基本运算电路,10.6 电压比较器,10.7 RC 正弦波振荡电路,*10.8 有源滤波器,下一章,上一章,返回主页,大连理工大学电气工程系,2,10.1 集成电路,集成电路是20 世纪 60 年代发展起来的固体组件。它是用微电子技术将元件、导线、电路集成在一块很小的半导体芯片上。,集成电路的发展进程：1960 年：小规模集成电路 SSI。1966 年：中规模集成电路 MSI。1969 年：大规模集成电路 LSI。1975 年：超大规模集成电路 VLSI。,大连理工大学电气工程系,3,集成电路分类(1)模拟电路 处理模拟信号的电路。如集成功率放大器、集成运算放大器等。(2)数字电路 处理数字信号的电路。如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。,集成电路芯片,大连理工大学电气工程系,4,特点：输入级采用差分放大电路，KCMR 和 ri 很高。中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。输出级采用互补对称放大电路和共集放大电路，ro 很小，带负载能力很强。直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。,10.2 集成运算放大器的概述,一、集成运算放大器的组成,输入端,输出端,集成运算放大器的组成,大连理工大学电气工程系,5,集成运算放大器的图形符号、引脚和外部接线图,运算放大器的符号,同相输入端,反相输入端,输出端,大连理工大学电气工程系,6,uO=f(uD)线性区 uO=Ao uD=Ao(uu)饱和区 正饱和电压：uO=UOMUCC 负饱和电压：uO=UOMUEE,二、电压传输特性,负饱和区,正饱和区,线性区,电压传输特性,大连理工大学电气工程系,7,净输入 信号xD,比较环节,开环放大倍数：,闭环放大倍数：,反馈系数：,10.3 反馈的基本概念,反馈示意图,大连理工大学电气工程系,8,一、反馈的分类1.正反馈和负反馈 正反馈:xF 与 xI 作用相同,使 xD 增加；负反馈:xF 与 xI 作用相反,使 xD 减小。,2.电流反馈和电压反馈 电流反馈：反馈信号取自输出电流，xF iO；电压反馈：反馈信号取自输出电压，xF uO。,3.串联反馈和并联反馈 串联反馈:xF 与 xI 以串联的形式作用于净输入端；并联反馈:xF 与 xI 以并联的形式作用于净输入端。,大连理工大学电气工程系,9,*二、反馈的判断1.正反馈和负反馈,判断方法：瞬时极性法。,uF,uD,正反馈,负反馈,大连理工大学电气工程系,10,2.电流反馈和电压反馈,输出端短路法:令RL=0，此时 uO=0，若 xF=0 则为电压反馈，否则为电流反馈。,输出端开路法:令RL=，此时 iO=0，若 xF=0 则为电流反馈，否则为电压反馈。,uF,uD,判断方法,电压反馈,电流反馈,大连理工大学电气工程系,11,3.串联反馈和并联反馈,串联反馈在输入端是以电压的形式出现的；并联反馈在输入端是以电流的形式出现的。,判断方法,并联反馈,串联反馈,大连理工大学电气工程系,12,三、负反馈对放大电路性能的影响,XD=XIXF,当|F|Ao|1，称为深度负反馈,|Af|Ao|,反馈示意图,大连理工大学电气工程系,13,1.提高了电压放大倍数的稳定性,故电压放大倍数的稳定性提高了。,1,若为深度负反馈,|F|Ao|1,大连理工大学电气工程系,14,例 10.2.1 某放大电路的|Ao|=1 000，由于某一原因,使其变化率为，若电路的反馈系数|F|=0.009，则闭环电压放大倍数的变化率？,=2%,解,大连理工大学电气工程系,15,2.加宽了通频带,未加入反馈后,加入反馈后,加宽通频带,大连理工大学电气工程系,16,电压负反馈稳定输出电压。电流负反馈稳定输出电流。,4.稳定了输出电压或输出电流,3.改善非线性失真,无负反馈时,有负反馈时,改善非线性失真,大连理工大学电气工程系,17,5.改变了输入电阻或输出电阻 串联反馈使输入电阻增加。并联反馈使输入电阻减小。电压负反馈使输出电阻减小。电流负反馈使输出电阻增加。,大连理工大学电气工程系,18,10.4 理想运算放大器,一、理想运放的主要条件 开环电压放大倍数：Ao 开环输入电阻：ri 开环输出电阻：ro0 共模抑制比：KCMR,理想运放的符号,大连理工大学电气工程系,19,二、理想运放的特性,uO=UOMUCC,(2)当 uu时，即 uD 0,uO=UOMUEE,(1)当 u u时，即 uD 0,1.工作在饱和区时的特点 不加反馈时，稍有 uD 即进入饱和区。,理想运算放大器的电压传输特性,大连理工大学电气工程系,20,2.工作在线性区时的特点,(1)Ao,=0,u=u,(2)ri,=0,(3)ro0,uOL=uOC,故称为虚短路。,故称为虚开路。,即输出电压不受负载的影响。,引入负反馈后的理想运放,大连理工大学电气工程系,21,10.5 基本运算电路,一、比例运算电路1.反相比例运算电路,u=u=0,iD=0 i1=iF,虚地,反相比例运算电路,大连理工大学电气工程系,22,uO 与 uI 成反相比例；uO 的大小只与 R1、RF 的阻值和 uI 有关。若 R1=RF，则 uO=uI。故称为反相器。R2为平衡电阻，R2=R1RF,说明,反相比例运算电路,大连理工大学电气工程系,23,2.同相比例运算电路,Af,uO=RF iF R1 i1 uI=R1 i1 iF=i1,同相比例运算电路,大连理工大学电气工程系,24,说明,uO 与 uI 同相位，且 Af1；uO 的大小只与R1、RF 的阻值和 uI 有关。若 RF=0,R1=,R2=0 时,uO=uI 称为电压跟随器 平衡电阻 R2=R1RF。,电压跟随器,同相比例运算电路,大连理工大学电气工程系,25,例 10.5.1 应用运放来测量电阻的原理电路如图所示，其中 uI=U=10V，输出端接有满量程为 5V 的电压表，被测电阻为Rx。(1)试找出被测电阻的阻值Rx与电压表读数之间的关系；(2)若使用的运放为CF741型，为了扩大测量电阻的范围，将电压表量程选为 50V是否有意义？,解(1),=105 uO,大连理工大学电气工程系,26,所以:,(2)查附录可知，CF741 型集成运放的最大输出电压为 13 V，超出此值时输入与输出不再有线性关系，所以，选用 50 V 量程的电压表是没有意义的。,大连理工大学电气工程系,27,二、加法运算电路,u=u=0,当 uI1 单独作用时,当 uI2 单独作用时,根据叠加定理:uO=uO1 uO2,加法运算电路,虚地,大连理工大学电气工程系,28,当 R11=R12=R1 时：当 R11=R12=RF 时：uO=(uI1+uI2)，平衡电阻：R2=R11R12RF。,说明,加法运算电路,大连理工大学电气工程系,29,三、减法运算电路,当 uI1 单独作用时,当 uI2 单独作用时,根据叠加定理:uO=uO1 uO2,减法运算电路,大连理工大学电气工程系,30,uO=uO1uO2,当 R1=RF 时,uO=uI2 uI1平衡电阻 R2R3=R1RF。,说明,减法运算电路,大连理工大学电气工程系,31,例 10.5.2 如图为两级运放组成的电路，已知 uI1=0.1 V，uI2=0.2 V，uI3=0.3 V，求 uO。,第一级为加法运算电路：,解,第二级为减法运算电路：,=0.3 V,=0.6 V,大连理工大学电气工程系,32,四、微分运算电路,u+=u=0 iF=iC,当 uI 为阶跃电压时,uO 为尖脉冲电压。,说明,平衡电阻 R2=RF。,微分运算电路,虚地,波形,大连理工大学电气工程系,33,五、积分运算电路,u=u=0 iI=iF,uO=uC,说明,当 uI 为阶跃电压时,uO随时间线性积分到负饱和值为止。,平衡电阻 R2=R1。,积分运算电路,波形,虚地,大连理工大学电气工程系,34,10.6 电压比较器,一、单限电压比较器,电压传输特性,uO,信号输入方式,大连理工大学电气工程系,35,零电压比较器可以实现波形变换,即可以把正弦波变换为方波。,当UR=0 时，称为零电压比较器,零电压比较器,输出波形,大连理工大学电气工程系,36,例 10.6.1 如图所示是利用运放组成的过温保护电路，R3 是负温度系数的热敏电阻，温度升高时，阻值变小，KA 是继电器，要求该电路在温度超过上限值时，继电器动作，自动切断加热电源。试分析该电路的工作原理。,解,从图中可得：,正常工作时，uIUR，,uO=UOM,晶体管 T 截止，KA 线圈不通电,KA 不会动作。,大连理工大学电气工程系,37,当温度超过上限值时，R3 的阻值下降；根据公式(1)可知 uI 增加，当 uI UR 时，,uO=UOM,晶体管 T 饱和导通，KA线圈通电,KA产生动作，切除加热电源，实现过温保护。,大连理工大学电气工程系,38,二、滞回电压比较器,当 uO=+UOM 时,当 uO=UOM 时,滞回电压比较器,电压传输特性,上限触发电压,下限触发电压,大连理工大学电气工程系,39,U=UH UL,称为滞回宽度,改变 R2 和 RF，可以改变 U、UL、UH。,电压传输特性,滞回电压比较器,大连理工大学电气工程系,40,三、双限电压比较器,当 uIUL 时,uO1=UOM uO2=UOM,当 uI UH 时,uO1=UOM uO2=UOM,当 UHuIUL 时,uO1=UOM uO2=UOM,双限电压比较器,电压传输特性,大连理工大学电气工程系,41,AoF=1,10.7 RC 正弦波振荡电路,正弦波振荡器原理电路,RC 正弦波振荡器,反馈电路,同相比例电路,大连理工大学电气工程系,42,1.自励振荡的相位条件,即必须是正反馈。,大连理工大学电气工程系,43,振荡频率,F=,改变 R、C 可以改变振荡频率。,大连理工大学电气工程系,44,|Ao|=3,2.自励振荡的幅度条件 反馈电压与输入电压大小相等。即|Ao|F|=1。,F=2R1,RC 正弦波振荡器,大连理工大学电气工程系,45,RC 正弦波振荡器,再反馈Ui=Uf=|F|Uo 2,3.自励振荡的起振条件,振荡电路的组成,接通电源 Uo1,反馈 Ui=Uf=|F|Uo1,放大 Uo2=|Ao|F|Uo1,Uo1,再放大Uo3=|Ao|F|Uo2,Uo2,起振的过程,放大电路 正反馈电路 选频网络,反馈电路,放大电路,选频电路,大连理工大学电气工程系,46,才能起振,振荡稳定,不能起振,|Ao|F|1,|Ao|F|=1,|Ao|F|1,总之，起振过程是由|Ao|F|1，一直到|Ao|F|=1，达到稳定的过程。,振荡波形,大连理工大学电气工程系,47,|Ao|=3F=2R1,振荡稳定时:|Ao|F|=1,|Ao|3F 2R1,起振时:|Ao|F|1,F 为非线性电阻，选择负温度系数的热敏变阻。,RC 正弦波振荡器,大连理工大学电气工程系,48,*10.8 有源滤波器,滤波器是一种选频电路。按电路组成分为：无源滤波电路：由无源元件 R、L、C 组成 的滤波器。有源滤波电路：含有放大电路的滤波器。按频率范围分为：低通、高通、带通和带阻滤波器等。,大连理工大学电气工程系,49,一、低通滤波器,在 RC 回路 中,根据同相比例运算电路,C,RF,R1,R,低通滤波器,大连理工大学电气工程系,50,称为截止角频率。,幅频特性,当=0 时，|Au|=,|Am|=,频率小于0 的信号可以通过。,大连理工大学电气工程系,51,二、高通滤波器,在 RC 回路中：,根据同相比例运算电路，可得,高通滤波器,大连理工大学电气工程系,52,Au=,幅频特性,当=时，|Au|=|Am|,频率大于0 的信号可以通过。,第 10 章 结 束,下一章,上一章,返回主页,