《集成运算放大器》PPT课件.ppt

1,电工电子技术,第6章 集成运算放大器,2,主要内容,集成运放的概念：实际运放 组成、主要参数、电压传输特性 理想运放，运放理想化的条件、主要参数、电压传输特性集成运算放大电路中的反馈，反馈类型的判断（判断准则）运算放大器使用中应注意的问题运放的应用：线性应用；非线性应用。,6.1集成运放简介,是模拟集成电路的最主要的代表器件。早期在计算机中实现某些数学运算，故名集成运算放大器。,是一种电压放大倍数很高的直接耦合的多级放大电路。,应用：计算机、信号处理、信号测量、自动控制等领域。,特点：开环电压放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低、温漂小、可靠性高、体积小。,3,集成电路的分类：,小、中、大、超大规模集成电路；,集成电路简介,分立电路与集成电路,集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路:将整个电路的各个元件及导线做在同一个半导体基片上。封装上外壳，向外引出若干个引脚，构成一个完整的、具有一定功能的电路。,集成电路内部结构的特点,1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3.几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。难于制作电感。所以各级放大电路之间的连接多采用直接耦合方式。,4.集成电路中晶体管制作容易。二极管一般用三极管的发射结构成（基极和集电极短接）。,4,模拟集成电路和数字集成电路,模拟电路analogue circuit：是处理模拟信号的电路。主要研究输入和输出信号之间的大小和相位等方面的关系。如：基本放大电路,数字电路digital circuit：是处理数字信号的电路。主要研究输入和输出信号之间的逻辑关系。如：逻辑门电路,模拟信号analog signals：随时间连续变化的信号。,数字信号digital signals：时间上不连续的、离散的脉冲信号，是可以用二进制数0和1表示的信号。,模拟集成电路analogue IC 运放数字集成电路digital IC 组合逻辑电路、时序逻辑电路,5,_UEE,+UCC,u+,uo,u,反相输入端,同相输入端,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,输入级：尽量减小零点漂移抑制干扰信号,尽量提高 KCMRR,输入阻抗 ri 尽可能大。都采用差分放大电路。,中间级：进行电压放大，要求电压放大倍数高。一般采用共射极放大电路。,输出级：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流和电压。即输出阻抗 ro小。一般由互补对称电路或射极输出器构成,偏置电路：为各级电路建立合适的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成,例图,6.1.1 运算放大器的组成,采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。,极性判断,6,IC=IC1+IC2=1 IB+2(1+1)IB=1+2(1+1)IB,输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。为减小IB，提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管。,=IC/IB=1+2(1+1)1 2,7,第4级：互补对称射极跟随器,第3级：单管放大器,+,集成运放内部结构（举例）,极性判断,8,重点掌握运放的什么知识？,符号（实际运放、理想运放）性能指标（实际运放、理想运放）输入方式传输特性（实际运放、理想运放）电路分析中，对工作在线性区的运放，理想化处理后，有些什么特点？,例图1：P104、105 图3.1.3图3.1.4,9,6.1.2 主要参数P146 理想运算放大器,一、开环电压放大倍数Auo：无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的Aod为。,二、共模抑制比KCMMR：常用分贝作单位，一般100dB以上。,ri 大:几十k 几百 k,实际运放：,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A u o 很大:104 107,*,运放符号：,实际运放的符号,理想运放的符号,*,国际符号,国内符号,10,运放的三种基本信号输入方式 6.1.3运放的传输特性,反相输入端,同相输入,差分输入,三种基本信号输入方式,反相输入,同相输入端,输出端,+,ud,输入电压,输出电压,线性放大区,例：若UOM=12V，Ao=106，则|ui|12V时，运放处于线性区。,Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用于高频信号。,饱和区,饱和区,11,由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,运放工作在线性区的特点,关键,电路分析时，理想运放的处理方法,12,6.2 运算放大电路中的负反馈,目的：改善放大电路的工作性能,构成：反馈电路,难点,6.2.1反馈的基本概念,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。,若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是正反馈 positive feedback，反相是负反馈negative feedback。,13,取+加强输入信号 正反馈 用于振荡器,取-削弱输入信号 负反馈 用于放大器,开环,闭环,负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。,反馈框图,14,反馈电路的三个环节：,放大：,反馈：,叠加：,输出信号,输入信号,反馈信号,差值信号或净输入信号,负反馈框图,开环放大倍数,闭环放大倍数,反馈系数,当Ao很大时,AoF1,结论:当Ao很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关,只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。,深度负反馈,15,交流反馈：反馈只对交流信号起作用。直流反馈：反馈只对直流起作用。,若在反馈网络中串接隔直电容，则可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。,有的反馈只对交流信号起作用；有的反馈只对直流信号起作用；有的反馈对交、直流信号均起作用。,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,作用：稳定静态工作点,6.2.2负反馈negative feedback的类型,作用：稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带,16,一、电压反馈和电流反馈,电压反馈voltage feedback：反馈信号取自输出电压信号。电流反馈current feedback：反馈信号取自输出电流信号。,电压负反馈：可以稳定输出电压、减小输出电阻。电流负反馈：可以稳定输出电流、增大输出电阻。,根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,串联反馈series feedback：反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。,并联反馈parallel feedback：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。,串联反馈使电路的输入电阻增大；并联反馈使电路的输入电阻减小。,二、串联反馈和并联反馈,17,输出量、输入量、净输入量、反馈量的量纲各不相同。,电压/电流反馈串联/并联反馈 四种反馈组态,串联反馈（以电压信号形式进行比较）,并联反馈（以电流信号形式进行比较）,电压反馈,电压反馈,电流反馈,电流反馈,18,1.有无反馈？找出反馈网络（电路）。1.交流/直流反馈？如果反馈电路仅反映放大电路中的直流分量变化，则为直流反馈。反之，为交流反馈。如果二者都具备，为交直流反馈。2.串联/并联反馈？输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈（以电压信号形式进行比较）；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈（以电流信号形式进行比较）；3.电压/电流反馈？从输出端直取回的反馈，是电压反馈；从输出负载串联的电阻上取回的反馈，是电流反馈；4.正/负反馈？反馈使得净输入信号减小，为负反馈，反之，为正反馈。瞬时极性法,反馈类型的判别方法和步骤,3、是否负反馈？,19,1.有反馈和无反馈的判断：“找联系”。观察是否有反馈电路将放大电路的输出回路和输入回路联系在一起。,反馈类型的判断分析,2.正反馈和负反馈,反馈量是仅仅决定于输出量的物理量。,反馈极性通常采用“瞬时极性法”判断。,瞬时极性法：给定 的瞬时极性判断 的极性判断 的极性判断 上升还是下降下降，负反馈；上升，正反馈,20,三极管的集电极与基极相位相反,晶体管和集成运算放大器的瞬时极性,例子,反馈类型的判断 原则P151,21,1.串联电压负反馈,削弱净输入为负反馈,1，反馈直接取自输出电压,为电压反馈,2，反馈信号与输入信号分别加在两个输入端上，为串联反馈，以电压的形式比较。,交直流电压串联负反馈,3，瞬时极性法,设输入电压 ui 为正，,各电压的在此瞬时，实际方向如图,6.2.3 具体负反馈电路分析 P153-155 图6.2.4-图6.2.7,22,3.串联电流负反馈,削弱净输入为负反馈,交直流电流串联负反馈,1，反馈从输出负载串联的电阻上取回,为电流反馈,2，反馈信号与输入信号分别加在两个输入端上，为串联反馈，以电压的形式比较。,3，瞬时极性法,设输入电压 ui 为正，,各电压的在此瞬时，实际方向如图,23,4.并联电压负反馈,削弱净输入为负反馈,交直流电压并联负反馈,1，反馈直接取自输出电压,为电压反馈,2，反馈信号与输入信号加在同一个输入端上，为并联反馈，以电流的形式比较。,3，瞬时极性法,设输入电压 ui 为正，,各电压的在此瞬时，实际方向如图,24,4.并联电流负反馈,削弱净输入为负反馈,交直流电流并联负反馈,2，反馈信号与输入信号加在同一个输入端上，为并联反馈，以电流的形式比较。,1，反馈从输出负载串联的电阻上取回,为电流反馈,3，瞬时极性法,设输入电压 ui 为正，,各电压的在此瞬时，实际方向如图,25,1.有无反馈？找出反馈网络（电路）。1.交流/直流反馈？如果反馈电路仅反映放大电路中的直流分量变化，则为直流反馈。反之，为交流反馈。如果二者都具备，为交直流反馈。2.串联/并联反馈？输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈（以电压信号形式进行比较）；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈（以电流信号形式进行比较）；3.电压/电流反馈？从输出端直取回的反馈，是电压反馈；从输出负载串联的电阻上取回的反馈，是电流反馈；4.正/负反馈？反馈使得净输入信号减小，为负反馈，反之，为正反馈。瞬时极性法,反馈类型的判别方法和步骤,3、是否负反馈？,26,例1,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反馈；,因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以是串联反馈；因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。,串联电压负反馈,先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,27,例2,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是电流反馈；,因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈;,因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。,并联电流负反馈,28,根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,电压反馈反馈信号取自输出电压信号电流反馈反馈信号取自输出电流信号,电压反馈采样的两种形式：,电流反馈采样的两种形式：,电压反馈与电流反馈,29,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,串联反馈反馈信号以电压的形式与输入信号串联,并联反馈反馈信号以电流的形式与输入信号并联,串联反馈与并联反馈,ib=i-if,并联反馈,ube=ui-uf,串联反馈,30,交流反馈，反馈只对交流信号起作用；直流反馈，反馈只对直流信号起作用；交直流反馈，反馈对交直流均起作用,在反馈网络中串接隔直电容，可隔断直流，反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。,交流反馈与直流反馈,无C：交直流反馈,uo,有C：交流反馈,注：本电路中C1、C2也起到隔直作用。,31,增加旁路电容C后，RE1只对直流起反馈作用。,例：直流反馈,32,反馈电路的基本方程,6.2.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,一、对放大倍数的影响,Ao,开环放大倍数,AF,闭环放大倍数,33,同相，所以,则有：,负反馈使放大倍数下降。,引入负反馈使电路的稳定性提高。,(2),在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。,34,加反馈前,加反馈后,改善,二、改善波形的失真,35,引入负反馈使电路的通频带宽度增加。,三、展宽通频带,36,在具有负反馈的放大电路中，输入电阻仅取决于反馈电路与基本放大电路输入回路的连接方法。,1，对输入电阻的影响,串联反馈使输入电阻增加,例如:射极输出器,并联反馈使输入电阻减小：,P159 表6.2.1,四、对输入、输出电阻的影响,2，对输出电阻的影响,在具有负反馈的放大电路中，输出电阻仅取决于反馈电路与基本放大电路输出回路的连接方式。,电压反馈使输出电阻减小,例如:射极输出器,电流反馈使输出电阻增大,37,接有发射极交流负反馈电阻的放大器,(电流串联负反馈),ui=ube+uf,负反馈电阻RF,符合公式：,分立元件放大电路中的反馈,RB1=100k RB2=33kRE=2.4k RF=100RC=5k RL=5k=60 UCC=15Vrbe=1.62 k,（1）放大倍数减小了,但稳定了,即受晶体管的影响减小。（2）输入电阻提高了。,38,6.5 运算放大器使用时应注意的问题,元件的选取：根据要求选取。消振：消除内部的自激振荡。调零保护：输入端保护、输出端保护、电源保护。利用二极管和稳压二极管。扩大输出电流：输出端加接一级互补对称电路。,放大倍数稳定性的比较,无RF,=60时,Au=-93,=50时,Au=-77,有RF,AF,=60时,Au=-19,=50时,Au=-18.6,分立元件放大电路中的反馈,39,6.3 线性应用 信号运算电路：比例、加法、减法、积分、微分6.4 非线性应用 信号测量电路:采用运放以提高测量精度和扩大测量功能。信号处理电路:有源滤波、信号比较、信号采样保持等 信号产生电路:方波、三角波等非正弦信号；正弦波,集成运算放大器的应用,40,虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。,信号的放大、运算,有源滤波电路,运放线性应用,6.3 信号运算电路,会分析,分析什么？,输入和输出的关系参数确定,41,ii=if,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号也从反相端输入。,6.3.1 比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,1、反相比例运算电路,虚短路,虚断路,R2=R1/RF,电压并联负反馈,42,反馈方式 反相器 反相比例电路的特点,当RF=R1时,为反相器,输出电阻很小！,电压并联负反馈,1）共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,2）由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。接近恒压源。,3）由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此从信号源取的电流较大。对信号源要求较高。,5）在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,4）输入和输出反相。,43,u-=u+=ui,反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,2、同相比例运算电路,ii,if,虚短路,虚断路,电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,ii=if,同相比例运算电路的特点：,3）共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1）由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2）由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,4）输入与输出同相，放大倍数大于等于 1。,44,作用：将若干个输入信号之和按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,6.3.2 加法运算,1、反相求和运算 输入个数可变 2、同相求和运算 输入个数可变,叠加法,45,解出：,6.3.2 减法运算电路:双端输入差动放大器,当R1=R2，RF=R3时,当R1=R2，RF=R3，且，R1=RF时,该电路的特点：由于采用双端差动输入，故具有高共模抑制比；但由于有并联负反馈存在，故它的输入电阻不高。,差动放大器放大了两个信号的差，可实现减法运算。,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,46,减法运算电路:多输入信号,虚短路,虚断路,虚断路,由节点电压法,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,47,优点：元件少，成本低。,缺点：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不方便。,单运放的加减运算电路,改进：采用双运放电路。,双运放的加减运算电路,双运放的加减运算电路,48,A/D变换器要求其输入电压的幅度为0+5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。,uo=0.5ui+2.5（V）,实现此功能的方法很多,例,uo=0.5ui+2.5 V,=0.5(ui+5)V,49,设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3,解:,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,例,分析：(1)画电路。(2)求元件参数，即各电阻值。,(1)画电路。,(2)求各电阻值。,用节点电压法,uo=10ui1+8ui2-20ui3,50,1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。,2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,比例运算电路与加减运算电路小结,51,输入方波，输出是三角波。,应用举例1：,R1,6.3.3 积分运算,应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。,反相积分运算,52,u=u+=0,u i,+,+,uo,RF,R2,ii,iF,C1,6.3.3 微分运算,其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。,53,1 电压表电路,*6.4 运放的非线性应用 信号测量电路,1.直流电压表电路,IG正比于UX,虚短路,虚断路,输入电阻大，相当于电压表的内阻是。,若：RF=10，表头的满偏电流IGmax=100A，,则：满偏电压 Uxmax=IGmaxRF=1mV,1 电压表电路2 电流表电路3 测量放大电路,电路的优点：,(1)量程由表头满偏电流 IG 和电阻 RF 决定。RF选用小电阻，能测量较小的电压；,(2)输入电阻高，对被测电路影响小；,(3)测量值与表头内阻RG无关，表头的互换性好；,(4)RF小，可以做得较精密。因此能较准确地测量小电压。,UX=UF=RF IG,54,1mV表头,分压电阻的计算,取R1=100k,R2=900k,R3=1M,电压表扩大量程,55,整流桥把交流变成直流;,ux0时，电流由输出端经D2、表头、D4和电阻RF入地，uo0;,ux0时，电流经由电阻RF、D1、表头和D3流入输出端，uo0;,表头电流方向不变。,表头指示值与反馈电阻无关，即表头的内阻和二极管的非线性电阻不会影响测量精度。,2.交流电压表电路,56,1mV表头,100,10A,10,100A,1,1mA,表头的满偏电压UG=IGRF=1mV,U=UF=IGRF,1.直流电流表电路,.2 电流表电路,U=U+=IX R,交流电流表电路与交流电压表电路类似，但被测电流从反相端引入。,流过表头的电流为被测正弦电流ix的全波整流平均值Iav。,2.交流电流表电路,57,1mV表头,3.电阻表,58,第一级抑制零点漂移,第二级差动放大电路,R2R3,3 测量放大电路,第一级闭环电压放大倍数,第二级闭环电压放大倍数,总电压放大倍数,59,例 由三运放放大器组成的温度测量电路。,热敏电阻,集成化:仪表放大器,选择合适电阻，使输出电压与温度之间有某一比例关系，可实现温度测量及控制。,测温电桥,Rt=f(TC),60,6.4 运放的非线性应用 信号处理电路,定义：就是一种选频电路,它能选出有用的信号,而抑制无用的信号,使一定频率范围内的信号能顺利通过,衰减很小,而在此频率范围以外的信号不易通过,衰减很大。滤波器作用：从实际信号中选取一定频率有用信号。,滤波器,滤波器分类,低通滤波器LPF,带阻滤波器BEF,高通滤波器HPF,带通滤波器BPF,有源滤波、信号比较、信号采样保持,无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。,有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。优点：体积小、效率高、频率特性好。,61,*一、有源滤波器,由运算放大电路（有源元件）和其它元件组成。,对于幅频响应，几个概念：通带：能够通过的信号频率范围定义为通带。阻带：把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带。截止频率：通带和阻带的界限频率叫做截止频率。,传递函数、幅频特性 相频特性,幅频特性,相频特性,传递函数,62,低通,高通,带通,带阻,滤波器分类(按频率特性进行分类)：,63,1.一阶RC低通滤波器（无源）,此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。,此处：,通频带宽度(带宽):0 到 0/2,设R=10k,C为下列各值时的带宽:,C 1F 0.047 F 0.01 F fo 16Hz 340Hz 1600Hz,64,传递函数中出现 的一次项,故称为一阶滤波器,2.有源低通滤波器,（1）一阶有源低通滤波器,相频特性,65,一阶有源低通滤波器电路特点:,（2）二阶有源低通滤波器,幅频特性,传递函数中出现 的二次项,故称为二阶滤波器,66,3.一阶有源高通滤波器,67,所谓非线性应用是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。有以下三种情况:,1 运放处于非线性状态。,2 运放处于线性状态，外围电路有非线性元件(二极管、三极管)。,3 运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件(二极管、三极管)。,集成运放的非线性应用,分析方法：由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放的状态，主要由有无负反馈决定。,6.4.1电压比较器：用于比较输入电压和参考电压。,1.任意电压比较器,2.过零比较器:(UR=0时),3.有限幅的过零比较器,68,当ui UR时,uo=-Uom,1、ui从反相端输入,1 任意电压比较器,用于比较输入电压和参考电压,UR：参考电压 ui：被比较信号,特点：运放处于开环状态。开环电压放大倍数很高。,传输特性,2、ui从同相端输入,当ui UR时,uo=+Uom当ui UR时,uo=-Uom,单阈值比较器,69,2.过零比较器,例：利用电压比较器将正弦波变为方波。,UR=0,可实现过零检测,70,电路改进：用稳压管稳定输出电压。,双向稳压管,3.有限幅的过零比较器,输出电压被限制在UZ,有限幅的过零比较器的另一种限副形式,注意此电阻不可少,将双向稳压管接在负反馈回路上,71,1.电路简单。,2.当Ao不够大时，输出边沿不陡。,3.容易引入干扰。,单阈值比较器的特点,干扰,72,比较电路的输出由运放的输出饱和电压决定,4.迟滞（滞回）比较器 1)下行迟滞比较器,satsaturated,传输特性,下门限电压,上门限电压,称为回差,与过零比较器相比较有两个优点：,1。回差提高了电路的抗干扰能力。,2。引入正反馈加速输出电压的转变过程，使输出波形变陡。,引入正反馈，所以输出饱和,逆程,正程,当ui 增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；,当ui 减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom。,小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。,a.UR=0 的下行迟滞比较器,73,：下行迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。,特点：上下限对称；因为是反相输入故输出与输入反相。因为有回差，所以抗干扰能力强。,干扰,跳变沿更陡,例,74,加上参考电压后的上下限：,呈现不对称性,回差只与电源电压(决定Uom)及电阻R1和R2有关，而与参考电压无关。,b.UR不为零的下行迟滞比较器,下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较:,b.UR不为零,a.UR=0,75,R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V。当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。,例,1，首先计算上下门限电压：,2，根据传输特性画输出波形图：,解：,76,u+=0 时翻转，可以求出上下门限电压。,2.上行迟滞比较器,当u+u-=0 时,uo=+UOM当u+u-=0时,uo=-UOM,a.参考电压为零的上行迟滞比较器,对称性,b.参考电压不为零的上行迟滞比较器,不对称,传输特性：同相输入其传输特性为上行，反相输入则为下行。,77,1.由于硅二极管的正向导通电压不小于 0.5V，当 Ui 小于 1V 时，UO 误差很大。,2.二极管作为一个半导体元件，它很容易受到温度的影响，它还具有非线性特性。,普通半波整流电路的缺陷：,*运放的非线性应用 半波精密整流电路,精密半波整流电路,当ui 0 时，uo1 0,D2导通，D1 截止，uo=0;,当ui 0,D2截止，D1导通，,解决方法：把普通二极管置于运算放大器的反馈回路中。利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成对微小幅值电压进行整流的电路。,当ui=0 时，uo1=0,D2截止，D1 截止，uo=0;,78,1.运放的输出电压大于二极管的正向电压。即D1 和 D2 总是一个导通，另一个截止，这个电路就能正常检波。,思考题：如何获得正半波极性的输入信号？,精密半波整流电路正常工作的条件：,2.电路所要求的最小输入电压峰值为,其中，UD 为二极管的正向电压，,答：二极管反向！,79,6.4.2 6.4.3 信号产生电路,非正弦波信号产生电路（产生：方波，三角波，锯齿波，等等）P149正弦波信号产生电路（正弦波振荡电路）,4.5 集成稳压电路,80,1.电路结构,上下门限电压：,下行的迟滞比较器，输出经R-C电路充放电，再输入到此比较器的反相输入端。,6.4.2 矩形波发生电路,uc与u+比较,此电路中既有负反馈又有正反馈,2.工作原理,a.设 uo=+UOM,此时，输出给C 充电!,则：u+=UH,一旦 uc UH,u-u+,uc UH 时，,u-u+,uo 保持+UOM 不变；,uo 由UOM 变成UOM,此时，C 经输出端放电。,b.当uo=-UOM 时，,u+=UL,uc降到UL时，uo上翻。,当uo 重回UOM 后，电路又进入另一个周期性的变化。,81,c.周期与频率的计算,f=1/T,uc上升阶段表示式:（用三要素式代入）,uc下降阶段表示式:,2.矩形波发生电路的改进,82,电路1：方波发生器 矩形波积分电路三角波,此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。,*6.4.2 三角波发生电路,uo,三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。,uo1,83,电路2：电路1的改型,上行迟滞比较器,反向积分电路,特点：由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成，迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。,84,周期和频率的计算：,85,电路3：是电路2的改型电路,调整电位器 RW 可以使三角波上下移动。即给纯交流的三角波叠加了一个直流分量。,86,改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。,*6.4.2 锯齿波发生器,稳压管限幅,87,一、串联型稳压电路,1.串联式直流稳压电路的基本形式,由于采用了射极输出器，所以带负载的能力增强。,Uo=UZ-UBE,*集成串联型稳压电路,两个主要缺点：,(1)稳压效果不好。输出电压受稳压管影响。,(2)输出电压不可调。,改进的方法：在稳压电路中引入带电压负反馈的放大环节。,88,2.改进的串联型稳压电源,当 UI 增加或输出负载变化使 Uo升高时,利用电压负反馈稳定输出电压,a.稳压原理,b.输出电压可调,（调至最下端）,（调至最上端）,若滑动端向下调输出电压如何变？,分立元件温度稳定性差,89,3.集成运输放大器组成的串联型稳压电路,在运放理想条件下:,Uo,注：R1和R2 中包含Rw,为电压串联深度负反馈故称串联稳压,90,ton,调节占空比改变输出电压,PWM,91,二、集成稳压电路,直流稳压电源的作用：输出稳定的直流电压。,稳压管稳压电路,集成稳压电源,单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。,92,三端集成稳压电源分类:,型号后XX两位数字代表输出电压值。输出电压额定电压值有:5V、9V、12V、18V、24V等。,三端集成稳压器,固定式,可调式,正稳压W78XX,负稳压W79XX,1端:输入端2端:公共端3端:输出端,W78XX外形,1端:公共端2端:输入端3端:输出端,W79XX外形,注：金属封装和塑料封装管脚定义不同，使用时一定要先查手册。,93,例子：输出为固定+5V电压,一 输出为固定电压的电路 二 输出正负电压的电路,UO,例子：输出为5V电压,94,UXX:为W78XX固定输出电压 UO=UXX+UZ,c.提高输出电压的电路,d.输出电压可调式电路,W7805,运算放大器作为电压跟随器使用,它的电源就借助于稳压器的输入直流电压。由于运放的输入阻抗很高,输出阻抗很低，可以克服稳压器受输出电流变化的影响。,(UXX=5V),95,三、开关型稳压电路,损耗(P=UCE IL)大；电源的效率(=Po/Pi=UoIL/UiIi)较低,为了提高效率，可采用开关型稳压电源。,调整管工作在线性放大区，当负载电流较大时:,96,6.4.3 正弦振荡电路的基本原理,6.4.3.2 LC 正弦振荡电路,6.4.3.1 RC 正弦振荡电路,振荡电路概述作用：产生一定频率和幅值的输出信号。特点：不需要外接输入信号，输出端就有信号输出。结构特点：正反馈分类：正弦波振荡电路非正弦波振荡电路：方波、三角波、锯齿波,6.4.3 正弦波振荡电路,97,正弦波振荡电路的作用：用来产生一定频率和幅度的正弦交流电。,正弦波振荡信号的频率范围：一赫以下至几百兆赫,正弦波振荡电路输出的交流电能是从电源的直流电能转化而来。输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦。,6.4.3 正弦波振荡电路概述,正弦波振荡电路的应用：,作为信号源，广泛用于量测、自动控制、通讯、广播电视及遥控等方面。,2.作为高频能源，用于高频感应加热、冶炼、淬火以及超声波焊接等工业加工方面。,常用的正弦波振荡电路,1.RC 振荡电路（输出功率较小，频率较低）,2.LC 振荡电路（输出功率较大，频率较高）,98,正反馈电路才能产生自激振荡,6.4.3 正弦波振荡电路的基本原理 1 自激振荡条件,如果：,k闭合,去掉,仍有信号输出。,自激振荡条件,99,自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、反馈回路应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。,所以将放大倍数和反馈系数写成：,自激振荡的条件：,其中：,或,（1）振幅条件：,（2）相位条件：,n是整数,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈，振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。,100,2 自激振荡的建立与稳定,扰动信号作为信号源,因为AF 1，且A+F=2n，即可起振,放大正反馈，增幅振荡,不断循环放大,当进入晶体管饱和区后，AF下降AF下降直到AF=1，稳定在某一振幅下工作,建立过程,稳定,5.1.3正弦振荡电路的组成,基本放大电路 正反馈电路 选频电路 稳幅环节根据选频电路的不同分：RC振荡电路、LC振荡电路,101,RC选频网络,同相比例运算电路,P166 图5.2.1,6.4.3.1 RC正弦振荡电路 适用于低频振荡,有两个反馈,用RC电路构成选频网络的振荡电路即所谓的RC振荡电路，可选用的RC选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。,102,如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：,传递函数：,相频特性：,幅频特性：,选频网络选择的频率,103,振荡条件的满足,104,能自行启动的电路（1）,起振时，RT略大于2R1，使|AF|1，以便起振；,起振后，uo逐渐增大则RT逐渐减小，使得输出uo为某值时，|AF|=1，从而稳幅。,105,能自行启动的电路（2）,R22为一小电阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|1，以便起振；,随着uo的增加，R22逐渐被短接，A自动下降到使|AF|=1，使得输出uo稳定在某值。,106,输出频率的调整：,通过调整R或/和C来调整频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。,107,电子琴的振荡电路：,108,用分立元件组成的RC振荡器,ube,RC网络正反馈，RF、RE1组成负反馈，调整到合适的参数则可产生振荡。,109,LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。,*6.4.3.2 LC正弦振荡电路 适用于高频振荡,110,+,+,+,5.3.1 变压器反馈式,正反馈,D,设uB,uC,uD,uB,uL2,ube,uL1,频率由C、L1、L2谐振网络决定。,111,正反馈,设uB,uC,uC1,uC2,uB,频率由 L、C1、C2 组成的谐振网络决定。,uC1,uC1减小时，uC2如何变化？,设L、C1、C2 组成的谐振网络中的电流为i，则,5.3.2 电容反馈式,112,正反馈,设uB,uC,uE,ube,uA,ube,+,uC1,频率由 L、C1、C2 组成的谐振网络决定。,113,(a)石英晶体振荡器(b)外形图,石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件,5.4 石英晶体正弦振荡电路,5.4.1.石英晶体的基本结构,114,石英晶体作为一个谐振回路具有极高的频率稳定度。,当石英晶体受到交变电场作用时,即在两极板上加以交流电压,石英晶体便会产生机械振动。反过来,若对石英晶体施加周期性机械力,使其发生振动,则又会在晶体表面出现相应的交变电场和电荷,即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时,便会产生“机电共振”,振幅明显加大,这种现象称为压电谐振。,从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片,这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、音叉形的,然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层,并装上一对金属板,接出引线,封装于金属壳内，就构成了石英晶体谐振器。,115,(a