【教学课件】第10章集成运算放大器.ppt

第10章 集成运算放大器,集成电路,本章内容,10.1 集成运算放大器概述,10.2 反馈的基本概念,10.4 基本运算电路,10.6 RC正弦波振荡器,10.5 电压比较器,10.3 理想运算放大器,10.7 有源滤波器,本章要求,1.了解集成运放的基本组成及主要参数。2.了解掌握运算放大器的电压传输特性和基 本分析方法。3.掌握用集成运放组成的比例、加减、微分 和积分运算电路的工作原理。4.了解有源滤波器的工作原理。5.理解电压比较器的工作原理和应用。,10.1 集成运算放大器的概述,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,运放的应用领域：信号处理、信号测量、波 形转换、自动控制等。,运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积 分、微分、对数等运算。,10.1 集成运算放大器的概述,一、运算放大器的组成,输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电 阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。,中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路。,输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般由 互补对称电路或射极输出器构成。,1、电路组成：,10.1 集成运算放大器的概述,2、运放的电路符号：,一、运算放大器的组成,反相输入端,同相输入端,输出端,10.1 集成运算放大器的概述,二、集成运算放大器的特点,1、Auo 高:80dB140dB2、rid 高:10510113、ro 低:几十 几百4、KCMR高:70dB130dB,电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、零点漂移小，抗干扰能力强，可靠性高、体积小，低成本、能耗小等。,10.1 集成运算放大器的概述,三、主要参数,1.最大输出电压 UOPP 使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2.开环差模电压增益 Auo 未接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6.共模输入电压范围 UICM 运放能承受的最大共模输入电压。超出此值，运 放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3.输入失调电压 UIO4.输入失调电流 IIO5.输入偏置电流 IIB,10.1 集成运算放大器的概述,四、运算放大器电压传输特性,电压传输特性 uo=f(ui),线性区,饱和区,uo=Auoui=Auo(u+u),1、线性区：uo=Auo(u+u),2、非线性区饱和区：u+-u X 时，uo=+UOM u+-u X 时，uo=UOM,Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,10.2 反馈的基本概念,0、反馈的概念,1、反馈：,将放大电路输出信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路回送到输入端。,2、反馈放大电路的方框图,输出信号,输入信号,反馈信号,净输入信号,比较器,10.2 反馈的基本概念,0、反馈的概念,开环放大倍数AO,闭环放大倍数Af,比较环节,反馈系数,10.2 反馈的基本概念,一、反馈的分类,1、正反馈和负反馈,负反馈：反馈削弱净输入信号，使放大倍数降低。,在放大电路中，若出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。,正反馈：反馈信号增强净输入信号，使放大倍数 提高。,10.2 反馈的基本概念,一、反馈的分类,2、直流反馈和交流反馈,直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈电路 只能传递直流信号。,交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈电路 只能传递交流信号。,10.2 反馈的基本概念,一、反馈的分类,3、串联反馈和并联反馈,串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈信 号与输入信号以电压形式作比较。,并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信 号与输入信号以电流形式作比较。,10.2 反馈的基本概念,一、反馈的分类,4、电压反馈和电流反馈,电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。,电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。,电压反馈：反馈信号取自输出电压。电流反馈：反馈信号取自输出电流。,10.2 反馈的基本概念,一、反馈的分类,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,稳定静态工作点,反馈,正反馈,振荡器产生信号,反馈的判别步骤,判别是否负反馈？,判别是交流反馈还是直流反馈？,是负反馈！判断是何种类型的负反馈？,找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,1、找出反馈网络,连接在输入与输出之间的元件。为输入回路与输出回路所共有的元件。,例1：,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,2、交、直流反馈的判别,交、直流信号均可通过 RE，所以RE引入的是交、直流反馈。,如有旁路电容,RE中仅有直流信号通过，这时RE引入的则是直流反馈。,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,3、反馈类型串并联的判别,串并联反馈判别:令ui=0(对地短路)若反馈信号不能再影响放大器输入,则是并联反馈;若不清楚则是串联反馈。,ui=0对地短路反馈信号uf仍存在,对ube仍有影响RE是串联反馈。,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,4、反馈类型电压、电流判别,电压电流反馈的判别:令RL=0(输出对地短路)若反馈信号取不到(uf=0),则是电压反馈;若不清楚则是电流反馈。,输出端对地短路反馈信号uf0RE是电流反馈。,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,5、正、负反馈的判别瞬时极性法,设ui瞬时增加uo变化 uf变化净输入的变化：若净输入增大则为正反馈，若净输入减小则为负反馈。,设基极瞬时极性为正，集电极与基极相反、发射极(接有RE)与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。,ube=Vb-Ve,负反馈,RF连接在输入与输出之间，所以RF是反馈元件。,判别交、直流反馈,交、直流信号均可通过 RF，所以 RF引入的是交、直流反馈。,例2：,判别反馈元件,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,判断反馈类型电压、电流反馈,例2：,判断反馈类型,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,令ui=0(对地短路),令RL=0(输出对地短路),反馈信号不能送入放大器-并联反馈。,反馈信号取不到是-电压反馈,例2：,判断正、负反馈,10.2 反馈的基本概念,二、反馈的判别,Vb,VC,VRF右,VRF左,负反馈,10.2 反馈的基本概念,三、负反馈对放大电路性能的改善,10.2 反馈的基本概念,三、负反馈对放大电路性能的改善,1.提高放大倍数的稳定性,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。,放大倍数下降至1/(1+|AF|)倍，其稳定性提高1+|AF|倍。,若|AF|1，称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,例：|A|=300，|F|=0.01。,10.2 反馈的基本概念,三、负反馈对放大电路性能的改善,1.提高放大倍数的稳定性,2.改善波形失真,加反馈后,大,略小,略大,略小,略大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,小,接近正弦波,正弦波,10.2 反馈的基本概念,三、负反馈对放大电路性能的改善,3.展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加,无负反馈,有负反馈,10.2 反馈的基本概念,三、负反馈对放大电路性能的改善,4.对输入电阻的影响,在同样的 ib下，ui=ube+uf ube，所以 rif 提高。,串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈时：,使电路的输入电阻提高,10.2 反馈的基本概念,三、负反馈对放大电路性能的改善,无负反馈时：,有负反馈时：,在同样的ube下，ii=ib+if ib，所以 rif 降低。,并联负反馈,使电路的输入电阻降低,4.对输入电阻的影响,10.2 反馈的基本概念,三、负反馈对放大电路性能的改善,电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,电压负反馈使电路的输出电阻降低,电流负反馈使电路的输出电阻提高,5.对输出电阻的影响,10.2 反馈的基本概念,三、负反馈对放大电路性能的改善,10.3 理想运算放大器,一、理想运算放大器的条件,1、开环电压放大倍数 Auo,2、开环输入电阻 ri,3、开环输出电阻 ro 0,4、共模抑制比 KCMR,10.3 理想运算放大器,二、理想运算放大器的特性,1.工作在饱和区的特点,u+u 时，uo=+UOM u+u 时，uo=UOM,线性区,饱和区,2.工作在线性区的特点,因为 uo=Auo(u+u),差模输入电压约等于 0，即 u+=u，两输入端 相当短路，但未真正短路，故称“虚短”,u0是有限值,Auo又很大，所以,10.3 理想运算放大器,二、理想运算放大器的特性,2.工作在线性区的特点,因为 ri为无穷大。,运放输入电流约等于 0，即 i+=i 0,称“虚断”,i+,i,因为 ro为0。,运放输出电压不受负载大小的影响。,10.4 基本运算电路,一、比例运算电路,1.反相比例运算,电路组成,动画,ui从反相输入端输入同相输入端接地,因静态时要求u+、u 对地电阻相同，所以平衡电阻 R2=R1/RF,电压放大倍数,因i+=0,所以u+=0 u=u+=0-称“虚地”,ri，i+=i=0,i1 if,结论：,Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加在反相输入端。,Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。,|Auf|可大于 1，也可等于 1 或小于 1。,因u=u+=0，所以反相输入端“虚地”。,10.4 基本运算电路,一、比例运算电路,1.反相比例运算,因要求静态时u+、u对地电阻相同，故R2=R1/RF,10.4 基本运算电路,一、比例运算电路,2.同相比例运算,因虚断，所以u+=ui,电路组成,电压放大倍数,因虚短，故 u=u+=ui,if,i1,i1=if,结论：,Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因 为 ui 加在同相输入端。,Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运 放本身参数无关。,Auf 1，不能小于 1。,u=u+0，反相输入端不存在“虚地”现象。,10.4 基本运算电路,一、比例运算电路,2.同相比例运算,当 R1=且 RF=0 时，,uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。,由运放构成的电压跟 随器输入电阻高、输出 电阻低，其跟随性能比 射极输出器更好。,10.4 基本运算电路,一、比例运算电路,2.同相比例运算,负载电流的大小与负载无关。,例：负载浮地的电压-电流的转换电路,1.能测量较小的电压；2.输入电阻高，对被 测电路影响小。,流过电流表的电流,10.4 基本运算电路,2.同相比例运算,二、加法运算电路,1.反相加法运算电路,因虚短,u=u+=0,平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RF,因虚断，i=0,所以 ii1+ii2=if,动画,10.4 基本运算电路,10.4 基本运算电路,二、加法运算电路,2.同相加法运算电路,方法1:根据叠加原理 ui1单独作用(ui20)时,动画,同理，ui2单独作用时,方法2：,u+=?,也可写出 u和 u+的表达式，用 u=u+的性质求解。,10.4 基本运算电路,2.同相加法运算电路,三、减法运算电路,由虚断和虚短可得：,分析方法1：,iR1,iRF,由虚断可得：,10.4 基本运算电路,三、减法运算电路,10.4 基本运算电路,如果取 R1=R2，R3=RF,如 R1=R2=R3=RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量放大电路,分析方法1：,动画,分析方法2：利用叠加原理,u+,ui1单独作用时,ui2单独作用时,三、减法运算电路,10.4 基本运算电路,减法运算电路可看作是反相比例运算与同相比例运算电路的叠加。,四、积分运算电路,由虚短及虚断可得 i1=if,if=?,当电容CF的初始电压为 uC(t0)时，则有,动画,10.4 基本运算电路,若ui=Ui（恒定直流量）时，则,积分饱和,线性积分时间,线性积分时间,UOM,ui=Ui 0,ui=Ui 0,采用运放组成的积分电路,由于充电电流基本恒定,故 uo 是时间 t 的一次函数,从而提高了它的线性度。,输出电压随时间线性变化,Ui,Ui,四、积分运算电路,10.4 基本运算电路,比例-积分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。,10.4 基本运算电路,五、微分运算电路,由虚短及虚断可得 i1=if,Ui,Ui,动画,10.4 基本运算电路,10.4 基本运算电路,比例-微分运算电路,PD调节器,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,电压比较器的基本功能：电压比较器用来对两个输入电压信号的大小进行比较。在输出端显示比较结果。,电压比较器的用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。,电压比较器的组成：运放工作在开环或引入正反馈状态。工作在非线性饱和区。,10.5 电压比较器,一、单限电压比较器,10.5 电压比较器,输入信号ui从运放的一端输入,而另一端加固定的参考电压UR。,1、反相输入电压比较器,uiUR 时，uo=UOM,可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。,输出跃变所对应的输入电压称阈值电压(门限电平)。,一、单限电压比较器,10.5 电压比较器,1、反相输入电压比较器,当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。,一、单限电压比较器,10.5 电压比较器,2、同相输入电压比较器,ui UR，uo=+UOMui UR，uo=UOM,3、输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则 ui UR，uo=UZ,10.5 电压比较器,一、单限电压比较器,4、过零电压比较器,利用电压比较器将正弦波变为方波,10.5 电压比较器,一、单限电压比较器,5、电压比较器应用过热保护,RT是负温度系数热敏电阻，温度高，电阻小 ui大 uo=UOM T导通 KA有电 停止电加热。,10.5 电压比较器,一、单限电压比较器,二、滞回电压比较器,电路中引入正反馈,10.5 电压比较器,单限比较器电路简单，但抗干扰能力差。在uiUR时，干扰易引起输出误跳变，故常采用滞回电压比较器。,提高了比较器的响应 速度,输出电压的跃变不是 发生在同一门限电压 上。,二、滞回电压比较器,上门限电压,下门限电压,当 uo=+UOM，则,当 uo=UOM，则,门限电压受输出电压的控制,10.5 电压比较器,上门限电压 U+：ui 逐渐增加时的门限电压,下门限电压U+：ui 逐渐减小时的门限电压,两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器,10.5 电压比较器,二、滞回电压比较器,根据叠加原理，有,改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。,当参考电压UR不等于零时,10.5 电压比较器,定义：回差电压,与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰 能力越强。,结论：1.调节RF 或R2 可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影回差 电压U。,电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。,10.5 电压比较器,解：对图（1）上门限电压,下门限电压,例：电路如图所示，UOM=6V，UR=5V，RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,10.5 电压比较器,解：对图（2）,例：电路如图所示，UOM=6V，UR=5V，RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,10.5 电压比较器,（1）,（2）,10.5 电压比较器,10.5 电压比较器,三、双限电压比较器,双限电压比较器应用于判断ui在两个给定电压之间。,10.6 RC正弦波振荡器,由于学时限制,该节自学。,一、有源滤波器,滤波器是一种选频电路。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。,无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。,缺点：低频时体积大，很难做到小型化。,优点：体积小、效率高、频率特性好。,按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,10.7 有源滤波器,1.有源低通滤波器,设ui为正弦波信号,则,故：,一、有源滤波器,10.7 有源滤波器,若频率 为变量，则电路的传递函数,其模为,10.7 有源滤波器,当 0时，|T(j)|衰减很快,显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。,为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。,2.有源高通滤波器,设ui为正弦波信号，则,故：,一、有源滤波器,10.7 有源滤波器,2.有源高通滤波器,一、有源滤波器,10.7 有源滤波器,可见，电路使频率大于0 的信号通过，而小于0 的信号被阻止，称为有源高通滤波器。,其模为,控制信号,模拟开关,模拟输入信号,1.电路,二、采样保持电路,采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间,所以在A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样,并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储电容,电压跟随器,10.7 有源滤波器,2.工作原理,1.电路,采样阶段：uG为高电平，S闭合(场效应管导通)，ui对存储电容C充电，uo=uC=ui。,保持阶段：uG为0，S断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,二、采样保持电路,10.7 有源滤波器,10.8 运放在波形产生方面的应用,波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三 角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。,一、矩形波发生器,1.电路结构,由滞回比较器、,RC充放电电路组成，,电容电压uC 即是比较器的输入电压，,2.工作原理,设电源接通时，uo=+Uo(sat)，uC(0)=0。,电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。,uo 通过 RF 对电容C充电，uC 按指数规律增长。,充电,10.8 运放在波形产生方面的应用,当 uo=+Uo(sat)时，电容充电，uC上升，,电容放电，uC下降，,当uC=UR 时，uo 跳变成 Uo(sat),当 uC=UR 时，uo 跳变成+Uo(sat)，电容又重新充电。,放电,2.工作原理,动画,10.8 运放在波形产生方面的应用,3.工作波形,T=T1+T2,电容充放电过程，uC 的响应规律为,4.周期与频率,10.8 运放在波形产生方面的应用,在充电过程中,在放电过程中,矩形波的周期,矩形波的频率,充放电时间常数相同：=RC,矩形波常用于数字电路中作为信号源,A1：滞回比较器 因 u=0，所以当 u+=0 时，A1状态改变,二、三角波发生器,1.电路结构,A2：反相积分电路,10.8 运放在波形产生方面的应用,2.工作原理,A1：滞回比较器 因 u-=0，所以当 u+=0时，A1状态改变,输出 uo1 改变(+UZ 跃变到UZ 或 UZ 跃变到+UZ)，,当,同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。,动画,10.8 运放在波形产生方面的应用,3.工作波形,4.周期与频率,T=T1+T2=2T1=2T2,(1)改变比较器的输出 uo1、电阻R1、R2 即可改变三角波的幅值。(2)改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。,动画,10.8 运放在波形产生方面的应用,三、锯齿波发生器,1.电路,三角波发生器,在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其 输出锯齿波。,10.8 运放在波形产生方面的应用,2.波形,1.电路,动画,三、锯齿波发生器,10.8 运放在波形产生方面的应用,本章作业,P300：10.4.2 10.4.4 10.4.5 P303：10.4.6 10.4.7 10.4.12,