《电工电子技术》课件第7章集成运算放大器及其应用.ppt

7.1 集成运算放大电路概述,7.2 放大电路中的负反馈,7.3 集成运算放大器的线性应用,7.4 集成运算放大器的非线性应用,7.5 集成运算放大器使用时的注意事项,7.6 集成运算放大器的应用举例,第7章 集成运算放大器及其应用,学习目标,了解集成运放的组成及各部分的作用。掌握理想运放的条件和传输特性。能够正确判断电路中是否引入反馈以及反馈的类型。掌握负反馈对放大电路性能的影响。理解集成运放线性应用的条件和两个重要分析依据。掌握集成运放的基本运算电路。了解集成运放在信号处理方面的应用。理解集成运放非线性应用的条件和分析依据。掌握集成运放构成的电压比较器。了解集成运放构成的各种信号发生电路。掌握集成运放使用注意事项。,7.1 集成运算电路概述,7.1.1 集成运算放大器的组成及工作原理,1、集成运算放大器的组成,差放放大差摸信号抑制共模信号输入电阻大,共射放大倍数高,射极输出器输出电阻小带负载能力强,集成运放是一种电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、共模抑制比高、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、耗电少的通用电子器件。,A u 0：开环电压放大倍数,2.集成运放的符号,u：反相输入端；,u+：同相输入端；,uo：输出端。,圆壳式,双列直插式,空脚,+UCC,-UEE,输出,u-,u+,3.集成运放的管脚,7.1.2 集成运算放大器的传输特性,正饱和区：,线性区：,负饱和区：,7.1.3 集成运算放大器的主要参数,一般略低于正、负电源电压。,1）最大输出电压Uopp：,能使输入输出保持不失真关系的最大输出电压,2）开环电压放大倍数A u 0：,越大越好。一般为104 107,3）差模输入电阻rid 与输出电阻ro：,输入电阻很高。一般为几十千欧几十兆欧。输出电阻很低。一般为几十欧。,无外接反馈时的差模电压放大倍数,7）输入失调电压Uio：,Uo=0时，在输入端加的补偿电压,反映了电路的不对称性。一般为几毫伏。,4）共模抑制比KCMRR：,对共模信号的抑制能力。,很高。一般为103 107。,运放能抑制共模信号的范围。,5）共模输入电压范围UiCM：,运放正常工作时，允许输入差模电压的范围。,6）最大差模输入电压UidM：,7.1.4 理想运算放大器,1、理想运放：,rid,KCMRR,ro 0,Au,2、理想运放的传输特性 uo=f（ui）,理想运放有无线性区？,3、理想运放的分析依据,因为：ri d=,1）i=i+=0,因为：u+-u-=uo/A u 0,2）u+=u-,uo 为有限值，A u 0 为,结论2只适用于理想运放闭环线性应用时！,注意！,“虚断”,“虚短”,结论1适用于理想运放工作在线性和饱和时！,在实际中，集成运放的Au0，ri d不可能是无穷大，所以“虚短”和“虚断”是两个近似的结论。,理想运放的线性区趋近于0，所以运放要工作在线性区，必须引入深度负反馈。,7.2 放大电路中的负反馈,7.2.1 反馈的概念,反馈：凡是将电路的输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）通过一定的电路（反馈回路）引回到输入端，与输入信号叠加，一同控制电路的输出，就称为反馈。,负反馈：若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。正反馈：若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,放大电路中引入的一般为负反馈,基本放大电路Ao,反馈电路F,反馈框图：,净输入信号,输出信号,开环放大倍数,反馈信号,反馈系数,xd,xo,xf,xo,xd,xf,反馈信号削弱净输入信号 负反馈,反馈信号增强净输入信号 正反馈,xd=xi-xf,xd=xi+xf,7.2.2 反馈的类型及判断,(1),根据反馈电路在输出端所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,如果反馈信号取自（正比于）输出电流，为电流反馈,如果反馈信号取自（正比于）输出电压，为电压反馈,(2),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。,如果反馈信号与输入信号串联（Xf=Uf）为串联反馈,如果反馈信号与输入信号并联（Xf=If）为并联反馈,负反馈,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,1.负反馈的类型,1）电压串联负反馈,基本放大电路：,运放,反馈电路：,R1、Rf,反馈信号：,Uf=UO R1/（R1+Rf）,净输入信号：,Ud=u+-u-=ui-uf,负反馈：,Uf与UO 同相，削弱了净输入信号；,uo uf ud=ui-uf uo,串联负反馈：,Uf与Ui串联（电压相加减）；,电压负反馈：,Uf=UO R1/（R1+Rf）,反馈信号正比于输出电压,电压负反馈能稳定输出电压：,串联电压负反馈,若考虑集成运放的Aod和rid很大，则流经R1、Rf的电流：,电流只与输入ui有关，此时，将RL接到Rf位置，则可以获得稳定的电流。这种电路引入的是电流串联负反馈。,iR1=ui/R1=iRf,2）电流串联负反馈,基本放大电路：,运放,反馈电路：,Rf、RL,反馈信号：,uf=io Rf,净输入信号：,ud=u+-u-=ui-uf,负反馈：,uf与ui 同相，削弱净输入信号；,串联负反馈：,Uf与Ui串联（电压相加减）,电流负反馈：,Uf=io Rf,反馈信号正比于输出电流,电流负反馈能稳定输出电流：,串联负反馈电路的输入电流很小，适用于输入信号为恒压源或近似恒压源的情况。,3）电压并联负反馈,基本放大电路：,运放,反馈电路：,Rf,反馈信号：,if=-uO/Rf,净输入信号：,id=ii-if,负反馈：,if与uo 反相，削弱了净输入信号；,并联负反馈：,if与ii并联（电流相加减）,电压负反馈：,if=-uo/Rf,反馈信号正比于输出电压,电压负反馈能稳定输出电压：,并联电压负反馈,4）电流并联负反馈,基本放大电路：,运放,反馈电路：,Rf、R3,反馈信号：,if=-io R3/(Rf+R3),净输入信号：,id=ii-if,负反馈：,if与uo（io）反相，削弱净输入信号；,并联负反馈：,if与ii并联（电流相加减）,电流负反馈：,if=-io R3/(Rf+R3),反馈信号正比于输出电流,并联电流负反馈,RL,电流负反馈能稳定输出电流：,if=ui/R1=ii,io=iR-if,-Rf if=R3 iR iR=-Rf/R3 if,io=-if（1+Rf/R3）=-ui/R1（1+Rf/R3）,输出电流与负载无关。当元件参数确定后，输出电流不变。,RL,归纳,电路中引入不同组态的交流负反馈就可实现不同的控制关系，它们的放大倍数具有不同的物理意义：,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,放大电路中应引入电压负反馈还是电流负反馈，取决于负载欲得到稳定的电压还是稳定的电流；放大电路中应引入串联负反馈还是并联负反馈，取决于输入信号源是恒压源（或近似恒压源）还是恒流源（或近似恒流源）。,2.反馈类型的判断,1）找出反馈网络,将输入、输出联系起来的电路。,反馈网络：Rf,反馈网络一般由电阻或电阻、电容组成。反馈电路的结构决定了反馈信号是交流、直流或交、直流。,负反馈,2）判断正、负反馈：,瞬时极性法,假设输入端瞬时极性为“+”（电位升高）；,由入至出，再由出至入，依次判断出各点的瞬时极性；,若反馈信号使得净输入提高，为正反馈；,若反馈信号使得净输入降低，为负反馈；,负反馈,？,负反馈！,？,正反馈！,本级反馈,反馈电路接至反相输入端为负反馈,反馈电路接至同相输入端为正反馈,3）判断串、并联反馈：,看反馈电路与输入端的连接形式,若反馈信号与净输入信号串联（反馈信号以电压的形式出现）,串联反馈,并联反馈,若反馈信号与净输入信号并联（反馈信号以电流的形式出现）,串联反馈,并联反馈,？,串联反馈！,？,并联反馈！,本级反馈,反馈信号与输入信号接在同一输入端为并联反馈,反馈电路与输入信号分别接在两个输入端为串联反馈,4）判断电压、电流反馈：,看反馈电路与输出端的连接方式,若反馈信号取自于输出电压，为电压反馈；,电压反馈,若反馈信号取自于输出电流，为电流反馈；,电流反馈,？,电流反馈！,？,电压反馈！,本级反馈,反馈信号直接从输出端引出为电压反馈,从负载电阻RL的靠近“地”端引出为电流反馈,Rf1、Rf2：,本级并联电压负反馈；,Rf3：,uo,级间串联电压负反馈！,负反馈,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,1.负反馈的类型,1）电压串联负反馈,2）电流串联负反馈,3）电压并联负反馈,4）电流并联负反馈,7.2.3 负反馈对放大电路的影响,xd=xi-xf,1.降低放大倍数,Af：闭环放大倍数,负反馈使放大倍数下降。,2.负反馈提高放大倍数的稳定性,反馈深度,称为深度负反馈，此时：,若,在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络的参数有关。,引入负反馈使电路放大倍数的稳定性提高。,3.改善波形的非线性失真,加反馈前,加反馈后,引入负反馈将输出端的失真信号反送到输入端，使净输入信号发生某种程度的失真，经过放大后，即可使输出信号的失真得到一定程度的补偿。从本质上说，负反馈是利用失真了的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，不能完全消除失真。,4.展宽了通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加：,fHF,fH,集成运放中都采用直接耦合，无耦合电容，故其低频特性良好，展宽了通频带；引入负反馈后，在高频段通频带又能得到展宽。,5.对输入、输出电阻的影响,1）串联反馈使电路的输入电阻增加：,2）并联反馈使电路的输入电阻减小：,3）电压反馈使电路的输出电阻减小：,稳定输出电压！,4）电流反馈使电路的输出电阻增加：,稳定输出电流！,7.3 集成运算放大器的线性应用,理想运放,引入深度负反馈，使运放工作于线性状态。,运放的线性应用,理想运放线性应用时的两个重要结论：,1）i=i+=0“虚断”,2）u+=u-“虚短”,虚地,1.比例运算电路,1）反相比例运算电路,ui,uo,i1=if,i+=i-=0,7.3.1 基本运算电路,电压并联负反馈,uo 与 ui 为比例关系,uo 与 ui 反相位 若Rf=R1，则为 反相器,电压并联负反馈,R2：平衡电阻，保持运放输入级电路的对称性 R2=R1/Rf,uic=0,2）同相比例运算电路,ui,uo,u-=u+=ui,没有虚地概念。,i+=i-=0,i1=if=,=（ui-uo）/Rf,-ui/R1,电压串联负反馈,uo 与 ui 为比例关系,uo 与 ui 同相位,电压串联负反馈,R2：平衡电阻 R2=R1/Rf,uic=ui,同相比例系数也即电压放大倍数Af总是大于或等于1，不会小于1。,电压跟随器,若Rf=0，或R1=,电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小,i+=i-=0,i1=if=,=（u+-uo）/Rf,-u+/R1,2.加法运算电路,叠加,反相加法,电路如图示。求uo的波形。,-0.5v,解：,=-（100/100ui1+100/50ui2）,=-（ui1+2ui2）,叠加原理,3.差动运算电路,ui1,ui2,则：,若：R1=R2 R3=Rf,若：R2=R3=R1=Rf,则：,减法器,差动运算电路广泛应用在测量和控制系统中。,4.积分运算电路,=,反相积分 R1CF为积分常数,保持,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,线性函数,积分,图示电路中，已知输入方波，输出是三角波。,比例积分电路（PI）,=,积分,若 u i=U,则,-Uom,比例,保持,5.微分运算电路,当输入为阶跃信号时，输出为尖脉冲,图示电路中，已知输入正弦波，求输出波形,7.3.2 集成运算放大器在信号处理方面的应用,滤波器:,低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器,1.有源滤波器,使一定频率范围内的信号顺利通过，在此频率范围以外的信号衰减很大，不能通过。,无源滤波器:,一般由无源器件R、C组成,有源滤波器:,一般由有源器件集成运算放大器与R、C组成。,特性差，带负载能力差，无放大作用,幅频特性,按幅频特性分类：,低通,高通,带通,带阻,1.一阶低通滤波器,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。,截止频率处：,截止频率,一阶有源低通滤波器,幅频特性：,截止角频率,截止角频率：,2）w=w0 时，,低通，有放大作用，运放输出，带负载能力强。,1）w w0 时，,3）w w0 时，,w,如何组成高通有源滤波器？,RC对调,请同学们自行推导高通滤波器的幅频特性,2.采样保持电路,电压跟随器,功能,将变化较快的模拟信号变为阶梯信号。,工作原理,uo=u+=uc,ui,控制信号,采样,保持,采样,采样,采样,保持,保持,保持,uo,控制信号=1，S闭，uc=ui uo=ui,控制信号=0，S开，uc 保持，uo 保持,电路,3.信号变换电路,1）电压电压变换器,UO=UW,连续可调,UZ：基准电压,2）电压电流变换器,iL=ui/R,将电压变换为与其成正比的电流，输出电流与负载电阻无关。,恒流源,3）电流电压变换器,uo=iL Rf,将电流变换为与其成正比的电压。,4）电流电流变换器,IS+If=0,If=-IS,=-IS,7.3.3 RC正弦波振荡电路,正弦波振荡器：,产生正弦波信号的电路。,接通电路的电源，即开始工作，输出一定频率的正弦波信号。,不需要输入信号？,是的！自激振荡！,1.自激振荡,正反馈电路才能产生自激振荡,负反馈：,正反馈：,如果：,反馈信号代替了放大电路的输入信号，输入信号为0时仍有输出，称为自激振荡。,自激振荡的条件：,所以自激振荡条件可以写成：,（1）幅值条件：,（2）相位条件：,（n是整数）,相位条件保证反馈极性为正反馈，,幅值条件保证反馈有足够的强度。,可以通过调整放大电路的放大倍数达到。,因为：,为了得到单一频率的正弦波，自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、正反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。,Xi 最初是由放大电路接通电源时激起的一个微小的干扰信号提供的，这就是起始信号。它是非正弦信号，是由多种频率正弦信号叠加而成的。,为了让它发展增长，振荡电路中必须有放大和正反馈环节。,选频电路通常由RC电路或LC电路组成。,2.RC选频电路,用RC电路构成的选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。,自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。,文氏桥选频电路在振荡电路中是反馈网络,若令（此时幅频特性值最大）,则：,对于频率为f0的信号：,频率特性：,在fo处：,3.用运放组成的RC振荡器：,在f0 处：,满足相位条件。,AF=1,在f0 处：,满足幅值条件。,如何启振？,Uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。,起振并能稳定振荡的条件：,为了输出信号不无限增长而逐渐趋于稳定，振荡电路中必须有稳幅环节，一般是利用非线性元件的非线性特性来完成。,能自行启振的电路,R21+R22略大于2R1,A3，AF1，随着uo的增加，R22逐渐被短接，A自动下降。,输出频率的调整,改变R或C，可改变输出频率！,正弦波振荡器的组成：,放大环节 A,正反馈环节 F,选频网络,稳幅环节,7.4 集成运放的非线性应用,运放工作在非线性状态。,非线性应用,开环或有正反馈,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。,处于非线性状态运放的特点：,1）虚短路不成立。u+与u-的数值由外电路决定。,2）输入电阻仍可以认为很大。i+=i-=0,3）输出电阻仍可以认为是0。,7.4.1 电压比较器,ui,UR,运放：开环状态,ui：输入的模拟信号,UR：基准电压,u+=ui，u-=UR,ui uR，uo=+UO（sat）,ui uR，uo=-UO（sat）,传输特性,1.基本电压比较器,若基准电压加在同相输入端;,若基准电压是负值;,若基准电压加在反相输入端，且为负值;,传输特性如何？,若基准电压是负值;UR 0,UR,UR为负，在反相端,若基准电压加在同相输入端;UR 0,UR,UR为正，在同相端,若基准电压加在同相输入端，UR 0,UR为负，在同相端,过零比较器,基准电压为零,传输特性,利用过零电压比较器将正弦波变为方波。,2.具有限幅电路的比较器,若要求比较器的输出电压稳定在一定数值上时,用稳压管限幅！,双向稳压管,若限幅稳压管是普通稳压管,传输特性是怎样的？,uo,请同学们自己画传输特性,线性应用时也可以限幅,传输特性?,3.迟滞电压比较器,分析：,因为有正反馈，所以输 出饱和；,当uo正饱和时：,当uo负饱和时：,电路：,有正反馈；,基准电压由输出决定；,传输特性,小于回差的干扰不会引起跳转，迟滞电压比较器抗干扰能力大大加强。,回差,下门限,上门限,迟滞电压比较器输入正弦波时输出电压的波形。,7.4.2 信号产生电路,电路结构：,1.方波发生器,R、C 充、放电回路。,充,放,迟滞比较器：,无输入信号，接通电源后就有方波输出。,U-=UC,工作原理：,(a),设 uo=+UZ,此时，C充电!,U+H,则：u+=U+H,+UZ,一旦 uc U+H,就有 u-u+,uo 立即由Uz 变成Uz!,在 uc U+H 时，,u-u+,uo 保持+Uz 不变；,C 经输出端放电，,U+L,(b),当uo=-Uz 时，,u+=U+L,uc达到U+L时，uo上翻。,-UZ,当uo 重新回到UZ 以后，电路又进入另一个周期性的变化：,周期与频率的计算：,思考题：,点b是电位器RW 的中点，点a 和点c 是b的上方和下方的某点。试定性画出电位器可动端分别处于 a、b、c 三点时的 uo uc 相对应的波形图。,利用二极管的单向导电性引导电容充放电电流流经不同的通路，即可使电容充放电的时间常数不同。因此，该电路中改变电位器的滑动端可以改变方波的占空比，但不能改变周期。,2.三角波发生器,电压比较器,积分电路,无输入信号。,u-=0,u+0,u+0,uo1=+UZ,uo1=-UZ,u+=0,uo1=+UZ时,uo1=-UZ时,设t=0时，给电路加电,uo1=+UZ,C开始充电,uo 线性下降,uo1=-UZ,C放电,uo 线性上升,uo1=+UZ,周期和频率的计算：,请同学们课后自己推导,改进电路,调整电位器RW可以使三角波上下移动,改进电路,3.锯齿波发生器,一、运放的选择：,根据用途选择合适的型号,1、若要求放大电路对信号源的影响尽可能小,应选择输入电阻大的运放,2、若电路的输入为小信号,应选择KCMRR大的运放,另外，还有跟随性能良好的高速型运放；能耗低的低功耗运放；提高输出功率的大功率运放等。,7.5 集成运算放大器使用时的注意事项,二、运放的消振和调零,为了避免系统产生自激振荡，而使系统不能稳定工作。,1、消振,加适当的补偿电容,2、调零,为了减小零漂对运放工作的影响,令UI=0时，UO=0,需要时外接消振和调零电路。,三、运放的保护,1、电源保护,2、输入端保护,3、输出端保护,7.6 集成运算放大器的应用举例,温度检测控制电路,被监控点温度较低时，RT阻值较大，UT、Uo1的绝对值较小，Uo2、Uo3亦较小，使U-4U+4，A4输出负饱和值，经A5反相，输出Uo5为高电平，使VT1和VT2截止，继电器线圈断电，触点断开，加热器停止加热，使被监控点的温度下降。随着温度下降，RT增加，Uo2、Uo3、U-4下降。当温度下降至下限值时，U-4U+4L，输出正饱和，重新加热。,小结提纲,一、集成运算放大器简介：,1、组成：输入级、中间级、输出级,2、集成运放理想化的条件：,Auo,rid,KCMRR,ro 0,3、传输特性：,1）线性区：uo=A u 0（u+-u）,2）饱和区：,u+u，uo=+Uom,u+u，uo=-Uom,二、集成运放的线性应用,线性应用的条件：电路中引入负反馈,分析的依据：,1）i=i+=0,“虚断”,2）u+=u-,“虚短”,(一)集成运放组成的运算电路,1、比例运算电路,1）反相比例运算电路,2）同相比例运算放大器,3）电压跟随器,4）差动放大电路,2、反相加法运算电路,3、积分运算电路,比例积分电路（PI）,4、微分运算电路,（二）集成运放在信号处理方面的应用,一阶有源低通滤波器,1、有源滤波器,2、采样保持电路,3、信号变换电路,（三）用运放组成的RC正弦波震荡电路,三、集成运放的非线性应用,非线性应用的条件：运放为开环或有正反馈,分析的依据：,(一)电压比较器,u+u，uo=+Uom,u+u，uo=-Uom,i+=i-=0,1、基本电压比较器,2、过零比较器,3、具有限幅电路的比较器,4、迟滞比较器,1、方波发生器,(二)信号发生器,2、三角波发生器,3、锯齿波发生器,(一)反馈类型的判断,1、找出反馈网络（电阻）。,将输入、输出联系起来的电路。,2、判断正、负反馈：,瞬时极性法,假设输入端瞬时极性为“+”（电位升高）；,由入至出，再由出至入，依次判断出各点的瞬时极性；,若反馈信号使得净输入提高，为正反馈；,若反馈信号使得净输入降低，为负反馈；,反馈及放大电路中的负反馈,反馈电路接至反相输入端为负反馈,反馈电路接至同相输入端为正反馈,本级反馈,3、判断串、并联反馈：,看反馈电路与输入端的连接形式,若反馈信号与输入信号接在不同端（净输入信号是电压相加减得到的）,串联反馈,若反馈信号与输入信号接在同一端（净输入信号是电流相加减得到的）,并联反馈,4、判断电压、电流反馈：,看反馈电路与输出端的连接方式,若反馈信号取自于输出电压，为电压反馈；,若反馈信号取自于输出电流，为电流反馈；,(二)负反馈对放大电路的影响,1、负反馈使放大倍数下降,2、负反馈使放大倍数的稳定性提高,3、改善波形的非线性失真,5、对输入、输出电阻的影响：,1）串联反馈使电路的输入电阻增加。,2）并联反馈使电路的输入电阻减小。,3）电压反馈使电路的输出电阻减小，并稳定输出电压。,4）电流反馈使电路的输出电阻增大，并稳定输出电流。,4、展宽通频带,