运算放大器ppt课件.ppt

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1、1,7.1 集成运算放大器基本结构,7.2 集成运放的线性应用,7.3 集成运放的非线性应用,7.4 集成运放的使用常识,第七节 集成运算放大器,2,7.1 集成运算放大器基本结构,将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。,集成电路:,优点:,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,分类:,模拟集成电路、数字集成电路,小、中、大、超大规模集成电路, ,INTEGRATED CIRCUITS,一、集成电路的分类,集成电路简称IC（Integrated Circuit），是通过特殊的半导体工艺方法，把晶体管、电阻及电容等电路元器件和它们之间的连线，全部集成在同一块半导体基片上，最后再进行封

2、装，做成一个完整的电路。集成电路按其功能的不同，可以分为数字集成电路和模拟集成电路； 按模拟集成电路的类型来分，则又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数/模和模/数转换器以及集成锁相环等。,二、集成电路脚位序列的判定规则,汽车中的集成电路常用的外形有三种：单列直插式、双列直插式、四方扁平式，如图6-1-1所示。对于单列直接插式IC的脚位识别：打点或带小坑的为1脚，按从左到右的顺序数，如图中6-1-1（a）所示。对于双列直插式、四方扁平式的脚位识别：从起始脚开始，按逆时针方向数，一般打点或带小坑的为1脚，有的IC是以缺口槽为

3、起始标志，正对缺口槽，左下脚就为1脚，如图6-1-1中（b）、6-1-1（c）所示。,5,一、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。,4、二极管一般用三极管的发射结构成。,6,二、 集成运放的基本结构,输入级,中间级,输出级,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,T3,T4,T5,T1,T2,基本原理框图,7,尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大

4、。,8,足够大的电压放大倍数,9,主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io ，输出阻抗 ro小。,10,ri 高:几十k M,运放的特点：,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,A o 很大:104以上 107,理想运放：“三高一低”,ri ,KCMRR ,ro 0,Ao ,运放符号：,三、运放的特点和符号,11,四、运算放大器的传输特性,uo,Ao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。,12,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。,理想运放工作在线性区的条件：在运放的输出与输入之间加深度负反馈。,放大倍数与负载无

5、关，可以分开分析。,7.2 集成运放的线性应用,一、工作在线性区的特点,13,运放线性运用,二、集成运放的线性应用,14,1. 信号的比例运算电路,(1) 反相比例运算放大器,uo,i1=iF,R2=R1/RF,二、集成运算放大器组成的几种基本放大器电路,1反相放大器,反相放大器电路如图6-2-2所示。输入信号uI经电阻R1加到反相输入端，同相输入端经R2接地，电阻Rf跨接在反相输入端和输出端之间，形成一个负反馈放大器。反相放大器的放大倍数： Af=-Rf/R1式中，Af为负值，表明集成运放输出电压与输入电压反相，所以叫反相放大器。而且，Af仅取决于Rf /R1的比值，而与集成运放本身无关。电

6、阻R2叫平衡电阻，其作用是保证放大器稳定工作。,2同相放大器,同相放大器电路如图6-2-3所示。输入信号uI经电阻R2加到同相输入端，反相输入端经R1接地，负反馈由电阻R，接到反相输入端而形成。放大倍数：Af=1+Rf/R1,Af大于零，表明输出电压uO与输入电压uI同相。如果将R1=（开路）或Rf =0，则Af=1。构成的电路称为电压跟随器，如图6-2-4所示。电压跟随器一般作为信号与其负载之间的缓冲隔离。,3差分放大器,如果两个输入端都有信号输入，就构成了差分放大器，如图6-2-4所示。差分放大器放大能是两个输入信号的差，输出电压uo与两个输入电压的关系是：uo=Af（uI1-uI2）放大

7、倍数：Af=Rf/R1,20,(2) 同相比例运算放大器,uo,u-= u+= ui,电压串联负反馈,21,(3) 电压跟随器,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，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。,22,(1) 反相求和运算：,2. 加法运算电路,23,(2) 同相求和运算：,此电路如果以u+为输入 ，则输出为：,u+ ui1 、ui2？,u+,利用节点电压法：,24,3. 减法运算电路,解出：,25,应用举例：,4. 积分运算电路,（1）输入方波，输出是三角波。(例题8-7）,26,（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

8、间后输出饱和,常用于实现延时。,U,积分时限,27,5. 微分运算电路,u-= u+= 0,28,6. 数据放大器三运放电路,29,6. 数据放大器三运放电路,30,6. 数据放大器三运放电路,31,7.电压-电流变换器,电压-电流变换器又称互导放大器，常用于驱动继电器和模拟仪表。如果使输入电压恒定，在一定负载范围内输出电流亦恒定，则变换器成为一个恒流源，为电子设备提供输出电流。,32,反相电压-电流变换器 同相电压-电流变换器,33,反相电压-电流变换器，其形式与反相放大器相似，所不同的是反馈元件即为负载，构成了并联电流负反馈电路。根据集成运放线性应用的特点可知负载中电流为 同相电压-电流变

9、换器，它是串联电流负反馈电路，负载电流为 可见，两种变换器将电压转换成的电流表达式只是符号相反，均与负载电阻RL大小无关。,34,6 . 有源滤波器,滤波电路的种类:,低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器,35,传递函数：,幅频特性,相频特性,36,按频率特性进行分类：,低通,高通,带通,带阻,37,一阶低通滤波器,38,(1) 一阶有源低通滤波器,39,如何组成高通滤波器？,RC对调,40,7.3 集成运放的非线性应用,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。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。,41,1、电路中的理想运放处于非

10、线性状态。,比如：运放开环应用,加有正反馈的运放电路，运放处于非线性状态。,42,2、电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管）。,ui0时：,ui0时：,43,3、另一种情况，电路中的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）。,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。,44,一、处于非线性状态运放的特点,1、虚短路不成立。,2、输入电阻仍很大,3、i+= i 0,仍存在“虚断”现象,输出只有两种可能, +Uom 或Uom当 u+ u 时， uo = + Uom) u+ u 时， uo

11、= Uom,45,1. 限幅器,二、集成运放的非线性应用,46,另一种形式的限幅器：,传输特性,47,2 . 电压比较器,UR,电压比较器简称比较器。它是一种把输入电压（被测信号）与另一电压信号（参考电压）进行比较的电路。比较器输入的是连续的模拟信号，输出的是以高、低电平为特征的数字信号，即“1”或“0”。因此，比较器可以作为模拟电路与数字电路的接口。,48,（1）过零比较器,参考电压为0的比较器称为过零比较器。根据输入方式的不同又可分为反相输入式和同相输入式两种。反相输入式过零比较器的同相端接地，而同相输入式过零比较器的反相端接地。,49,例：利用电压比较器将正弦波变为方波。,50,（2）稳

12、定输出电压,51,（3） 应用实例 如需要对某一参数（如压力、温度、噪声等）进行监控，可将传感器输出的监控信号ui送给比较器监控报警，图7.22所示的是利用比较器设计出的监控报警电路。,52,当 时，比较器输出负值，晶体管VT截止，指示灯熄灭，表明工作正常。 当 时，被监控的信号超过正常值，比较器输出正值，晶体管VT饱和导通，报警指示灯亮。 电阻R决定于对晶体管基极的驱动程度，其阻值应保证晶体管进入饱和状态。二极管VD起保护作用，当比较器输出负值时，晶体管发射结上反偏电压较高，可能击穿发射结，而VD能把发射结的反向电压限制在0.7V，从而保护了晶体管。,二、电压比较器在汽车电子电路中的应用,1

13、简单电压比较器（1）基本电路,简单电压比较器的电路如图6-3-4（a）所示，输入信号加在反相端，是一个反相输入电压比较器。UTH是基准电压，uI=u-，UTH=u+。当uIUTH时，即u-u+，比较器输出等于零，即uO=0；当uIu-，比较器输出uO=VCC其传输特性如图6-3-4（b）所示。比较器的输出发生跳变的条件是：uI=UTH，通常将UTH称为阈值电压（或门槛电压）。简单电压比较器的特点就是只有一个阈值电压，当输入电压在阈值电压附近变化时，输出信号就会发生跳变。,（2） 简单电压比较器在汽车电子电路中的应用,如图6-3-5所示为氧传感器与ECU连线原理图。,操作：如图6-3-6所示为蓄

14、电池电压过低报警电路。该电路由集成运放LM741、稳压管、发光二极管及一些电阻组成。,2窗口电压比较器（1）基本电路,简单电压比较器特点是：当输入电压uI单方向变化时，输出电压uO只跳变一次，只能检测一个电平，如果要判断输入电压uI是否在两个电平之间，应该采用窗口比较器。窗口比较器是有两个阈值电压不等的简单比较器组成的，阈值小的采用反相接法，阈值大的采用同相接法，电路如图6-3-14（a）所示。由图中可以看出，两个简单比较器的阈值分别是UTHL和UTHH而且UTHHUTHL。当输入电压uIUTHH时，uIUTHL，则输出电压u01=UOH，二极管VD1导通；u02=UOL，VD2截止，输出电压

15、u0u01=UOH。当输入电压uIUTH时，uIUTHH，则输出电压u01=UOL，二极管VD1截止；u02=UOH，VD2导通，输出电压u0u02=UOH。当输入电压UTHLuIUTHH时，输出电压u01=u02=UOL二极管VDI、VD2都截止，输出电压u02=0V。UTHL和UTHH是窗口比较器的两个阈值电压。其传输特性如图6-3-14（b）所示。,（2） 窗口比较器在汽车电子电路中的应用,在汽车充电系统电路中，当电压过低或过高时，报警器发出警报，这就是汽车充电系统电压监视器电路。电路如图6-3-15所示。当充电系统电压大于14.5V时，A1反相端检测到的电压和同相端检测到的电压都大于基

16、准电压，比较器A1输出电压为零，三极管VT1不能导通，LED1（黄色）)不亮；比较器A2输出电压为电源电压，驱动三极管VT2导通，发光二极管LED2（红色）发光，指示电压过高。当充电系统电压小于12V时，A1反相端检测到的电压和A2同相端检测到的电压都小于基准电压，比较器A2输出电压为零，三极管VT2不能导通，LED2（红色）不亮；比较器A1输出电压为电源电压，驱动三极管VT1导通，发光二极管LED1（黄色）发光，指示电压过低。当电压介于1214.5V之间时，A1反相端检测到的电压大于基准电压，比较器A1输出电压为零，三极管VT1不能导通。A2同相端检测到的电压小于基准电压，比较器A2输出电压

17、为零，三极管VT2不能导通。LED1（黄色）和LED2（红色）都不亮，指示电压正常。,61,3.方波发生器 方波（矩形波）发生器是一种能够直接产生方波的非正弦波发生器。因方波包含着极丰富的谐波，故这种电路又称为多谐振荡器或方波振荡器，常在数字系统中作为信号源。,62,（1） 电路构成 方波发生器是在运放过零滞回比较器的基础上，增加一条Rf C充、放电负反馈电路构成的。虚线框内为滞回比较器，R和双向稳压管VZ构成限幅电路，输出电压uo=UZ，UZ为限幅稳压管VZ的稳压值。,63,方波发生器,64,（2） 工作原理 在电路中，uo通过Rf对电容C充电，使C上获得一个三角波电压uC（图中充电如实线箭

18、头所示，放电如虚线所示），利用电压uC代替ui和同相端电压u+进行比较，根据比较结果决定输出状态： 当电容C充电至 时，uo就从+UZ翻转为 当电容C放电至 时，uo就从UZ翻转为 如此周而复始，电路产生自激振荡，输出一方波（矩形波），当R1=R2时，其振荡频率为 由于电容充电与放电时间常数相同，所以输出电压为对称的方波，即占空比（指方波的宽度TK与其周期T的比值）为1/2的方波。,返回,65,一、 调零 集成运放通常有零输入-零输出的要求。当输入信号为零，而输出不为零时，需要有调零措施。一般是将输入端对地短接，利用外接调零电位器或专用调零电路调整，使输出电压为零，如图所示。,集成运放调零电路

19、,8.4 集成运放的使用常识,66,二、消除自激振荡 集成运放的开环放大倍数很大，其内部存在晶体管的极间电容及寄生电容。使用时，引入深度负反馈，容易引起自激振荡，使电路无法正常工作，为此必须设法消振。 消振的方法是：通过补偿端外接RC消振电路或消振电容（补偿电容）。具体参数和接法可查阅使用说明书，并通过实验调整来确定。 至于是否消振，可将输入端接“地”，用示波器观察输出信号有无自激振荡信号。消振应在调零之前进行。,67,外接消振元件（a）RC消振电路；（b）消振电容C,68,三、 保护电路 1. 电源极性保护 右图所示的是电源极性保护电路。它是利用二极管的单向导电性，在正、负电源引线上分别串联

20、二极管，当电源极性错接成上负下正时，两只二极管都截止，相当于电源断路，从而达到保护目的。,图 电源极性保护,69,2. 输入保护 它是利用两个反向并联的二极管，将输入信号幅值限制在二极管的正负导通电压内，以防止输入信号超过额定值，造成集成运放输入级损坏。,70,3. 输出保护 它是利用两个反向串联的稳压管，把输出电压幅值限制在稳压管的正、负稳压值内，以防止输出端出现过高电压而损坏集成运放。此电路也可当做限幅器使用,71,第十节 三极管的开关应用,驱动蜂鸣器的三极管开关电路晶体管调节器无触点闪光器,72,这些电路有什么作用呢？,驱动蜂鸣器的三极管开关电路,HA为声响指示器，采用低电压（3V）蜂鸣器，其工作电流仅需十几个毫安。 将电路中的控制开关S换成弹簧管开关，就改造成磁控声响电路。将电路中控制开关S换成光敏电阻器或光敏二极管，就成为光控声响电路。,可以做为保险柜防盗报警，在打开柜门时，由于磁铁离开弹簧管或者保险柜外光线照射而报警。,73,晶体管调节器,74,无触点闪光器,75,第八章 结 束,