第章集成运算放大器.ppt
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1、第7章 集成运算放大器,7.1 运放的结构、特性和分析依据,7.2 运放在模拟运算方面的应用,7.4 运放在信号处理方面的应用,7.3 放大电路中的负反馈,7.5 信号产生电路,7.1,7.1.1 集成运放的结构和参数,7.1 集成运算结构、特性和分析依据,集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器.,输入级,偏置电路,输出级,中间级,输入级 差动放大器,输出级 射极输出器或互补对称功率放大器,中间级 电压放大器,偏置电路 由镜像恒流源等电路组成,1.集成运放的内部电路结构框图,输入级,偏置电路,中间级,输出级,2.集成运放 741的原理电路图,反相输入,+UCC,uo,+,-UEE,
2、T12,T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9,T10,T11,T13,T14,T16,T18,T17,T20,T15,T19,R1,R2,R3,R4,R5,R7,R8,R9,R10,R11,R12,C,7.1,集成运放的电路符号,A741的引脚排列,输出端,反相输入端,同相输入端,信号传输方向,理想运放开环电压放大倍数,ui=u u+或 ui=u+u,A,实际运放开环电压放大倍数,7.1,(1)开环电压放大倍数 Auo;(Auo 104)运放线性工作状态下的差模电压放大倍数(2)开环差模输入电阻 rid;(rid 105)(3)开环输出电阻 ro;(ro 104,或80dB)(
3、6)通频带 fBW,3.集成运放的主要参数,运放的性能指标用以下参数来表示,运放的参数繁多,只介绍涉及差模特性和共模特性的主要参数。,7.1,7.1.2 集成运放的理想化模型,1.开环电压放大倍数 Auo,2.开环差模输入电阻 rid,3.开环输出电阻 ro 0,4.共模抑制比 KCMR,5.通频带 fBW,运放的理想化模型是一组理想化的参数,是将实际运放等效为理想运放的条件。,7.1,7.1.3 集成运放的电压传输特性和分析依据,1.运放的电压传输特性,实际运放,理想运放,定义:uo=f(ui),其中 ui=u+u,问题:若定义 ui=u u+,电压传输特性有何变化?,UOM,UOM,UOM
4、,UOM,Uim,Uim,线性区,非线性区,在开环条件下,运放的线性区非常窄,Uim为V量级。,7.1,2.运放工作在线性区的分析依据,相当于两输入端之间短路。,对于理想运放 rid,即 u u+,相当于两输入端之间断路。,有 ii 0,(2)“虚短路”原则,(1)“虚断路”原则,对于理想运放 Auo,ui 0,运放在线性区符合运算关系,uo=Auo ui,7.1,因为存在负反馈信号,同相输入端 不是“虚地”!,(3)“虚地”的概念,由“虚断路”原则 ii=0,有 u+=0,u_ u+=0,结论:反相输入端为“虚地”。,当同相输入端接地时,,由“虚短路”原则,u+,注意,当反相输入端接地时,运
5、放工作在线性状态的必要条件:运放必须加上深度负反馈。,7.1,分析依据:“虚断路”原则仍然成立。,对于理想运放,相当于两输入端之间 断路,注意:“虚短路”原则 不成立!,有 ii 0,3.运放工作在非线性区的分析依据,非线性区:当输入信号变化时,输出信号并不随之变化。,ui Uim 时,uo=+UOM ui Uim 时,uo=UOM,UOM=VCC(12)V,7.2,由虚断路,id 0,加上深度负反馈,得输出与输入的关系,1.输出电压与输入电压反相;,2.比例系数为 RF/R1。,结论:,7.2 运放在模拟运算方面的应用,7.2.1 比例运算电路,1.反相比例运算电路,uo,ui,R2,R1,
6、+,+,对a点列KCL方程 i1=id+if if,由虚地,代入方程 i1=if,7.2,得闭环电压放大倍数,平衡电阻,R2=R1/RF,若取 R1=RF,电路成为反相器,uo=ui,Auf=1,放大倍数,1.反相比例运算电路,平衡电阻的概念,在静态时,从运放的两个输入端向外看去所接的电阻应相等。,7.2,解:,代入 if=i1,由给定条件RF R4,可忽略RF在输出回路对R4 的分流作用,例:反相比例运算电路如图,设:RFR4,求Auf。,得,由虚地,有:,7.2,2.同相比例运算电路,由虚断路 id=0,有 u+=ui,由虚短路 u+=u,由分压关系,闭环电压放大倍数,平衡电阻,R2=R1
7、/RF,故有,得,7.2,3.同相跟随器,可得 uo=ui,uo,ui,+,+,由虚短路 u+=u,电压放大倍数 Auo=1,同相跟随器的特点,具有射极输出器的所有优点,1.输出电压uo 与输入电压ui同相且相等,故称为同相 跟随器或电压跟随器,而且性能更加优良。2.同相跟随器的输入电阻很高(约为运放的开环输入 电阻),几乎不从信号源吸取电流;3.输出电阻很低,带负载能力强。,在改变比例系数时,将涉及电路中所有电阻参数,故调整比较困难。,7.2,利用叠加原理进行分析,2.差动比例运算电路,ui2,ui1,ui1 单独作用时,输出分量为,ui2 单独作用时,输出分量为,ui1 和 ui2 共同作
8、用时,输出为,uo,平衡电阻,R2/R3=R1/RF,小结:运放线性应用的分析方法,反相输入,2.同相输入,3.差动输入,再代入KCL方程,导出 uo与 ui 的关系,再代入方程 u+=u-,导出uo与ui的关系,利用虚地原则,导出 ui、uo与电流的关系,,利用虚断路原则,导出 ui与u+的关系,uo与u-的关系,以上分析方法不仅可用于比例运算,也可用于其它线性电路.,7.2,7.2,7.2.2 模拟运算电路,在集成运放发展的早期,主要用于模拟计算机的加、减、乘、除、积分、微分、对数和指数等各种运算,故将“运算放大器”的名称保留至今。下面通过例题说明的运放线性应用。,例1:电路如图,试推导其
9、运算关系式;并根据 ui 波形,画出uo的波形。,由虚地,代入 i1=if,并整理,得,反相积分电路,当输入为方波时,在输出电压的线性范围内,输出为三角波。,解:,7.2,例2:求输出信号 uo 与输入信号 ui 的运算关系式(设R1=R2)。,A1:反相加法运算;A2:反相积分运算,解:,结论:对于多级电路,各级分别求解,A1的输出为A2的输入.,7.2,例3:求输出信号 uo 与输入信号 ui 的运算关系式;并根据 ui 波形,画出 uo 的波形。,解:,反相微分运算,由虚地,有,代入 i1=if,并整理,得,当输入为方波时,在输出电压的线性范围内,输出为尖脉冲。,解:利用叠加原理:,7.
10、2,当ui1、ui2分别作用时,有,当 ui1、ui2共同作用,例4:电路如图,试推导其电压放大倍数为。,放大倍数,例5:PID调节器电路如图,推导 uo 与 ui 的运算关系式。,整理得,i1=iC1+iR1,uo=uRF+uCF,代入 i1=if,解:由KCL,由虚地,由KCL,P 比例,I 积分,D 微分,7.2,例5:PID调节器电路如图,推导 uo 与 ui 的运算关系式。,P 比例,I 积分,D 微分,7.2,特例:若将 RF 短路,则有,电路成为PI调节器。,若将 CF 短路,则有uCF=0,,有,电路成为PD调节器。,7.2,例6:测量放大器电路如图,推导 uo 与输入的运算关
11、系式。,解:,第一级由A1和A2组成同相并联差动运算电路,有很好的对称性,第二级A3为减法运算电路。,由虚短路,uA=u1=ui1uB=u2=ui2,调整RP,可改变电路的电压放大倍数。,7.3,7.3 放大电路中的负反馈,7.3.1 反馈的基本概念,A,F,xo,xi,xd,xf,xi 总输入信号,xd 净输入信号,1.什么是反馈,将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。,反馈框图,放大电路,反馈网络,2.开环和闭环,开环:信号只有正向传输,闭环:信号既有正向传输,也有反向传输,即存在反馈。,xo 输出信号,xf 反馈信号,x 既可以是电压,也可以是电流。,7.3,闭环放大倍数的
12、一般表达式,1+AF 称为反馈深度,AF 称为环路增益,4.负反馈放大器的一般分析,正反馈 xd=xi+xf,负反馈 xd=xi xf,3.正反馈和负反馈,加强了输入信号,削弱了输入信号,开环放大倍数,反馈系数,7.3,闭环放大倍数的一般表达式,1+AF 称为反馈深度,AF 称为环路增益,4.负反馈放大器的一般分析,正反馈 xd=xi+xf,负反馈 xd=xi xf,3.正反馈和负反馈,加强了输入信号,削弱了输入信号,开环放大倍数,反馈系数,7.3,当 1+AF 1 时,(即深度负反馈),深度负反馈时的闭环放大倍数,7.3,1.电压串联负反馈,7.3.2 负反馈的四种典型组态,电压反馈,输出端
13、,电流反馈,输入端,串联反馈,并联反馈,四种类型,主要分析交流负反馈的类型及其判别。,在2-2,反馈网络 F 与放大电路A相并联,即输出电压 uo加在F 的输入端 3-3,故必有反馈网络的输出信号 uf uo,uf的变化也必然反映uo的变化。,将这种对输出电压进行采样的反馈方式称为电压反馈。,电压负反馈稳定输出电压。,7.3,1.电压串联负反馈,在放大电路的输入端,反馈信号与输入信号相串联,并均以电压形式出现进行比较,故为串联反馈。,ud=ui uf,当三个电压极性相同时,有 ud ui。,串联负反馈的反馈效果与RS有关,RS越小,uS 越接近恒压源,输入电压 ui 越稳定,uf 的变化对ud
14、 的影响越大,反馈效果就越明显。特别是当RS=0 时,uf 的变化全部转化成 ud 的变化,反馈效果最好。,反馈的加入使净输入信号减小,故为负反馈。,7.3,反馈电路举例:同相比例运算电路,将电路与负反馈框图对比可见:,F,运放为基本放大电路A,反馈网络F 由电阻RF和R1串联组成。,总输入电压 ui、反馈电压 uf、和净输入电压ud,三者均以电压形式出现 故为串联反馈;,uf 与uo 成正比 为电压反馈;,7.3,反馈电压,将输出电压的一部分送回到输入端。在输入回路,三个电压均为真实极性,有,ud=ui uf,ui 为负反馈,反馈系数,由于引入深度负反馈,此式与前边的推导相同。,反馈类型:电
15、压串联负反馈,7.3,2.电压并联负反馈,从输入端分析,反馈网络输出端与放大器输入端相并联,反馈信号与输入信号进行并联比较,故为并联反馈。输入端,从输出端分析仍为电压反馈;,当三个电流的实际方向与图中的假定方向相同时,有,id ii,if 的引入使净输入电流减小,故为负反馈。,三个信号必定以电流 if 的形式出现,其关系为 id=ii if。,并联负反馈的反馈效果与信号源内阻RS有关,RS的阻值越大,信号源越接近恒流源,输入电流 ii 越稳定。特别是当RS 开路时,if 的变化全部转化成 id 的变化,反馈效果最好。,7.3,F,反馈电路举例:反相比例运算电路,结论:反馈类型为 电压并联负反馈
16、。,放大电路A仍为运放;反馈网络F由电阻RF构成,它将输出电压转换成反馈电流 if。由“虚地”,有,uo 为电压反馈,输入端三个量均以电流形式出现,故为并联反馈。,id=ii if,if 的真实极性为从ab,有,ii 为负反馈,在输出端,反馈网络与放大电路为串联,反馈信号取自输出电流io(即负载RL中的电流),形成电流反馈,因此构成电流串联负反馈。,7.3,3.电流串联负反馈,由“虚断路”,有 iR1 io,F,io,反馈电路举例:电压控制电流源,电流负反馈能够稳定输出电流。,反馈电压为 uf=iR1R1 io R1,uf io 为电流反馈;,ud=ui uf ui 为串联负反馈,结论:反馈类
17、型为 电流串联负反馈。,从输入端分析为串联负反馈。,7.3,4.电流并联负反馈,由以上三种反馈类型的分析结论及框图中输入、输出回路的联接方式可看出,其反馈类型为电流并联负反馈。,反馈电路举例,F,反馈网络由RF和采样电阻R组成。,设RF R,有if io,可认为,在输出端 uR=(io+if)R io R,由“虚地”,在输入端 id=ii if ii,结论:反馈类型为 电流并联负反馈。,7.3,7.3.3 反馈类型的判别,对于单级运放,若反馈元件从运放输出端连接到反相输入端时,构成负反馈。这是由于输出信号与输入信号极性相反,必然削弱输入信号,使xd xi,因此形成负反馈;,同理,若反馈元件从运
18、放输出端连接到同相输入端时,必然加强输入信号,使xd xi,因此形成正反馈。,对于多级电路,则需用瞬时极性法进行判别(见例题)。,1.正反馈和负反馈的判别,反馈类型的判别:是指判别正、负反馈;串联、并联反馈;电压、电流反馈,重点讨论交流反馈类型的判别。,反馈性质的判别,若已判定某反馈为正反馈,则不必进行其他反馈类型的判别;只有判定为负反馈时,才需要判别其反馈类型。,2.串联负反馈和并联负反馈的判别,3.电压负反馈和电流负反馈的判别,一般来说,若xf 与 xi分别接到运放的两个输入端时,二者必以电压形式在输入端进行比较,即净输入信号ud=ui uf。所以凡以电压形式进行比较的,即是串联反馈;,若
19、 xf 与 xi 接到运放的同一个输入端时,二者必以电流分流的形式在输入端进行比较,即净输入信号id=ii if。所以凡以电流形式在进行比较的,即是并联反馈。,在输入端进行,在输出端进行,在放大电路输出端,根据反馈信号的采样方式来区别电压负反馈或电流负反馈。,一种简单的判别方法:设将负载 RL两端对交流短路,或在负载 RL上并联一个大容量电容,使输出电压 uo=0,若负反馈消失,为电压负反馈;否则,为电流负反馈。,7.3,(1)xf 与uo成正比 是电压反馈,(2)输出端短路法,将输出端负载两端短路,或在负载 RL上并联一个大容量电容,使输出电压 uo=0。,3.电压负反馈和电流负反馈的判别,
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