【教学课件】第三章集成运算放大器及其应用.ppt

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1、第三章 集成运算放大器及其应用,第一节 直接耦合放大器 第二节 差动放大电路 第三节 集成放大器简介 第四节 集成运放在信号运算电路中的应用 第五节 放大电路中的负反馈 第六节 集成运放在信号处理方面的应用 第七节 集成运放在信号产生方面的应用,习 题,目录,第一节 直接耦合放大器,返 回,直接耦合放大器,级与级之间不经电抗元件而直接连接的方式，称为直接耦合。,UCC,返回,RB1,R,RC1,RC2,UCC,RB2,VT1,VT2,零点漂移 当输入信号为零时，输出端电压偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动，这种现象叫零点漂移。产生原因 温度变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等等。第

2、一级产生的零漂对放大电路影响最大。,各级工作点相互影响 适于放大直流或变化缓慢的信号 电压放大倍数为各级放大倍数之积 零点漂移,返回,第二节 差动放大电路,基本差动放大电路 典型差动放大电路 具有恒流源的差动放大电路 差动放大电路的输入输出方式,返 回,一、基本差动放大电路,电路由两个特性完全相同的基本放大电路组成。,1.抑制零点漂移的原理,静态时，ui1=ui2=0，由于电路对称,RC,RC,RB1,RB1,ui1,ui2,RB2,RB2,ui,UCC,uo,VT1 VT2,返回,温度上升，引起两边电流变化,由于电路对称，零漂被抑制。,2.动态工作原理,差模信号 极性相反，幅值相同的信号。u

3、 i1=u i2 共模信号 极性相同，幅值相同的信号。u i1=u i2,返回,差模输入（信号）,共模输入（干扰信号）,差动放大电路对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用。,返回,共模、差模同时输入,若电路完全对称，AC0，只有差模信号输出，若电路不完全对称，AC0，既有差模信号又有共模信号输出。,返回,二、典型差动放大电路,加入射极公共电阻RE（共模反馈电阻）可以克服电路不完全对称引起的零漂。,负电源EE的作用是补偿RE上的电压降，从而保证两管有合适的静态工作点。,RC,RC,RB1,RB1,RP,RE,EE,UCC,ui1,ui2,ui,uo,VT1 VT2,返回,T,IC1,IC2,

4、IE,UE,UBE1,UBE2,IB1,IB2,IC1,IC2,RE 能够抑制零漂、共模信号，对差模信号无影响。且RE越大，抑制作用越强。但EE也需增大。,RP 为调零电阻，用来调节平衡。一般取值不大。,返回,RL=RC/(RL/2),接入负载电阻RL,电路分析,静态时流过RE电流=IE1+IE2=2IE,动态时,由于RE对差模信号无影响。忽略RP的影响,KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数,KCMR 越大，抑制共模信号越强。,共模抑制比（KCMR）,差模输入电阻,rid2(RB1+rbe)忽略RP,输出电阻,ro2RC,返回,三、具有恒流源的差动放大

5、电路,RC,RC,RB1,RB1,RP,UCC,uo,VT1 VT2,UEE,R,R,R1,R2,RE3,V3,ui,R1、R2提供 稳定的iB，晶体管工作在放大区时，iC近似恒定。rCE。,ui1,ui2,VT3、RE3、R1、R2组成具有恒流源特性的电路。,电路采用恒流源代替RE，其等效电阻大，抑制共模信号、零漂能力强，又不需要过大的负电源UEE。,返回,四、差动放大电路的输入输出方式,双端输入、双端输出的差动电路,RB1,单端输出只取自一个管子的集电极变量。依对称性：,roRC,返回,第三节 集成运算放大器简介,集成运算放大器的特点 集成运算放大器的简单介绍 集成运算放大器的主要技术指标

6、 集成运算放大器的理想化模型 集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点,返 回,一、集成运算放大器的特点,集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的电子电路。运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。,返回,二、集成运算放大器的简单介绍,1.集成运放的组成,抑制零漂，共模抑制比高,低输出电阻，多采用射随器,放大作用的主要单元,提供各级静态电流,返回,2.集成运放的管脚图及符号,F007管脚图,符号,A 反相输入端B 同相输入端F 输出端,信号从反相输入端输入时，输出与输入相位相反。信号从同相输入端输入时，输出与输入相位相同。,返回,三

7、、集成运算放大器的主要技术指标,1.输入失调电压Uio当无输入信号时，为使输出的电压值为零，在输入端加入的补偿电压。其值越小越好（0.55mV）2.输入失调电流Iio输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差。IioIB1IB2 其值越小越好（110nA）,3.开环差模放大倍数Auo运放在开环时的差模放大倍数 其值越高越好（104107）5.最大输出电压Uopp 输出不失真的最大输出电压值6.共模抑制比KCMR,返回,常用集成运放芯片,返回,四、集成运算放大器的理想化模型,实际运放,Auo很高，104ri很高，几十几百kro很低，几十几百KCMR 很高,理想运放,Auori=ro=

8、0KCMR,返回,五、集成运算放大器的电压传输特性 及其分析特点,运算放大器的电压传输特性,集成运放的输出电压uo与输入电压ui(u+u)之间的关系uof(ui)称为集成运放的电压传输特性。,uoAuo ui=Auo(u+u),线性区,引入深度负反馈，可以使运放工作在线性区。,返回,O,开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。,理想运放的电压传输特性,ui 0，|uo|UOM即u+u时，运放处于非线性区。,闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。,返回,O,运算放大器的分析特点,1.线性区,集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是

9、短路，故简称为“虚短”。,虚短,uoAuo（uu）AuouuuoAuo0,uu,当u0（接地）u u 0 称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。,返回,虚 断,流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。,ri,II+0,2.非线性区,在非线性区，虚短概念不成立，但虚断概念成立。,u+,I,uo,u,I+,返回,例、利用理想运放组成的二极管检测电路，求出流过VD的电流 iD 及VD两端的电压uD。,uo,ui,15V,1.5k,0.67V,VD,iD,iR,i,i,解：,虚地点,返回,第四节 集成运放在信号运算电路中的应用,分析线性区理想运放的两个概念 基本运算

10、电路,返 回,一、分析线性区理想运放的两个概念,虚短,uu,II+0,虚断,返回,二、基本运算电路,比例电路,1.反相比例电路,i+0（虚断）u+0 u+u 0（虚地点）,i1=u iR1 if=uuo=uoRf i i+0 i 1 i f,即 ui/R1=uo/Rf,返回,uo、ui 符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。电路中引入深度负反馈，闭环放大倍数Auf 与运放的Au无关，仅与R1、Rf 有关。,R2 平衡电阻 同相端与地的等效电阻。其作用是保持输入级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。R2R1/Rf,当R1Rf 时，uoui，该电路称为反相器。,返回,2.同相比例电路,u

11、o,ui,R2,R1,Rf,i+0（虚断）u+ui u+u ui（虚短）,i1=（0u i）R1 if=(uuo)Rf=(u iuo)Rf i i+0 i 1 if,返回,当Rf有限值时，R1,R2 平衡电阻 R2R1/Rf,Auf=1 电路成为电压跟随器。uoui 此电路输入电阻大，输出电阻小。,返回,例1、应用运放来测量电阻的电路如图，U10V，R1=1M，输出端接电压表，被测电阻为Rx，试找出Rx与电压表读数uo之间的关系。,解:,此电路为反相比例电路,返回,例2、理想化运放组成的电路如图，试推算输出电压uo的表达式。,uo,ui,R1,R3,R2,R4,解:,此电路为同相比例电路,判断

12、这个等式、,返回,啊，见鬼了!,习 题,题 解,哈，very good!,习 题,题 解,uo,ui,R1,R3,R2,R4,u+,解:,此电路为同相比例电路,返回,例3、图示电路为T形反馈网络的反相比例电路，试推算输出输入之间的关系。,u+u 0（虚地点）,i i+0 i 1 i2=u iR1,解:,此电路只在要求放大倍数较大、输入电阻较高和避免阻值过高时才采用。,返回,加法运算电路,uo,ui2,if,i2,R2,RP,Rf,返回,在调节某一路信号的输入电阻的阻值时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，调节方便。,求和电路也可从同相端输入，但同相求和电路的共模输入电压较高，且不如反相求

13、和电路调节方便。,返回,减法运算电路（差动运算电路）,uo,ui2,if,i1,R1,R2,Rf,R3,利用叠加原理,同相端输入,反相端输入,返回,当 R1=R2=R3=Rf=R 时，uo=ui2ui1(减法器）,R2/R3=R1/Rf,返回,当,例4、用运放组成的直流毫伏表电路如图所示，设表的内阻可忽略，试求Io与VS的关系。,解:,电路实为反相比例电路,R,Vo=VS,I1=I2(虚断）,Io=II2=Vo/RVS/R1,I=Vo/R,I1=I2=VS/R1,=VS(1/R+1/R1),返回,例5、已知RF4R1，求uo与ui1、ui2的关系式。,解:,A1为跟随器；A2为差放。,uo=u

14、i1,uo5 ui24 ui1,返回,例6、如图，求uo 与 ui1、ui2的关系式。,解:,A1为反向加法器；A2为反相比例电路。,返回,例7、如图，求uo。,A1：反相比例 A2：同相比例 A3：差动输入,解：,返回,积分电路,uo,ui,iC,i1,R,RP,C,uo正比于ui的积分,返回,O,O,延迟,积分电路的应用,信号延迟时间T后，电压值达到U,方波转化为三角波,返回,O,O,O,O,微分电路,iR,uo正比于ui的微分,返回,O,O,例8、电路如图，已知运放UOM=10V，输入信号波形如图，R1M，C0.05F，求输出波形。（电容初始能量为零）,ui/v,t/s,1,O,RC=1

15、1060.05106s=0.05s,uo=UOMAX10s=20 t,t=0.5s,解:,返回,O,例9、电路如图所示，已知R1=R2=10k,C=0.1F,集成运放UOM=18V,求：试导出uo与u1、u2关系式；已知u1、u2波形，试画出uo波形。,t=10ms,=15V t=20ms uo=10V,返回,O,O,例10、已知运放UOM=15V试求图中uo1、uo2、uo3及开关S闭合0.2s后uo的值。,2V,uo1,A2,uo2,0.5V,R,10k,10k,10k,20k,A3,uo3,R,20k,R,uo,1F,10k,S,解:,输出电压超出UOM，uo=15V,返回,第五节 放大

16、电路中的负反馈,反馈的基本概念 反馈类型及其判别 负反馈对放大器性能的影响,返 回,一、反馈的基本概念,正反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变大。,负反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变小。,1.反馈：指将输出量的一部分或全部按一定方式送回到输入回路来影响输入量的一种连接方式。,返回,返回,2.反馈放大器的一般分析,开环放大倍数：,反馈系数：,闭环放大倍数:,返回,负反馈放大器的一般关系,反馈深度,正反馈,负反馈,返回,深度负反馈,二、反馈类型及其判别,电压负反馈 反馈信号取自输出电压,反馈信号与输出电压成比例;电流负反馈 反馈信号取自输出电流,反馈信号与输出电流成比例;串联负反馈 反馈信

17、号与输入信号以串联的形式作用于输入端；并联负反馈 反馈信号与输入信号以并联的形式作用于输入端。,串联,电流,负反馈,电压,并联,返回,1.反馈类型,2.反馈类型的判别,反馈类型的判别包括反馈极性、直流反馈或交流反馈、电压反馈或电流反馈以及串联或并联反馈的分析判定。,正反馈或负反馈的判别 瞬时极性法,假定输入信号在某一瞬时对地极性为正。由各级输入、输出之间的相位关系，分别推出其它有关各点的瞬时极性。判别反映到电路输入端的作用是加强了输入信号还是削弱了输入信号。若加强则为正反馈，削弱则为负反馈。,返回,返回,电压反馈与电流反馈的判别 输出短路法,令输出电压端口短路，若此时反馈信号仍存在（非0），则

18、电路为电流反馈，反之为电压反馈。,并联反馈或串联反馈的判别,净输入信号与负反馈信号是并联关系，且有,净输入信号与负反馈信号是串联关系，且有,返回,uo,R,R,R,uo,R,RF,例、判断下图反馈类别。,负反馈,若ui0，uo0，则uo0,电压反馈,显然有,并联反馈,交、直流并联电压负反馈,三、负反馈对放大器性能的影响,电压放大倍数被降低,电路加入负反馈，使净输入信号减小，等于削弱了输入信号，使得放大倍数减小。,增加放大倍数的稳定性,电路加入负反馈，放大倍数被降低的同时，也使由于温度、负载、元器件等条件变化而引起的放大倍数的变化大大减小，放大倍数的稳定性得到提高。,返回,扩展通频带,BO,BF

19、,电路加入负反馈，通频带由BO加宽到BF。,减小非线性失真,电路加入负反馈，使净输入信号减小，iC减小，改善了非线性失真。,返回,、|Af|,O,串联负反馈增加输入电阻，并联负反馈减小输入电阻。电压反馈能稳定输出电压，减小输出电阻；电流反馈能稳定输出电流，增加输出电阻。,抑制干扰和噪声,加入负反馈的电路，以降低放大倍数为代价，换来了放大器诸多方面性能的改善。,返回,第六节 集成运放在信号处理方面的应用,有源滤波器 采样保持电路 电压比较器,返 回,运放的非线性应用 非线性应用电路具有两种类型，一类是运放本身工作在非线性状态，如开环或正反馈状态。另一类是运放本身工作在线性状态，由外部电路中引入了

20、非线性元件，使输出与输入不再是线性关系。,返回,返回,滤波电路的种类:,按电路功能:,低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器,按所用元件:无源滤波器和有源滤波器,按阶数:一阶、二阶、高阶,一、有源滤波器,所谓滤波器，它能使一定频率范围内的信号顺利通过，而在此频率范围以外的信号衰减很大，不易通过。,返回,一阶有源低通滤波器,返回,返回,称0为截止角频率,幅频特性曲线,O,返回,二阶有源低通滤波器,阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器,理想低通,一阶低通,二阶低通,O,返回,二、采样保持电路,采样,采样,采样,保持,保持,保持,采样保持电路能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。,O,O

21、,三、电压比较器,过零比较器,比较器是一种用来比较输入信号ui和参考电压UR的电路。,u+u时，即ui 0，uoUOM,ui 0 负饱和uo UOM,+UOM,UOM,返回,O,若ui为正弦波,UOM,+UOM,uo为方波,关于UOM 饱和电压UOM UCC,返回,O,O,任意电平比较器,限幅措施,ui,R,RP,uo,UZ,ui 0 负饱和uo(UZ+UD),ui UR 负饱和uo UZ,+UZ,UZ,UR,返回,O,O,常用集成比较器,LM311电压比较器,返回,比较器的特点及分析方法,比较器中运放处于开环或正反馈状态，输入与输出之间成非线性关系，因此虚短等深度负反馈概念不再适用，仅在判断

22、临界状态时才适用。,uT=UR临界电压，可称为门槛电平 ui=UT时，u+=u，uo=0在 ui UT 和 ui UT 两种不同情况下，比较器输出两个不同的电平（高、低），当ui变化经过UR时，输出发生跃变。,返回,比较器的分析应从输出跳变时所对应的输入电压值（即阀值电压值）来分析输入输出之间的关系。,ui 3V 正饱和uo+4.7,4.7,4.7,3,返回,例1、比较器电路如图，试画出电路传输特性曲线。稳压管正向导通电压0.7V。,O,例2、电压比较器电路如图所示，已知运放UOM=15V,UZ=7V,稳压管正向电压忽略(1)画出电压传输特性uo=f(ui)曲线。(2)若在输入端加入如图所示正

23、弦曲线，试画输出电压波形。,U+=(2/2R)R=1V ui=u1V uo=UZ=7V ui=u1V uo=+UZ=7V,解：,1,7,+7,返回,O,O,O,例3、电路如图所示，已知运放UOM，画出电压传输特性uo=f(ui)曲线。,解：,u 0 负饱和uo UOM,u0，ui=UT,返回,O,第七节 集成运放在信号产生方面的应用,正弦信号发生器 非正弦信号发生器,返 回,一、正弦信号发生器,返回,1自激振荡的条件,1,S,2,当开关S接在“1”端时,开关S换接到“2”端,放大器的输出电压将保持不变,放大器不需外接输入电压信号，而是通过合适的正反馈来维持一定的输出电压，就可以形成自激振荡。,

24、返回,要产生自激振荡必须满足两个条件,振幅条件,相位条件,返回,起振过程,电路接通电源,输入端产生微小的电压变化量,产生正反馈,满足相位平衡条件的频率的信号,输出信号被放大,电路开始振荡,稳幅振荡,返回,2RC桥式正弦信号发生器,返回,选频网络,返回,当=0时，RC串并联电路的幅频特性的幅值为最大F13，相频特性的相角为0。,返回,幅频特性,相频特性,90,0的大小取决于RC,O,O,返回,二、非正弦信号发生器,1方波发生器,方波发生器是一种能直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生器，又称为多谐振荡器。,若uo=+UZ,uo=UZ,C充电,uC,当uCUR时,C放电再反向充电,uC,当uCUR时,uo=UZ,返回,O,UR,uC,t,UR,UZ,uo,O,t,UZ,波形图,周期T的大小与Rf、C、R1、R2有关系,返回,2.占空比可调的矩形波波发生器,积分电路中串入了RP，使得C的正向、反向充电时间常数不相等，调节RP就可调节矩形波的占空比。,返回,3三角波发生器,A1过零 比较器,A2反相 积分器,t0时，uo0，设uo1 UZ,电容C充电，uo下降,A1,A2,返回,电容C反向充电，uo上升,当u1下降至0时，A1翻转 uo1 UZ,当u1上升至0时，A1再次翻转 uo1 UZ,返回,O,uo,t,UZ,uo,O,t,UZ,波形图,