荣雅君《模拟与数字电子技术》第四章集成运算放大器.ppt

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1、第四章 集成运算放大电路,本章主要内容：,3集成运放在信号运算、信号处理及信号产生方面的应用。,1集成运放的组成及主要参数；,2理想集成运放两种工作方式的主要特点和分析方法；,1.理想运放“虚短”、“虚断”的含义；2.集成运放两种工作状态的特点和分析方法；3.各种信号发生电路、比较电路的原理。,本章重点：,一、集成运算放大器电路简介,集成运算放大器（简称集成运放）是一种多级放大电路，性能理想的运放实际上是一种具有高开环放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、工作点漂移小并具有深度负反馈的多级直接耦合放大器。,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,电路设计特点：级间采用直接耦合方式利用对称结构改善电

2、路性能,集成运算放大器内部组成框图。,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,采用差分放大电路构成，第一级放大,采用共射极放大电路，提供足够大的电压放大倍数,采用共集电极放大电路或功放中的互补对称电路。提供足够大的输出功率满足负载需要，,提供稳定合适的偏置电流。,1输入级采用差分放大电路构成。具有对称性好、输入电阻高、可以有效减小零点漂移、抑制干扰信号等优点，因此可以有效放大有用信号。2中间级为整个电路提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放大电路，集电极电阻用晶体管恒流源代替，恒流源的动态电阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。3输出级 输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足够大

3、的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低，带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。4偏置电路为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流过大时将运放烧坏。,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,输入方式:反相输入 同相输入（共模输入）差分输入（混合输入）,集成运放的国标图形符号,国际流行符号,国标符号,具有电源引脚的集成运放国际流行符号,运算放大器外形图,二、集成运算放大器的主要参数,三个概念,1.反馈 将电路的输出量(电压或电流)的一部分或全部，以一定的方式通过某种电路（反馈）回送到输入端或输入回路，去影响输入量（

4、电流或电压），以改善放大电路的某些性能。,若反馈信号增强净输入信号输出信号得到提高正反馈；若反馈信号削弱净输入信号输出信号得到削弱负反馈；,闭环放大电路的输入回路与输出回路之间有联系，即有反馈时；开环放大电路的输入回路与输出回路之间无联系，即无反馈时。,1.开环电压放大倍数（开环电压增益）Auo 在输出端开路，无外接反馈电路时，两个输入端加电压输入信号，此时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数，简称开环电压放大倍数，一般用分贝表示。Auo 越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。理想情况下，Auo,uu+,2.开环差模输入电阻rid 集成运放加入差模信号时的开环等效输入电阻。

5、表征了输入级从信号源取用电流的大小，其值越大越好。3.开环输出电阻ro 没有外接反馈电路时，输出级的输出电阻。表征了集成运放带负载的能力，其阻值越小越好。,4.输入失调电压uio实际的集成运放中，当输入电压为零时，输出电压不等于零，为使输出电压为零，须在输入端加补偿电压，该补偿电压就称为输入失调电压。它表征了输入级差分对管（或）不对称的程度，一般在毫伏级。5.最大输出电压UOM能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。6.共模抑制比KCMRR它表示集成运放的差模放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值，即：KCMRR 越大，说明运算放大器抑制共模信号的性能越好。,理想运放的主要条件：(

6、1)开环放大倍数：Ao(2)开环输入电阻：ri(3)开环输出电阻：ro0(4)共模抑制比：KCMRR,三、理想集成运放的技术指标及符号,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,四、集成运算放大器的电压传输特性,两个工作区线性工作区和非线性工作区1线性工作区,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,或,集成运放处于线性区的特点,ui1,uu+,（1）“虚短”集成运放两个输入端的电压近似相等，即u+u-。,特殊情况：反相端有信号输入时，同相输入端接“地”反相输入端是一个不接“地”的“地”电位，通常称为“虚地”,ui2,（2）“虚断”流进集成运放两个输入端的电流近似等于零，即 i+i-0。原因：由于集成

7、运放开环差模输入电阻很高（理想时）理想的集成运放无论工作在线性区还是非线性区，“虚断”现象总是存在的。,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,ui1,uu+,ui2,（1）（2）集成运放两个输入端电压u+与 u不一定相等，即“虚短”的结论不一定成立。（3）集成运放输入电流仍等于零。即“虚断”现象仍然存在。,2.非线性工作区（饱和状态）处于开环或正反馈时,当 u+u时：,uo=+UO(sat),当 u+u时：,uo=UO(sat),第四章 集成运算放大电路第一节 概述,ui1,uu+,ui2,如何判断理想集成运放的工作状态？,集成运放电路连接方式：,1.开环：2.正反馈：3.负反馈,判断方法：集

8、成运放电路开环非线性工作区用无源网络连接输出端和同相输入端正反馈，非线性工作区用无源网络连接输出端和反相输入端负反馈，线性工作区,请判断有无反馈,如何分析集成运放电路？,（1）分析判断集成运放的工作状态（有无反馈？反馈的极性？）；（2）根据集成运放在线性区和非线性区的特点分析具体电路和输入输出关系。,(一)比例运算电路(1)反相比例运算电路,u=u+=0,i1=if,闭环电压放大倍数 Af,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,平衡电阻,当 Rf=R1 时：uo=ui,反相器,平衡电阻:Rp=R1/Rf,平衡电阻的作用：保证集成运放的同相输入端和反相输入端的外接电阻相等，以消除静

9、态基极电流对输出电压的影响。,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(2)同相比例运算电路,u=u+=uiif=i1,平衡电阻:RP=R1/Rf,闭环电压放大倍数 Af,当,电压跟随器,再令,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(二)加法运算电路1.反相加法运算电路,当,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2.同相加法运算电路,元件参数：,保证电路能够补偿输入偏置电流、失调电流及其漂移的影响。,单独作用时，令,单独作用时，令,所以输出电压为：,若选取,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算

10、电路,两个电压源共同作用时，,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(三)减法运算电路,1应用集成运放中“虚短”和“虚断”的特点。,当,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2应用叠加原理求解,当ui1单独作用时:,当 ui2 单独作用时:,uu+,则：uo=uo+uo,平衡电阻:R2/R3=R1/Rf,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,例4-3 图4-10示电路是具有四个输入电压的双端输入和差运算电路。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的关系式。,解：若令,则该电路成为同相加法运算电路，,式中，,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运

11、算电路,若令,则电路成为反相加法运算电路,若令,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,练习题,1.设计运算电路实现：uo=-3ui,2.求解下图所示电路的运算关系,反相比例运算电路,反相加法运算电路,将uo1代入uo2的表达式，可得,3.设计运算电路实现：uo=2ui1-ui2,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(四)积分运算,u=u+=0uC=uuo=uoif=i1,平衡电阻:,R2=R1,(五)微分运算电路,u=u+=0uC=uiif=i1,平衡电阻:R2=Rf,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,基本微分电路存在的缺点：输出端可能出现输出噪

12、声淹没微分信号的现象；由于电路中的反馈网络构成的 RFC 滞后环节，它与集成运算放大器的滞后环节合在一起，使电路的稳定储备减小，电路容易引起自激振荡；突变的输入电压可能造成 uo 超过集成运算放大器所允许的最大输出电压，以至于产生堵塞现象，造成自锁状态,使电路不能正常工作。,改进型的微分运算电路,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,此电路是一个反相比例运算和微分运算相结合的电路，因此称为比例微分调节器（简称PD调节器），用于控制系统中，使调节 过程起到加速作用。,解 由图可列出,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,一、电压比较电路基本功能：对输入模拟电压进行比较

13、和鉴别,根据输入模拟电压是大于还是小于给定的参考电压来决定电路的输出状态,也可以由比较电路的输出状态来判断输入电压的大小，故称为电压比较器。构成比较器的集成运放一般接成开环或正反馈状态，使其工作于非线性区。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,(一)基本电压比较器,反相输入端输入模拟电压，,同相输入端接参考电压,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,反相输入的基本比较电路,1过零比较电路,当参考电压,时，即上图中的同相输入端通过电阻R1接地，,与参考电压,（此时参考电压为零电压）进行比较。当,时，,，其值接近负电源电压；当输入信号,时，则有,，其值接近正电源电压。,传输特性,

14、第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,在过零比较电路中，若输入电压 为正弦电压，理想情况下的输出电压 为方波，且 的频率相同。,和,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,2.任意电平比较器,门限电压,，反相输入端接入输入电压,输出端通过限流电阻R接在特性相同的的稳压管VS1和VS2上（稳定输出电压，并限制幅度）。,在同相输入端加上参考电压,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,输入电压 和参考基准电压 都接在集成运放的反相输入端，同相

15、输入端经平衡电阻 接地（）。根据电路的特点，可知在,3.基准电压比较器,时，电路输出电压的状态在发生变化,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,（3）在 过 时的跃变方向决定于 作用于集成运放的哪个输入端,（2）写出集成运放同相输入端、反相输入端电位 的表达式，令，解得的输入电压就是门限电压、阈值电压,（1）通过研究集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平 和输出高电平,分析电压传输特性的方法：,例题：下图1所示电路中，稳压管的稳定电压；在图2所示电路中，基准电压，稳压管的稳定电压；它们的输入电压均为图3所示的三角波。试分别画出两电路输出电压的波形。,图1,图2,图3,

16、二、施密特比较器,单限比较器优点：电路简单、灵敏度高；缺点：抗干扰能力差。施密特比较电路：改进单限比较器。在开环比较器的基础上增加由电阻构成的正反馈环节（又称施密特触发电路）。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,使输出电压由,跳变到,，以及由,跳到,所需的输入电压,是不同的，也就是这种比较器有两个不同的门限电平。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,设电路的初始状态为,集成运算放大器同相输入端的电压也变为：,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,称下门限电压。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,2)改变参考电压 的大小，上和下门限电压同时改变，但回差电

17、压不变，也就是说，当 增大或者减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或者左移，但滞回曲线的宽度保持不变；,说明：,回差电压的大小取决于稳压管的稳压电压,和正反馈网络中的,，而与参考电压,无关；,3)由于回差电压的存在，施密特比较器具有较强的抗干扰能力。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,解：上门限电压：,下门限电压为:,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,一、方波产生电路,特点：与滞回比较器相比较，方波发生器去掉了反相输入端的信号而改接了电容C，并增加了反馈电阻RF2。,应用比较器可以产生方波，但比较器需要有输入信号时才能产

18、生方波信号输出，而图中所示的方波发生器不需要输入信号就能产生方波。,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,1.工作原理,此方波产生电路通过使RC电路反复充电和放电，来实现电路中滞回比较器输出的高低电平转换，最后在滞回比较器的输出端得到一个高低电平周期性交替的方波。,滞回比较器的两个门限电压分别是：,初始状态为,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,由于反向输入端电容C的电压不能跃变，在此期间输出电压,通过反馈电阻RF1向电容C充电，uc上升，当uc上升到稍大于UT1时，在正反馈的作用下，输出电压uc将由+UZ迅速转换为-UZ，电容C充电的电压uc达到最大值。此时,此时电容C又要

19、通过电阻RF1放电，uc开始下降，当uc下降到稍小于UT1时，输出电压uc将由-UT1迅速转换为+UT1。,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,2振荡周期和频率,由电容充放电的过渡过程，可求出输出电压uc的周期T，也就是电路的振荡周期T和频率f。电容C充电开始到输出电压状态由+UZ转换为-UZ的时间记为T1而电容C放电开始到输出电压状态由-UZ转换为+UZ的时间记为T2,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,二矩形波发生器,占空比：正脉冲持续时间与波形的周期之比,占空比能够根据需要进行调节，则可使电容的充电时间与放电时间不等来实现，那么电路的输出电压形式就为矩形波。,充电时间常数：,放电时间常数：,为二极管正向电阻，,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,