理想运算放大器的分析与应用.ppt

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1、,主讲:章春娥,问题：集成运算放大器的由来？如何判断电路是否是运算电路？有哪些基本运算电路？怎样分析运算电路的运算关系？如何分析集成运算放大器？集成运算放大器有哪些应用？,第9章 集成运算放大器的分析及应用,第9章 集成运放的分析及应用,9.1 集成运算放的组成及基本特性9.2 运放的线性应用及理想运放模型9.3 基本运算电路9.4 电压比较器9.5 波形发生器(略)9.6 集成运放的其他应用电路（略）小结,9.1 集成运算放的组成及基本特性,一、概述二、集成电路的基本结构三、模拟集成运放的典型电路,1）通用集成电路 2）模拟信号处理电路3）控制系统专用集成电路，如电机控制电路、可控硅控制电路

2、等.4）通信系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等。5）测试系统专用集成电路，ATE电路、信号变换和处理电路等。6）仪器专用电路等。,9.1 集成运算放大器的组成及基本特性,1.模拟集成电路分类按照应用领域进行分类：,一、概述,按照电路的功能进行分类1）运算放大器2）模拟乘法器（除法器）3）对数放大器4）函数发生器5）滤波器6）压控振荡器 7）集成功率放大器8）集成 稳压电源,一、概述(续）,9.1 集成运算放大器的组成及基本特性,集成电路,通用型,专用型,按照集成电路分类,1 集成电路的基本结构,二 集成电路的基本结构,二 集成电路的基本结构(续）,2 模拟集成电路组成,

3、输入级,中间级,输出级,偏置电路,组成：运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。,运放组成,差放输入级,中间放大级,低阻输出级,恒流源偏置,U+,U-,Uo,三、模拟集成运放的典型电路,运放旧符号,运放国标符号,1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U 表示；另一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U表示。,4.恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,3.低阻输出级：由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电

4、压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。,差放输入级,中间放大级,低阻输出级,恒流源偏置,U-,U+,运放组成,集成运放F007的电路原理,2单极型集成运放,第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。,第二级是共源放大电路，以N沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。,9.1.2 集成运算放大器的主要参数,集成运放的性能指标-主要参数如下：,1电源电压2开环差模电压增益AUd3共模抑制比KCMR4差模输入电阻rid5输入失调电压Uos6输入失调电压的温漂dUos/d

5、T7输入失调电流Ios,8输入失调电流的温漂dIos/dT9输入偏置电流IB10最大共摸输入电压Uic,max11最大差模输入电压Uid,max12-3dB带宽13单位增益带宽BWG-fT14转换速率SR(摆率)|duo/dt|max,9.1.3 线性应用及理想运放模型,一、线性应用和非线性应用二、理想运放模型,9.1.3 线性应用及理想运放模型,运放模型分类,按精度分类,理想模型,非理想模型,运放宏模型,按功能分类,直流模型,交流小信号模型,大信号模型,噪声模型,9.1.3 线性应用及理想运放模型（续）,运放分析特点：芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。,运放分析内容,传输特性(输入与输

6、出信号关系特性),频域特性时域特性温度特性噪声特性,主要分析内容,1.线性应用：运放输入输出成线性关系的应用。闭环应用，如“运算电路”、“有源滤波电路”等。,一、线性应用和非线性应用,2.非线性应用：运放输入输出成非线性关系的应用。开环应用，如比较器。,输入,输出,输入,输出,电压放大器,电压比较器,二、理想运放模型,1.理想运放的性能,1)开环电压增益Aud=;2)输入电阻Rid=;3)输出电阻Ro=0;4)频带宽度F=;5)共模抑制比CMRR=;6)失调、漂移和内部噪声为零。,主要条件,条件较难满足，可采用专用运放来近似满足。,二、理想运放模型（续）,1）同相端与反相端呈开路状态。2）输出

7、回路为一受控电压源AUd(U+-U-)，由于输出电阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U-)。,2.理想运放模型,1、集成运算放大器的转移特性:,输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），所以常将特性理想化,2、运放线性工作的保障:,两输入端的电压必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。,集成运算放大器的线性应用,运放的输出幅度有限（比电源低 2V左右）;运放的开环电压增益一般 10000;,3.线性运用状态时主要特征,1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零，称虚断。,I+=I-0,2.理想运放的

8、同相和反相输入端电位近似相等，称虚短。,U+=U-,Rid,虚断,虚短,在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。,虚地,如将运放的同相端接地U+=0，则U-=0,即反相端是一 个不接“地”的“地”，称为“虚地”。,虚地点对地的电阻为“0”,由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为0，在分析处于线性状态运放时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。,U+-U-=Uo/AU0,-,U-,I-,+,U+,I+,+,-,AUd(U+-U-),运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。,4.饱和工作状态时特征（非线

9、性工作状态）,1)理想运放的同相和反相输入端电流近似为零,2)当U+U-时，Uo为正饱和值；当U+U-时，Uo为负饱和值。,I+=I-0。,饱和状态的运放通常工作在开环或正反馈状态，主要用于数字电路，比较器电路等。,二、理想运放模型（续）,9.2 基本运算电路,一、比例运算电路二、加法器三、减法器四、积分器五、微分器六、对数放大器(略)七、指数放大器(略)八、乘、除法器(略),一、比例运算电路,1.反相放大电路,平衡电阻RpR1/Rf,电压并联负反馈,由I+=I-0（虚断）,I1=If,U+=0,U+=U-（虚短）,U-=0,虚地点对地的电阻为“0”,一、比例运算电路（续）,1.反相放大电路（

10、续）,平衡电阻RpR1/Rf,小结：电路的输出Uo与输入Ui呈比例关系，且相位相反，比例因子为 Rf/R1，因此，该电路常用于反相比例运算。,Auf只与Rf、R1有关，而与运放的参数无关。,输入电阻 rif,=R1,输出电阻 rof=0,电压增益,一、比例运算电路（续）,2.同相放大电路,电压串联负反馈,I-=I+0,U+=U-,rif,rid,rof=0,小结：同相放大电路输出Uo与输入Ui呈比例关系，且相位相同，比例因子为 1+Rf/R1，因此，该电路常用于同相比例运算。,一、比例运算电路（续）,2.同相放大电路（续）,电压跟随器,rif,rid,rof=0,当Rf=0时，,二、加法器,1

11、.反相加法器,I+=I-0,I1+I2+In=If,U+=0,U+=U-,U-=0,平衡电阻RpR1/R2/Rn/Rf,当R1=R2=Rn=Rf时，Uo=-(U1+U2+Un),2.同相加法器,I+=I-0,I1+I2+In=0,U+=U-,二、加法器（续）,2.同相加法器（续）,二、加法器（续）,三、减法器,运放工作在线性放大时，可用叠加原理来推导输出表达式。当U2=0时，在输入信号U1的作用下，产生的输出为Uo,当U1=0时，在输入信号U2的作用下，产生的输出为Uo根据叠加原理：Uo=Uo+Uo,当U1单独作用时：,Uo,当U2单独作用时：,Uo,当U1和U2共同作用时：,若R1=R2 R

12、3=Rf,小结：当R1=R2，R3=Rf时，减法器的输出电压为两个输入信号之差乘以放大系数Rf/R1,故又称它为差分放大器。2)为减小失调误差，需 R1/Rf=R2/R3。,三、减法器（续）,四、积分器,I+=I-0,i1(t)=if(t),U+=0,可得,积分器的输出电压与输入电压呈积分关系，积分时间常数为RC。,当ui(t)=E时,uo(t)t按负斜率下降，最终达到负饱和值。,U+=U-，U-=0,积分器应用,数学运算,波形变换。如将一方波变换成三角波,实现波形变换，将一方波变换成三角波,积分器应用（续）,加入直流反馈Rf 的作用：抑制直流漂移，提高控制精度，防止低频、直流增益过大。,积分

13、器应用（续）,五、微分器,I+=I-0,ic(t)=if(t),U+=U-=0,R1的作用是:适当减小放大器高频增益;抑制高频噪声。,微分器实用电路,微分器应用,数学运算,波形变换,微分器应用,注意：在设计微分器时，元件RfC的乘积受运放最大输出电压的限制，即最大输出电压Uom满足,六、对数放大器,原理:利用PN结结电压与电流之间的对数关系而构成的。,I+=I-0,Ii=Ic,U+=U-,U+=0,U-=0,由电路可看出：,输出电压与输入电压的关系呈对数关系；Uo的最大输出电压不会超过Ube；温度稳定性差。,七、指数放大器,输出电压与输入电压的关系呈指数关系;温度的稳定性差.,原理:利用PN结

14、结电流与电压之间的指数关系而构成的。,八、乘、除法器（了解内容）,乘法原理:利用对数和指数运算电路可以实现乘法运算电路。,对数运算电路1,对数运算电路2,求和运算电路,指数运算电路,u11,u12,uo1,uo2,uo3,uo,八、乘、除法器（续，了解）,除法原理:利用对数和指数运算电路可以实现除法运算电路。,对数运算电路1,对数运算电路2,减法运算电路,指数运算电路,u11,u12,uo1,uo2,uo3,uo,要求输出电压的幅值要小于等于Uom，由此可知，输出电压可表示为,例:如图所示积分器，已知输入矩形波电压幅值E=1V，T=10ms，运放最大输出电压Uom=10 V，求电路元件R和C的

15、值。,解:,可取电阻：R10k；电容：C0.1F,ui(t),t,uo(t),-E,E,Uom,T,求图所示数据放大器的输出表达式，并分析R1的作用。,解1：,显然调节R1可以改变放大器的增益。,例:,所以：,显然调节R1可以改变放大器的增益。如放大器AD624等，R1有引线连出，同时有一组R1接成分压器形式，可选择连接成多种的R1数值。,解2：vs1和vs2为 差模输入信号，为此vo1和vo2也是差模信号，R1的中点为交流零电位。对A3是双端输入放大电路。,例:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,积分器的输入和输出波形,9.4 电压比较器,一、单门限比较器二、迟滞比较器三、比较器的特

16、点及应用,对两个输入电压进行比较，比较两个电压的大小，将比较结果以高低电平的形式输出。此功能的运放通常工作在饱和区。通常将一个输入电压固定UR作为参考电压，另一个输入电压Ui与UR比较，结果由Uo反映。,一、单门限比较器,单门限比较器：,比较器的功能,是指只有一个门限电压的比较器.,一、单门限比较器（续）,输出应为负饱和值，Uo为低电平-VOL。,当UiUR时，输出为正饱和值，Uo为高电平VOM。,输出电压被限定在（UZ+UD),原理,例:电路如图(a)所示，当Ui如图(b)所示时，试画出Uo及Uo 的波形。,图（a)电路,图(b)波形图电路,一、单门限比较器（续）,二、迟滞比较器,引入正反馈

17、起加速输出电压变化,原理:当输出Uo为高电平Uo=Uom时，同相端受到Uom和UR同时作用,当UiU1时，输出将由高电平Uom跳变到低电平Uon。U1称为上门限电压，也称正向阈值电压。,迟滞比较器：具有迟滞回环特性，输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。,二、迟滞比较器（续）,原理:当输出Uo为低电平Uo=Uon时，同相端受到Uon和UR同时作用,当UiU2时，输出将由低电平Uon跳变到高电平Uom。U2称为下门限电压，也称负向阈值电压。,U1,迟滞比较器,上门限电压：,下门限电压：,门限宽度：,小结：1.改变基准电压UR可改变上、下门限电压U1、U2

18、，但不影响门限宽度U。2.改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响U和 U1、U2。3.Uom、Uon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。,三、比较器的特点及应用,1.工作在开环或正反馈状态。2.开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。3.非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。,特点：,应用：比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。,正弦波变换为矩形波,三、比较器的特点及应用（续）,有干扰正弦波变换为方波,9.6 波形发生器（略）,一、矩形波发生电路二、三角波发生电路三、脉冲和锯齿波发生电路,9.7 集成运放的其

19、他应用电路（略）,一、电压电流变换电路二、RC有源滤波器三、测量放大电路四、单电源供电放大电路五、线性稳压电路,小 结,集成运算放大器本质上是一种多级高增益直流放大器，在外部反馈网络配合下，它的输出与输入之间可以灵活地实现各种特定的函数关系。因而具有对不同信号进行组合、运算和处理等多种功能，可实现各种功能电路。采用理想模型分析时要掌握理想运放的主要条件：1.开环电压增益Aud=;2.输入电阻Rid=;3.输出电阻Ro=0;4.频带宽度F=;5.共模抑制比CMRR=;6.失调、漂移和内部噪声为零。,小 结,理想运放有两种工作作态。线性工作状态特点：1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零，I+

20、=I-0。2.理想运放的同相和反相输入端电位近似相等，U+=U-饱和工作状态特点：1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零，I+=I-0 2.当U+U-时，Uo为正饱和值；当U+U-时，Uo为负饱和值。,闭环运放的两种基本电路1.反相放大器：它实质上是一个电压并联负反馈放大器，主要特点是反相输入端呈“虚地”。电压增益:AUf-RfRl式中，Rf是反馈电阻，R1是反相输入端电阻。反相放大器的输入电阻rif=R1，输出电阻rof=0。2.同相放大器：它实质上是一个电压串联负反馈放大器，电压增益:AUf1+RfRl注意：式中Rl是反相端电阻，Rf是反馈电阻。同相放大器的输入电阻rif=，输出电阻rof=0。,小 结,重点难点,重点：运放构成的电路系统分析。难点：理解虚短、虚断和虚地的概念；理解迟滞比较器的工作原理；理解方波和三角波发生器的工作原理。,第九章结束,