电工学少学时唐介第10章集成运算放大器.ppt

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1、第10章 集成运算放大器,10.1 集成运算放大器概述,10.2 反馈的基本概念,10.4 基本运算电路,10.5 电压比较器,10.3 理想运算放大器,1.了解集成运算放大器的基本组成及特点，理解集成运算放大器的电压传输特性，了解其主要参数的意义。2.理解反馈的概念，了解反馈的判断方法及对放大电路性能的影响。3.理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法，掌握集成运算放大器的反相输入、同相输入和差动输入三种输入方式。理解用集成运算放大器组成的比例、加减、积分、微分运算电路的工作原理。掌握分析电路的基本方法。4.了解电压比较器的外特性。了解电压比较器的工作原理和有关结论。,本章要求,集成电路：是利

2、用氧化、光刻、扩散、外延等集成工艺，将整个电路的各个元件及导线集中制做在一小块半导体芯片上，成为不可分割的整体。实现了材料，元件和电路的统一。与分立电路比较体积更小、重量更轻、功耗更低、工作更可靠。,分立电路：是由各种单个元件联接起来的电子电路。,10.1 集成运算放大器概述,集成电路诞生于20世纪60年代，集成电路的问世，是电子技术的一个新的飞跃，到80年代已经进入了超大规模集成电路时代，进入了微电子学时代，从而促进了各个科学领域先进技术的发展。,按集成度分为小、中、大、超大规模集成电路（在几十平方毫米的芯片上制有上百万、千万个元件）。,集成电路的分类:,模拟集成电路：集成运算放大器 集成功

3、率放大器 集成稳压电源 集成数模和模数转换器,按功能分:模拟集成电路、数字集成电路。,按导电类型分:双极型：NPN、PNP 单极型：MOS管,应用已远远超出信号运算的界限，在信号处理、信号测量及波形产生等方面获得广泛应用,高速运算放大器,双列直插式,圆壳式,集成电路成品外形,集成运算放大器是一个高增益的直接耦合放大电路。,一、集成运算放大器的组成,采用差分放大电路，抑制零点漂移,ri很大,采用多极共射放大电路，获得较大的A0,采用共集放大电路，r0小，提高带载能力。,特点：ri很大几十K几M,A0很大万几百万倍,r0很小几十几百,KCMRR 很高,集成运算放大器符号,u,u+,uo,国际符号：

4、,国内符号：,反相输入端,同相输入端,输出端,信号输入方式,1、反相输入：,2、同相输入：,3、差分输入：信号从两端输入,+,信号从反相输入，则输出信号与输入信号反相,信号从同相输入，则输出信号与输入信号同相,uo,Ao越大，线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,二、电压传输特性,因此，引入深度负反馈是集成运放实现线性应用的必要条件。,1、线性区:,线性区,2、饱和区：,饱和区,10.2 反馈的基本概念,一、反馈的概念,输出信号,输入信号,反馈信号,净值信号,开环放大倍数,闭环放大倍数,反馈系数,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部通过一定的电路条件（反馈回路）以

5、一定的方式（并联或串联）引回到输入端，与输入信号叠加，就称为反馈。,取+加强净输入信号 正反馈 用于振荡器,取-削弱净输入信号 负反馈 用于放大器,闭环,实际被放大信号,二、反馈的类型,1、从反馈的极性分,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。,并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。,2、从反馈的方式分,电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。,根据反馈所取样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,3、从反馈的取样量分,4、交

6、流反馈与直流反馈,交流反馈：反馈只对交流信号起作用。直流反馈：反馈只对直流起作用。,若在反馈网络中串接隔直电容，则可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。,负反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,负反馈的分类小结,uo,_,+,+,A0,Rf,R1,R2,ui,RL,电压并联负反馈,电流串联负反馈,uo,_,+,+,A0,Rf,R1,R2,ui,电流并联负反馈,电压串联负反馈,+,-,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud=ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,反

7、馈电压,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈,特点：输入电阻高、输出电阻低,1.串联电压负反馈,2.并联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id=i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流)负反馈,反馈电流,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较并联反馈,特点：输入电阻低、输出电阻低,3.串联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud=ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,反馈电压,取自输出电流 电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较

8、 串联反馈,uf=Rio,4.并联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id=i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流)负反馈,反馈电流,取自输出电流电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较 并联反馈,三、运算放大器电路反馈类型的判别方法：,1.判断串、并联反馈方法：输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈。2.利用瞬时极性法判断正、负反馈方法：对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈；对并联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是正反馈；

9、极性相反时，是负反馈。3.判断电压、电流反馈方法：令输出电压uo=0，若反馈信号也等于零的是电压反馈；若反馈信号不等于零的是电流反馈。另：简便判断方法：反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈。,例1：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,令输出电压uo=0，则反馈信号uf=0，所以是电压反馈。,因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以是串联反馈；,串联电压负反馈,在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,可见：输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈；,例2：,试判别下图放大电路

10、中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,令输出电压uo=0，而反馈信号if不等于零，所以是电流反馈。,因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈;,在图中标出输入、输出和反馈信号的瞬时极性,并联电流负反馈,因输入信号和反馈信号的极性相反，所以是负反馈；,例 试判断图示电路中 Rf 所形成的反馈。,解,uf+,ud+,用瞬时极性法判断正、负反馈：,ud=uiuf,=ui+|uf|,ui,为正反馈；,输出端短路时，uf=0,为电压反馈；,为电压串联正反馈。,四、负反馈对放大电路性能的改善,则有：,负反馈使放大倍数下降。,（1）提高了放大倍数的稳定性,则：,

11、负反馈对放大电路性能的改善,（2）加宽了通频带,(3)改善了非线性失真：,(a)无负反馈时,(b)有负反馈时,（4）稳定了输出电压或输出电流,例如:射极输出器,理解：电压负反馈目的是阻止uo的变化，稳定输出电压。,（5）改变了输入电阻和输出电阻,串联负反馈使电路的输入电阻增加,并联负反馈使电路的输入电阻减小,理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。,理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路，故输入电阻减小。,理解：电流负反馈目的是阻止io的变化，稳定输出电流。,由于实际运放的开环放大倍数很大，输入电阻极高，输出电阻极低。故在分析时常采用将其近似理想化。,一、理

12、想运放的条件,10.3 理想运算放大器,1、,2、,3、,ri,4、,二、电压传输特性 uo=f(ui),线性区：uo=Ao(u+u),非线性区：u+u 时，uo=+UOM u+u 时，uo=UOM,线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,1.理想运放工作在线性区的特点,因为,所以(1)差模输入电压约等于 0 即 u+=u,称“虚短”,(2)输入电流约等于 0 即 i+=i 0,称“虚断”,电压传输特性,O,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。,因为ri，,电压传输特性,2.理想运放工作在饱和区的特点,(1)输出只有两种可能,+UOM 或UOM,(2)i+=i 0,

13、仍存在“虚断”现象,当 u+u 时，uo=+UOM u+u 时，uo=UOM 不存在“虚短”现象,三、重要结论-分析运算电路线性应用的依据,“虚短路”,“虚断路”,10.4 基本运算电路,集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。,运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。,一、比例运算电路,1.反相比例运算,（1）电路组成,

14、以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,（2）电压放大倍数,因虚短,所以u=u+=0，称反相输入端“虚地”反相输入的重要特点,因虚断，i+=i=0，,所以 i1 if,因要求静态时u+、u 对地电阻相同，所以平衡电阻 R2=R1/RF,U+,U-,虚地点,1.反相比例运算,电压放大倍数,反馈电路直接从输出端引出电压反馈,输入信号和反馈信号加在同一输入端并联反馈,反馈信号使净输入信号减小负反馈,电压并联负反馈,输入电阻低,当R1=RF时，u0=-ui，该电路称为反相器。,电压并联负反馈，输入、输出电阻低。,结论：,Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加 在反相输入端。,

15、Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。,|Auf|可大于 1，也可等于 1 或小于 1。,因u=u+=0，所以反相输入端“虚地”。,例：电路如下图所示，已知 R1=10 k，RF=50 k。求：1.Auf、R2；2.若 R1不变，要求Auf为 10，则RF、R2 应为 多少？,解：1.Auf=RF R1=50 10=5,R2=R1 RF=10 50(10+50)=8.3 k,2.因 Auf=RF/R1=RF 10=10 故得 RF=Auf R1=(10)10=100 k R2=10 100(10+100)=9.1 k,2.同相比例运算,因虚断，所以u+=ui,（1）电路

16、组成,（2）电压放大倍数,因虚短，所以 u=ui，反相输入端不“虚地”,因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1/RF,2.同相比例运算,输入电阻高,电压放大倍数,电压串联负反馈,输入信号和反馈信号分别加两个输入端串联反馈,反馈电路直接从输出端引出电压反馈,因虚短，所以 u=ui，反相输入端不“虚地”,反馈信号使净输入信号减小负反馈,电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低。,结论：,Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加 在同相输入端。,Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。,Auf 1，不能小于 1。,u=u+0，反相输入端不存在“虚

17、地”现象。,当 R1=且 RF=0 时，,uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。,由运放构成的电压跟 随器输入电阻高、输出 电阻低，其跟随性能比 射极输出器更好。,左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。,二、加法运算电路,1.反相加法运算电路,因虚短,u=u+=0,平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RF,因虚断，i=0,所以 ii1+ii2=if,若Ri1=Ri2=RF,另一方法：利用叠加原理,2.同相加法运算电路,方法1:根据叠加原理 ui1单独作用(ui20)时，,同理，ui2单独作用时,方法2：,平衡电阻：Ri1/R

18、i2=R1/RF,u+,u+=?,也可写出 u和 u+的表达式，利用 u=u+的性质求解。,三、减法运算电路,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法1：,如果取 R1=R2，R3=RF,如 R1=R2=R3=RF,R2/R3=R1/RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量放大电路,分析方法2：利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。,u+,减法运算实际是差分电路,例：测量放大器(仪用放大器),对共模信号：,uO1=uO2 则 uO=0,例：,u-=u+,R、RW、R三个电阻可视为串联,+,例.R1=10k,R2=20k,ui 1=-1V，ui 2=1

19、V。求:uo,例.,uo,30k,60k,20k,20k,2v,_,+,+,60k,30k,20k,uo1,uo2,30k,30k,60k,-4v,2v,课堂练习,四、积分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1=if,if=?,当电容CF的初始电压为 uC(t0)时，则有,平衡电阻:R2=R1,若输入信号电压为恒定直流量，即 ui=Ui 时，则,积分饱和,线性积分时间,线性积分时间,Uo(sat),ui=Ui 0,ui=Ui 0,采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故 uo 是时间 t 的一次函数，从而提高了它的线性度。,输出电压随时间线性变化,Ui,Ui,五、微分运算

20、电路,由虚短及虚断性质可得 i1=if,Ui,Ui,微分时间常数,平衡电阻:R2=Rf,10.5 电压比较器,电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。,用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,理想运放工作在饱和区的特点：,1.输出只有两种可能+UOM 或UOM 当 u+u 时，uo=+UOM u+u 时，uo=UOM 不存在“虚短”现象 2.i+=i 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性

21、,电压传输特性,UOM,+UOM,运放处于开环状态,1.基本电压比较器,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,当 u+u 时，uo=+UOM u+u 时，uo=UOM,即 uiUR 时，uo=UOM,可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,单限电压比较器：当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。,ui UR，uo=+UOMui UR，uo=UOM,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则 ui UR，uo=UZ,uiUR 时，uo=UOM,过零电压比较器,利用电压比较器将正弦波变为方波,例 分析电路的功能和工作原理。,解当温度低于某值时，R3 的阻值大：uiUR,ui,UR,热敏电阻,uo=UOM,T 截止，,KA 不通电；,当温度高于某值时，R3 的阻值小：uiUR,uo=+UOM,T 饱和导通，KA 通电，触点动作。,图 10.5.3 过温度保护电路,