电子技术16章集成运算放大器.ppt

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1、(18-1),第16章 集成运算放大器,16.1 集成运算放大器的简单介绍,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,16.4 运算放大器在波形产生方面的应用,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,(18-2),1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想 运算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理；4.理解电压比较器的工作原理和应用。,本章要求,第16章 集成运算放大器,(18-3),16.1集成运算放大器简介,将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。,集成电路:,优点:,工作稳定、使用方

2、便、体积小、重量轻、功耗小。,分类:,模拟集成电路、数字集成电路,小、中、大、超大规模集成电路,INTEGRATED CIRCUITS,(18-4),集成电路内部结构的特点,1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3、几十PF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4、二极管一般用三极管的发射结构成。,IC,(18-5),各类型号集成芯片,(18-6),集成运放的基本结构,输入级,中间级,输出级,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,T3,T4,T

3、5,T1,T2,基本原理框图,(18-7),尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗 ri尽可能大。,(18-8),足够大的电压放大倍数,(18-9),主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗 ro小。,(18-10),ri 高:几十k M,运放的特点：,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,A o 很大:104以上 107,理想运放：,ri,KCMRR,ro 0,Ao,运放符号：,运放的特点和符号,(18-11),运算放大器的传输特性,uo,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。,(18-12),集成运算放大器的管脚和符号,反相输入端,同相输入端,

4、信号传输方向,输出端,实际运放开环电压放大倍数,(a),(b),(a)符号;,(b)引脚,(18-13),主要参数,1.最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2.开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6.共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3.输入失调电压 UIO 4.输入失调电流 IIO 5.输入偏置电流 IIB,(18-14),16.2 运算放大器在信号运算方面的运用,集成运算放大器与外部

5、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。,(18-15),运放线性运用,放大倍数与负载无关，可以分开分析。,(18-16),16.2.1 比例运算,1.反相比例运算,(1)电路组成,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

6、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,(18-17),(5)电压并联负反馈，输入、输出电阻低，ri=R1。共模输入电压低。,结论：,(1)Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加在反相输入端。,(2)Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。,(3)|Auf|可大于 1，也可等于 1 或小于 1。,(4)因u=u+=0，所以反相输入端“虚地”。,(18-18),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

7、,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,uO,(18-19),2.同相比例运算,因虚断，所以u+=ui,(1)电路组成,(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,(18-20),(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。,结论：,(1)Auf 为正值，

8、即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加在同相输入端。,(2)Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。,(3)Auf 1，不能小于 1。,(4)u=u+0,反相输入端不存在“虚地”现象。,(18-21),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。,例：,(18-22),负载电流的大小与负载无关。,例2:负载浮地的电压-电流的转换电路,(1)能测量较小的电压

9、；(2)输入电阻高，对被 测电路影响小。,流过电流表的电流,iL,i1,(18-23),16.2.2 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,(18-24),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,(18-25),方法2：,平衡电阻：Ri1/Ri2=R1/RF,u+,u+=?,也可写出 u和 u+的表达式，利用 u=u+的性质求解。,(18-26),16.2.3 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

10、，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,(18-27),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+,(18-28),16.2.4 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,(18-29),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

11、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,(18-30),将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。,(18-31),16.2.5 微分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1=if,Ui,Ui,(18-32),比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快

12、的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,if,(18-33),16.3.3 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。,16.3 运放在信号处理方面的应用,(18-34),理想运放工作在饱和区的特点：,1.输出只有两种可能+Uo(sat)或Uo(sat)当 u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat)不存在“虚短”现

13、象 2.i+=i 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性,(18-35),电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),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=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat),即 uiUR 时，uo=Uo(sat),可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,(18-36),单限电压比较器：当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。,(18-37),ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat),输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,(18-38),输

14、入信号接在反相端,输入信号接在同相端,(18-39),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=Uo(sat),(18-40),过零电压比较器,利用电压比较器将正弦波变为方波,(18-41),2.滞回比较器,上门限电压,下门限电压,电路中引入正反馈(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生 在同一门限电压上。,当 uo=+Uo(sat)，则,当 uo=Uo(sat)，则,门限电压受输出电压的控制,R2,(18-42),上门限电压 U+：ui 逐渐增加时的门限电压,下门限电压U+：ui 逐渐减小时的门

15、限电压,两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器,(18-43),根据叠加原理，有,改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。,当参考电压UR不等于零时,(18-44),定义：回差电压,与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰 能力越强。,结论：1.调节RF 或R2 可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影响回差 电压U。,电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。,(18-45),解：对图（1）上门限电压,下门限电压,例：电路如图所示，Uo(sat)=6V，UR=5V，

16、RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,(18-46),解：对图（2）,例：电路如图所示，Uo(sat)=6V，UR=5V，RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,(18-47),（1）,（2）,(18-48),例1：图中所示为运放组成的过温保护电路，R 是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA 是继电器，温度升高，超过规定值，KA 动作，自动切断电源。分析其工作原理。,温度 超过 规定值，ui UR，uo=+UOM，T 导通。KA 动作，切断电源。,温度未超过规定值，Ui UR，uo=UOM，T 截止。KA 不动作。,(18-49),电压传输特性,UO(sat),UO(sat),例2:电路如图所示,ui 是一正弦电压,画出 uo 的波形。,UO(sat),UO(sat),解:运放为同相输入过零电压 比较器,UO(sat),UO(sat),各电压波形如右图所示。,