集成运算放大器及其应用电路(已修改).ppt

第六章 集成运算放大器及其应用电路集成运算放大器及其应用电路 6.3 6.3 集成电压比较器集成电压比较器 6.2 6.2 集成有源滤波器集成有源滤波器 6.1 6.1 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理 6.1 6.1 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理 根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电 路分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。 q 线性应用电路 Z1或Zf采用非线性器件（如三极管），则可构成对 数、反对数、乘法、除法等运算电路。 Z1或Zf采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积 分、微分等运算电路。 组成：集成运放外加深度负反馈。 因负反馈作用，使运放小信号 工作，故运放处于线性状态。 - + A Z1 Zf vovs1 vs2 i q 非线性应用电路 组成特点：运放开环工作。 由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压 就可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。 6.1.1 6.1.1 集成运放理想化条件下两条重要法则集成运放理想化条件下两条重要法则 理 想 运 放 失调和漂移0 推论 因 则 因 则 - + A vovI VREF 关于虚短、虚断的说明：关于虚短、虚断的说明： 相当于运放两输入端“虚短路”。 虚短路不能理解为两输入端短接，只是(v-v+)的值 小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这 个极其微小的差值进行电压放大的。 同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入 电流小到了可以忽略不计的程度。 相当于运放两输入端“虚断路”。 实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、 虚断”运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出只与外部反 馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。 q 集成运放基本应用电路 反相放大器反相放大器 - + A R1 Rf + - vs vo if i1 （反馈类型：电压并联负反馈）（反馈类型：电压并联负反馈） 因 则 反相输入端“虚地”。 因则 由图 输出电压表达式： 输入电阻： 输出电阻 因 因深度电压负反馈 ， 同相放大器 类型：电压串联负反馈 因 则 注：同相放大器不存在“虚地” 。 因 由图 输出电压表达式： 输入电阻 输出电阻因深度电压负反馈 ， 因 则 - + A R1 Rf + - vs vo if i1 同相跟随器 - + A + - vs vo 由图得 因 由于 所以，同相跟随器性能优于射随器。 q 归纳与推广 当R1 、Rf为线性电抗元件时，在复频域内： 反相放大器 同相放大器 拉氏反变换 得 注：拉氏反变换时 6.1.2 6.1.2 运算电路运算电路 qq 加、减运算电路加、减运算电路 反相加法器 - + A R2 Rf + - vs2 vo if i2 R1 i1 + - vs1 因 则 因则 即整理得 说明：线性电路除可以采用“虚短、虚断”概念外，还可 采 用叠加原理进行分析。 令vs2=0则 令vs1=0则 例如 同相加法器 - + A R2 Rf + - vs1 vo R1 + - vs2 R3 利用叠加原理： 则 减法器 Rf - + A R3 vs1 vo R2 vs2 R1 令vs2=0， 则 令vs1=0， qq 积分和微分电路积分和微分电路 有源积分器 - + A R C + - vs vo 方法一：利用运算法则 则 方法二：利用拉氏变换 拉氏反变换得： 有源微分器 利用拉氏变换： 拉氏反变换得 - + A R C + - vs vo 波形变换 t vs 0 输入方波 积分输出三角波 vo t 0 微分输出尖脉冲 t vo 0 qq 对数、反对数变换器对数、反对数变换器 对数变换器 - + A R + - vs vo 利用运算法得： 由于 整理得 缺点： vo受温度影响大、动态范围小。 vs必须大于0。 反对数变换器 利用运算法则得由于 整理得 缺点：vo受温度影响大。vs必须小于0。 - + A R + - vs vo T qq 乘、除法器乘、除法器 vo1- + A1 vX RX iX R1 iX T1 vo2 - + A2 vY RY iY R2 iY T2 - + A4 T4 iO vO R4iO - + A3R3 vo3 T3 vZ RZ iZ iZ 因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环， 则 分析方法一： 由图 整理得 （实现乘、除运算） 分析方法二： vo1- + A1 vX RX iX R1 iX T1 vo2 - + A2 vY RY iY R2 iY T2 - + A4 T4 iO vO R4iO - + A3R3 vo3 T3 vZ RZ iZ iZ A1、A2、A3对数放大器 A4反对数放大器 6.1.3 6.1.3 仪器放大器仪器放大器 仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。 特点：KCMR很高、 Ri 很大， Av 在很大范围内可调。 q 三运放仪器放大器 由得 由 得 由减法器A3得： 若R1 = R2 =R、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得 vI1 + - A1 R1 - + A2 RG vo1 vO vI2 - + A3 R2 R3R4 R5R6 iG vo2 6.1.46.1.4 精密整流电路精密整流电路 qq 精密半波整流电路精密半波整流电路 利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构 成对微小幅值电压进行整流的电路。成对微小幅值电压进行整流的电路。 vo - + A vI R1 vo R2 RL + - D1 D2 vI =0时时 vO =0 D1、D2 vO=0 vI 0时时 vO 0 D1、D2 vO= -(R2 / R1)vI 工作原理工作原理： vO vI -R2 / R1 传输特性传输特性 vI t vO t vI R2 R1 - 输入正弦波输入正弦波 输出半波输出半波 精密转折点电路 vo - + A VR R1 vo R2 RL + - D1 D2 R3 vI 由图，由图， vO 0 D1、D2 传输特性传输特性 vO vI -R2 / R3 VR R3 R1 - vO -(R3 / R1)VR 时时： 即 vI 11，在，在f=ff=f o o 处的电压增益处的电压增益 将大于将大于 A A o o ，幅频特性在，幅频特性在f=ff=f o o 处处 将抬高。将抬高。 高通有源滤波器高通有源滤波器 R R1 RF C + - + 高通高通 传递函数传递函数 1.1.一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器 幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线 幅频特性： 0 1+RF/R1 0.707(1+RF/R1) 0 传递函数传递函数 R R1 RF C + - + 高通高通 2. 2. 二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器 由此绘出频率响应特性曲线由此绘出频率响应特性曲线 (1)(1)通带增益通带增益 (2)(2)频率响应频率响应其中其中：， 结论：当结论：当f f v - 时， vo=Vomax（正饱和值） v + VREF 时， vo=Vomin vI = VREF 时，逻辑状态转换 理想特性 vI vo VRE F Vomax Vomin 0 实际比较特性 实际特性 vI VREF -Vomin /Avd 时， vo=Vomin 注：Avd 越大，比较特性越接近理想特性， VREF作为门限值 的比较精度越高。 6.4.1 6.4.1 具有不同比较特性的电压比较器具有不同比较特性的电压比较器 q 单限电压比较器 特点：运放开环工作。 过零比较器 - + A vo vI + - R1 D1 D2 R R （VREF =0） R1限流电阻，与D1、D2共同构成电 平变换电路。 VOH = VZ + VD(on) VOL= -( VZ + VD(on) ) vI vo VOH VOL 0 比较特性 t vO 0 t vI 0 单限比较器 - + A vo vI + - R3 D1 D2 R1/R2 VREF R1 R2 i1 i2 分析方法： 1）令v-= v+求出的输入电压vI 即门限电平。 2）分别分析vI大于门限、小于门限时的输出vO电平。 令得门限电平 即v+ v-若则vO = VOH 比较特性 vI vo VOH VOL VREF R2 R1 - 单限比较器优、缺点： 优点：电路结构简单，可不计有限KCMR的影响。 缺点：电路抗干扰能力差。 例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰 信号时，输出会出现误操作。 t vO 0 vI t 0 q 迟滞比较器（施密特触发器） - + A vo vI + - R3 D1 D2 R VREF R1 R2 特点特点 正反馈电路。正反馈电路。 具有双门限。具有双门限。 令 得门限电平： 反相输入迟滞比较器 迟滞宽度： vI vo VOH 0 比较特性 VOL VILVIH 同相输入迟滞比较器 - + A vo vI + - R3 D1 D2 R VREF R1 R2 令 得门限电平： 迟滞宽度： vI vo VOH 0 比较特性 VOL VILVIH 将反相迟滞比较器中的vI与 VREF交换，即得同相输入迟滞 比较器。 q 迟滞比较器优点： 电路抗干扰能力强。 例：反相输入迟滞比较器的比较特性如图示， 在已知输入信号时，试画输出信号波形。 vI (V) vo(V) 0 比较特性 7 -7 -66 vI (V) t 0 10 -10 6 - 6 t vO (V) 0 7 -7 q 窗孔比较器 - + A1 vID1 D2 R/2 VREF2 R R/4 - + A2 R -VREF1 R R vO R vO1 具有两个基准电源，可以判断位于两 个指定门限之间的输入信号。 特点： 组成：A1精密整流电路，A2单限比较器 对A2令 当