集成运算放大器及其应用.ppt

第四章 集成运算放大器 及其应用,1 集成运算放大器,集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数，高输入电阻，低输出电阻的多级直接耦合放大电路。,1 集成运算放大器的特点,集成运算放大器的特点与其制造工艺有关，主要有以下几点：,（1）在集成电路工艺中还难于制造电感线圈；制造容量大于200pF的电容器也比较困难，而且性能很不稳定，所以在集成电路中要尽量避免使用电容器。而运算放大器各级之间都采用直接耦合方式，基本上不采用电容元件，因此适合于集成化的要求。必须使用电容器的场合，也大多采用外接方式。,（2）运算放大器的输入级都采用差动放大电路，它要求两管的性能应该相同。而集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺制作在同一硅片上的，容易获得特性相近的差动对管。又由于管子在同一硅片上，温度性能基本保持一致，因此，容易制成温度漂移很小的运算放大器。,（3）在集成电路中，比较合适的阻值大致为10030k 。制作高阻值的电阻成本高，占用面积大，且阻值偏差大（10%20%）。因此，在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。必须用直流高阻值电阻时，也常采用外接方式。,（4）在集成电路中，二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极适当组配使用。,2 集成运算放大器的电路组成,输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。输入级都采用差动放大电路，它有同相和反相两个输入端。 中间级主要进行电压放大，要求它的电压放大倍数高，一般由共发射极放大电路构成。 输出级与负载相接，要求其输出电阻低，带负载能力强，能够输出足够大的电压和电流，一般由互补对称电路或射级输出器构成。 偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。,集成运放是通过其各个管脚与外电路相联的， 以F007为例：其中RP为外接调零电位器，8为空脚。,3 主要参数,（1）差模开环电压放大倍数Auo ：指运放本身（没加反馈回路）的差模电压放大倍数， Ado很高，一般约为104107，即80140dB。,（3）共模开环电压放大倍数Aco ：指运放本身（没加反馈回路）的共模电压放大倍数， 它反映运放抗温漂、抗共模干扰能力的大小。理想的运放，Aco应接近于0。,（2）差模输入电阻rid ：指差模信号作用下，运放的输入电阻。,（4）共模抑制比KCMRR：用来综合衡量运放的放大和抗温漂、抗共模干扰的能力。一般应大于80dB。,4 理想运算放大器,在分析运算放大器时，一般可将其看成是一个理想运算放大器。理想化的条件是：,差模开环电压放大倍数：Auo,差模输入电阻：rid,开环输出电阻：ro0,共模抑制比：KCMRR ,理想运算放大器 的图形符号,在线性区：,这时运算放大器是一个线性放大元件。由于Auo很高，所以只有在ui很小时，运算放大器才能工作于线性区；另外，由于干扰，这时工作很难稳定。为了使运算放大器工作于线性区，就必须引入深度负反馈。,运算放大器可通过其电压传输特性进行分析，传输特性分一个线性区和两个饱和区。,（1）由于rid，所以可以认为两个输入端的输入电流为0。这时两个输入端没有断开，但像断开一样，所以称为“虚断”。,运算放大器工作于线性区时，分析依据有两条：,（2）由于Auo，而uo是一个有限值，依据,如果反向输入端没有接地，但同向输入端接地，即,这时反向输入端没有接地，但像接地一样，所以称为“虚短”。,在饱和区：输出电压只有两种可能。,UOM为运放的最大输出电压，接近但小于电源电压。,例,F007运放的正、负电源电压为15V，差模开环电压放大倍数为Auo=2105，输出最大电压为13V。若在其输入端加以下电压，求输出电压及其极性：,（1）,（4）,（3）,（2）,解,确定线性放大区,（4）,（3）,（1）,（2）,2 放大电路中的负反馈,1 什么是放大电路中的负反馈,放大电路中反馈即将输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过反馈回路引回到输入端。 若引回的反馈信号削弱输入信号而使放大电路的放大倍数降低，则称这种反馈为负反馈。 若引回的反馈信号增强输入信号而使放大电路的放大倍数升高，则称这种反馈为正反馈。,无负反馈的放大电路， 仅包含基本放大电路A， A可以是单级的或多级的。,带负反馈的放大电路， 不仅包含基本放大电路A，还包含反馈电路F， F多数由电阻元件组成。,：输入信号,：输出信号,：反馈信号,：差值信号或净输入信号,（三者同相位）,反馈信号削弱了净输入信号，所以为负反馈。,注意： 这里的各信号 可以是电压 也可以是电流,2 负反馈的类型（通过两个具体的放大电路讨论）,2.1 接有发射极电阻的放大电路,这个电路是？电路,RE是反馈电阻,在直流通路中： RE起自动稳定静态工作点的作用。,温度,IC,VE=REIEREIC,UBE=VB -VE,IB,IC,通过RE实现了直流负反馈。,用瞬时极性法判断正负反馈？,+,+,-,+,又因为三者同相位,反馈信号削弱了净输入信号，所以为负反馈。,用瞬时极性法判断正负反馈？,+,+,-,+,从放大电路的输入端看：反馈电压与输入电压串联，所以为串联反馈。,从放大电路的输出端看：,反馈电压取自输出电流，所以为电流反馈。电流反馈具有稳定输出电流的作用。,串联电流负反馈。,+,+,-,+,Ube,Ib,Uf,Ic,Ic,RF是反馈电阻,2.2 在集电极与基极间接有电阻的放大电路,在直流通路中： RF起自动稳定静态工作点的作用。,ICC,VC,IB,IC,通过RF实现了直流负反馈。,RF是反馈电阻,温度,IC,+,+,-,+,用瞬时极性法判断正负反馈？,又因为三者同相位,反馈信号削弱了净输入信号，所以为负反馈。,+,+,-,+,用瞬时极性法判断正负反馈？,从放大电路的输入端看：反馈电流与输入电流并联，所以为并联反馈。,从放大电路的输出端看：,反馈电流取自输出电压，所以为电压反馈。 电压反馈具有稳定输出电压的作用。,并联电压负反馈。,Ib,Ic,If,Uo,Uo,反馈类型,正反馈,负反馈,直流负反馈（稳定静态工作点）,交流负反馈,串联反馈：反馈信号在输入端总是以电压形式出现。,并联反馈：反馈信号在输入端总是以电流形式出现。,电压反馈：反馈信号与输出电压成正比，有稳定输出电压的作用。,电流反馈：反馈信号与输出电流成正比，有稳定输出电流的作用。,3 负反馈对放大电路工作性能的影响,3.1 降低放大倍数,基本放大电路A的放大倍数，即开环放大倍数为,反馈系数为,整个放大电路的放大倍数，即闭环放大倍数为,例：分析下图所示分压式偏置放大电路的放大倍数？,若放大电路没接RE1，放大倍数？,若放大电路没接RE1，放大倍数？,所以接了RE1， 放大倍数下降。,若将CE断开， 放大倍数还要下降。,3.2 提高放大倍数的稳定性,当外界因素变化（如温度变化，管子老化，电源电压波动等）时，即使输入信号一定，仍将引起输出信号的变化，也就是引起放大倍数的变化。如果这种变化较小，说明放大倍数的稳定性好。,根据, AF是正实数,引入负反馈后，放大倍数的相对变化变小，所以其稳定性提高了。,根据,反馈深度越深，放大倍数越稳定。,若,则,在深度负反馈的情况下，Af仅与反馈电路的参数有关，基本不受外界因素变化的影响，这时放大倍数非常稳定。,3.3 改善波形失真,以串联电流负反馈为例,负反馈是利用失真的波形去改善波形的失真，因此只能减小失真，但不能完全消除失真。,3.4 对放大电路输入电阻的影响,串联反馈将使输入电阻增大。,放大电路引入负反馈后将使输入电阻增大或减小，与是串联反馈还是并联反馈有关。,并联反馈将使输入电阻减小。,电压反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出的特性，而恒压源的内阻很小，所以电压反馈将使输出电阻减小；,电流反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出的特性，而恒流源的内阻很大，所以电流反馈将使输出电阻增大。,3.5 对放大电路输出电阻的影响,放大电路引入负反馈后将使输出电阻增大或减小，与是电压反馈还是电流反馈有关。,4 运算放大器电路中的负反馈,由于运算放大器的Ado很高，所以只有在ui很小时，运算放大器才能工作于线性区；另外，由于干扰，工作很难稳定。为了使运算放大器工作于线性区，就必须引入深度负反馈。,运算放大器的交流负反馈类型,4.1 并联电压负反馈,+,-,RF为反馈电阻,反馈信号削弱了净输入信号，所以为负反馈。,用瞬时极性法判断正负反馈？,该运算放大器为并联电压负反馈。输入电阻低，输出电阻低。,4.2 串联电压负反馈,+,RF和R1为反馈电阻,用瞬时极性法判断正负反馈？,反馈信号削弱了净输入信号，所以为负反馈，且为串联电压负反馈。输入电阻高，输出电阻低。,+,4.3 串联电流负反馈,用瞬时极性法判断正负反馈？,反馈信号削弱了净输入信号，所以为负反馈，且为串联电流负反馈。输入电阻高，输出电阻高。,+,+,RF为反馈电阻,4.4 并联电流负反馈,用瞬时极性法判断正负反馈？,RF和R为反馈电阻,+,-,所以为并联电流负反馈， 输入电阻低，输出电阻高。,3 运算放大器在信号运算方面的应用,运算放大器在引入深度负反馈之后，能完成比例、加减、积分与微分等运算。,1 反相比例运算,这里uo与ui成反相比例关系。,成为反相器。,这里R2是平衡电阻。,2 同相比例运算,这里uo与ui成同相比例关系。,成为电压跟随器。,3 加法运算,实现了加法运算,调制解调器的类型比较多，有振幅键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。当波特率小于300时，一般采用频移键控（FSK）调制方式，或者称为两态调频。它的基本原理是把“0”和“1”的两种数字信号分别调制成不同频率的两个音频信号。 两个不同频率的模拟信号f1和f2，分别经过电子开关S1和S2送到运算放大器输入端的相加点。电子开关的通/断由外部控制，并且当加高电平时，接通；加低电平时，断开。利用被传输的数字信号（即数据）去控制开关。当数字信号为“1”时，使电子开关S1接通，送出一串频率较高的模拟信号f1 ；当数字信号为“0”时，使电子开关S2接通，送出一串频率较低的模拟信号f2 。于是这两个不同频率的信号经运算放大器相加后，在运算放大器的输出端，就得到了调制后的两种频率的音频信号。,例,4 减法运算,ui1单独作用时,ui2单独作用时,ui1、ui2共同作用时,实现了减法运算,由叠加原理分析,实现了积分运算,5 积分运算,若ui为阶跃电压,6 微分运算,实现了微分运算,7 比例积分放大器（PI调节器）,8 比例微分放大器（PD调节器）,4 运算放大器在信号处理方面的应用,1 有源滤波器,滤波器是一种选频电路。它能选出有用信号，而抑制无用信号。,无源滤波器（比如，在直流稳压电源中的RC滤波电路等，它主要是滤掉直流量中的交流成分。其带负载能力差，对输入没有放大作用。） 有源滤波器（由RC滤波电路和运放组成，它主要是滤掉一系列频率中，某段频率的信号。其带负载能力强，对输入信号有放大能力。）,滤波器,无源滤波器,有源滤波器,低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器,1.1 低通滤波器 （放大低频信号，抑制高频信号）,一阶,二阶,为了改善波形效果，使高频信号衰减得快些，将两节RC电路串接起来，称为二阶有源低通滤波器。,1.2 高通滤波器 （放大高频信号，抑制低频信号）,1.3 带通滤波器 （放大某段频率信号，抑制频段以外信号）,注意： 使低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率。,1.4 带阻滤波器 （抑制某段频率信号，放大频段以外信号）,注意： 使高通滤波器的截止频率大于低通滤波器的截止频率。,从应用理论的角度来看，数字滤波器可分为两大类：经典滤波器和现代滤波器。经典滤波器是假定输入信号中的有用频率成分和希望去除的频率成分各占有不同的频带。经典滤波器又可以分为四种，即低通（LP）滤波器、高通（HP）滤波器、带通（BP）滤波器和带阻（BS）滤波器。低通滤波器使截止频率以下的所有信号通过，截止频率以上的信号给予很大的衰减，阻止其通过；高通滤波器使截止频率以上的信号通过，阻止截止频率以下的信号通过；带通滤波器使某一频带内的信号通过，而对于这个频带范围以外的信号则给予很大的衰减；抑制某一频带内的信号，同时让这一频带以外的其他信号通过，这样的滤波器称为带阻滤波器。带通滤波器与带阻滤波器中有两个截止频率，分别称为上截止频率和下截止频率。 如果信号和噪声的频谱相互重叠，那么就需要使用现代滤波器。现代滤波器主要研究如何从含有噪声的数据记录（又称时间序列）中估计出信号的某些特征或信号本身。通常估计信号的信噪比将会高于原始信号。现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用他们的统计特征（如，自相关函数、功率谱等）导出一套最佳的估值算法，然后予以实现。魏纳（Wiener）滤波是一种最基本而常用的现代滤波方法，这种滤波器以最小均方误差作为最优标准，通过分析输入随机信号和噪声的自相关性，利用傅立叶变换得到原始信号的最优估计。,2 采样保持电路(这部分内容可以不讲),随着数字化技术的发展，很多地方都需要将模拟量转化为数字量，这时就需要采样保持电路。,当控制信号为高电平时， S闭合，电路处于采样阶段， ui对C充电，所以,uo= uC= ui,当控制信号为低电平时， S打开，电路处于保持阶段， 因C无放电回路，所以uo=uC保持不变。,（1）,运放接成电压跟随器, uo= uC,（2）S为模拟开关：,控制信号,3 电压比较器,电压比较器是用来比较输入电压和参考电压，将二者的相对大小在输出端以数字信号（即高低电平）表示。,3.1 开环电压比较器,（1）uR是参考电压 （可加在同相输入端，也可加在反相输入端。）,（2）运放工作于饱和区 （由于运放的开环电压放大倍数很高，即使输入端有很小的差值电压，也会使输出电压饱和。）,当uR=0时， 称为过零比较器。,当uR=0时， 称为过零比较器。,当ui为正弦波时， 通过过零比较器。 可使uo为矩形波形。,3.2 滞回电压 比较器,开环电压比较器的缺点是抗干扰能力差，这是因为运放的开环电压放大倍数很高，如果输入信号在转换点附近有微小波动，输出电压就会在正负值之间上下跃变；若有干扰信号串入，比较器也容易误反转。而滞回比较器，由于引入正反馈，可以克服开环电压比较器的缺点。,（1）DZ是双向稳压管，起双向限幅作用，即使,（2） RF实现正反馈。,（1）当ui由负增大时， uo在+UR处发生反转。,+UR称上门限电压,-UR称下门限电压,U=（+UR）-（-UR）称回差,由于回差的存在，使其抗干扰能力强。,（2）当ui由正减小时， uo在-UR处发生反转。,特点：,5 运算放大器在信号测量方面的应用,1 信号检测、转换电路,在生产和自动控制过程中，常需要对一些非电量进行测量或控制，这时就需要通过传感器将非电量转换成电信号，再通过放大，然后进行测量或控制。,在测量电桥中， Rx可以是热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻或气敏电阻等，分别用来反映温度、亮度、湿度或气体成分等非电量。当这些非电量变化时， Rx也跟着变化，电桥就要输出不平衡电压。这个不平衡很小，其中又含有较大的共模分量，因此适合采用集成运放进行放大。,uo反映了被测非电量的变化,2 仪用放大电路,由三运放组成的仪用放大器应用非常广，它不仅有较大的放大倍数；由于A1、A2对称，可以进一步抑制零点漂移。,如果R2=R3 ，则R1的中点是地电位。,令R4=R5 ， R6=R7,一个放大电路应该在输入端有信号的情况下，输出端才有信号输出；如果在输入端没有信号的情况下，输出端也有信号输出，则称放大电路产生了自激振荡。自激振荡是通过引入适当的正反馈而产生的。,6 正弦波振荡器,1 自激振荡,A为基本放大电路； F为正反馈电路； 使uf=ui ，则uf就可以代替ui ，而使uo保持不变； 这时放大电路产生了自激振荡。,基本放大电路A的放大倍数，即开环放大倍数为,反馈系数为,自激振荡条件为,（1）相位条件： uf与ui同相位，所以必须是正反馈。,（2）幅值条件： uf