集成运算放大器及其基本应用.ppt

集成运算放大器及其基本应用,第 2 章,小结,2.1 放大的概念及相关性能指标,2.2 集成运算放大电路概念与性质,2.3 基本运算电路,2.4 电压比较器,运算放大器的两个工作区域（状态）,1. 运放的电压传输特性：,设：电源电压VCC=10V。 运放的AVO=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,AVO越大，线性区越小， 当AVO时，线性区0,2.2一般问题,2.理想运算放大器：,开环电压放大倍数 AV0= 差摸输入电阻 Rid= 输出电阻 R0=0,为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：,理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！,运放工作在线性区的分析方法： 虚短（U+=U-） 虚断（ii+=ii-=0）,3. 线性区,4. 非线性区（正、负饱和输出状态）,运放工作在非线性区的条件： 电路中开环工作或引入正反馈！,运放工作在非线性区的分析方法在电压比较器一节讨论,2.3 基本运算电路,2.3.1 比例运算,2.3.2 加法与减法运算,2.3.3 微分与积分运算,2.3.4 基本运算电路应用举例,2.3.1 比例运算,一、反相比例运算,运算放大器在线性应用 时同时存在虚短和虚断,虚断,虚地,为使两输入端对地直流电阻相等：,R2 = R1 / R f,平衡电阻,特点：,1.为深度电压并联负反馈，,Auf = Rf / R 1,2. 输入电阻较小,Rif = R1,3. uIC = 0，对 KCMR 的要求低,u+ = u- = 0,虚地,二、同相比例运算,Auf = 1,跟随器,当 R1 = ，Rf = 0 时，,特点：,1. 为深度电压串联负反馈，,Auf = 1 + Rf /R1,2. 输入电阻大,Rif = ,此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,2.3.2 加法与减法运算,一、加法运算,1. 反相加法运算,R3 = R1 / R2 / Rf,iF i1 + i2,若 Rf = R1= R2,则 uO = (uI1+ uI2),R2 / R3 / R4 = R1/ Rf,若 R2 = R3 = R4 ，,则 uO = uI1+ uI2,Rf = 2R1,2. 同相加法运算,u+ 与 ui1 和 ui2 的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,法 1：利用叠加定理,uI2 = 0,uI1 使：,uI1 = 0,uI2 使：,一般,R1 = R1； Rf = Rf,uO = uO1 + uO2,= Rf / R1( uI2 uI1 ),法 2：利用虚短、虚断,uo = Rf /R1( uI2 uI1 ),减法运算实际是差分电路,二、减法运算,2.3.3 微分与积分运算,R2 = Rf,虚地,虚断,RfC1 = , 时间常数,微分电路输出电压:,一、微分运算,二、积分运算,=,当 uI = UI 时，,设 uC(0) = 0,时间常数 = R1Cf,积分电路输出电压：,2.3.4 基本运算电路应用举例,例 2.3.1 测量放大器(仪用放大器),同相输入,同相输入,差分输入,uo1,uo2,对共模信号：,uO1 = uO2 则 uO = 0,对差模信号：,R1 中点为交流地,为保证测量精度 需元件对称性好,u+ = u- = us,io = i1 = us / R1,1. 输出电流与负载大小无关,2. 恒压源转换成为恒流源,特点：,例 2.3.2 电压电流转换器,例 2.3.3 利用积分电路将方波变成三角波,10 k,10 nF,时间常数 = R1Cf,= 0.1 ms,设 uC(0) = 0,= 5 V,= 5 V,例 2.3.4 差分运算电路的设计,条件：,Rf = 10 k,要求：,uo = uI1 2uI2,R1 = 5 k,R2 = 2R3,= 5/10,R2= 10 k,R3= 5 k,如何求同相输入端的电位？,例 2.3.5 开关延迟电路,当 uO 6 V 时 S 闭合，, 3 V, 3 V,例：设计一个加减运算电路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1) 画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,(2) 求各电阻值。,uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,例：求Au =?,i1= i2,虚短路,虚开路,虚开路,该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。,例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。,uo = 0.5ui+2.5 V,uo =0.5ui +2.5 V,=0.5 (ui +5) V,例：由三运放放大器组成的温度测量电路。,Rt ：热敏电阻,集成化:仪表放大器,Rt=f (TC),课堂练习,其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，将在后续章节讲授。,积分电路的主要用途：,1. 在电子开关中用于延迟。 2. 波形变换。例：将方波变为三角波。 3. A/D转换中，将电压量变为时间量。 4. 移相。,运算电路要求,1. 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。 2. 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。 3. 会用 “虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u) ”分析给定运算电路的 放大倍数。,2.4 理想运放组成的 电压比较器,2.4.0 限幅器,2.4.1电压比较器,2.4.0 限幅器,运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件稳压二极管。,R：限流电阻。一般取100 。,DZ双向稳压管,另一种形式的限幅器：双向稳压管接于负反馈回路上。,当 时，在双向稳压管的作用下，,当 时，双向稳压管不通，运放工作在 线性状态。,传输特性,2.4.1 电压比较器(Comparer),一、单限电压比较器,功能：,类型,基本比较器,简单比较器(单门限),窗口比较器(双门限),迟滞比较器(施密特触发器),比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小,1. 过零电压比较器,uI 0,uI 0,UOmax,-UOmax,UOH,UOL,例：利用电压比较器将正弦波变为方波。,电路改进：用稳压管稳定输出电压。,比较器的特点,1. 电路简单。,2. 当Ao不够大时， 输出边沿不陡。,3. 容易引入干扰。,2. 同相输入单门限比较器,UZ,UZ,uI UREF,-UZ,uI UREF,门限 电压 UT,特点:,1)工作在非线性区,2)不存在虚短 (除了uI = UREF 时),3)存在虚断,门限电压 UT = UREF,二、窗口比较器,uO,uO1,uO2,设 U1 U2 ，比较器采用单电源,UOmax,截止 导通,UZ,0,UOmax,0,导通 截止,UZ,0,0,截止 截止,0,UZ,U1,U2,应用举例, 三极管 值分选电路,3CG,50 100，LED 不亮。,分析电路是否满足要求： 100，LED 亮，,解,IB = (15 - 0.7 ) /1430,= 0.01 mA,当 50 时，IC 0.5 mA，UC 2.5 V, D2 导通，LED 亮,当 100 时，IC 1 mA，UC 5 V D1 导通，LED 亮,当 50 100 时，2.5 V UC 5 V， LED 不亮,(一)、下行迟滞比较器,分析,1. 因为有正反馈，所以输出饱和。,2. 当uo正饱和时(uo =+UOM) ：,U+,3. 当uo负饱和时(uo =UOM) ：,三 迟滞比较器,特点：电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。,1. 没加参考电压的下行迟滞比较器,分别称UH和UL上下门限电压。称(UH - UL)为回差。,当ui 增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；,当ui 减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom 。,传输特性：,小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。,例：下行迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。,2. 加上参考电压后的下行迟滞比较器,加上参考电压后的上下限：,下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较:,例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。,首先计算上下门限电压：,根据传输特性画输出波形图。,u+=0 时翻转，可以求出上下门限电压。,(二)、上行迟滞比较器,当u+ u- =0 时, uo= +UOM 当u+ u- =0时, uo= -UOM,1. 没加参考电压的上行迟滞比较器,上下门限电压：,上下门限电压：,当uo= +UOM时：,当uo= -UOM时：,2. 加上参考电压后的上行迟滞比较器,传输特性：,1)电路和门限电压,(四)、迟滞(滞回)比较器(改进),1. 反相型迟滞比较器,正反馈,当 uI uP 时， uO = -UZ,当 uI uP 时， uO = +UZ,当 uI = uP 时， 状态翻转,例：R1 = 30 k，R2 =15 k, UZ = 6 V, UREF = 0, 求 UT。,特点：,2)传输特性,uO,UT+,UT-,UZ,-UZ,当 uI 逐渐增大时,只要 uI UT+ ，则 uO = UZ,一旦 uI UT+ ，则 uO = -UZ,当 uI 逐渐减小时,只要 uI U T- ，则 uO = -UZ,一旦 uI UT- ，则 uO = UZ,上门限,下门限,U = UT+ - UT-,回差 电压,uI 上升时与上门限比,uI 下降时与下门限比。,2. 同相型迟滞比较器,状态翻转时，uP = uN = UREF,若 UREF = 0,传输特性,U = UT+ - UT-,抗 干 扰,单门限比较,UT,迟滞比较,UT-,UT+,uO,整 形,例2.4.1 方波产生电路(Astable Multivibrator),1. 电路组成和输出波形,积分 电路,滞回比较器,2. 振荡频率,占空比 = 50%,例2.4.2 压控方波产生电路,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡器,压控 恒流源,压控 恒流源,积分器,积分器,镜象 电流源,镜象 电流源,uO = UOL,V3 截止，,uO = UOH,C 充电至 UT+,V3 导通，,C 放电至 UT