电工学秦增煌第七版16章.ppt

,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,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,16.4 运算放大器在波形产生方面的应用,第16章 集成运算放大器,本章要求: 1.了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的意义； 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.掌握用运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的分析； 4.理解电压比较器的工作原理和应用。,第16章 集成运算放大器,end,集成电路:它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件,优 点：工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合,16.1 集成运算放大器的简单介绍,16.1.1 集成运算放大器的特点,集成电路中元器件的特点,1. 单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致,元器件相互离得很近,温度特性较一致,3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造,4.电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容不易制造,集成电路的封装,集成运算放大器,=,具有高电压增益的直接耦合多级放大电路,反相输入端,同相输入端,输出端,输入级：多采用差动放大电路，以抑制零漂、提供两个输入端。,中间级：多采用共射放大电路，以提供高电压放大倍数。,输出级：多采用功率放大电路，以输出一定的功率。,偏置电路：多采用镜像恒流源电路。,+U,-U,注意：实际运放在使用时必须外加电源,为什么要加正负电源？,16.1.2 电路的简单说明,F007集成运算放大器结构简介,F007的简化电路结构,复合管构成高Au的中间级,输入级为改进型差动放大电路,互补对称功放输出级,保护管,16.1.3 主要参数,开环电压放大倍数Au0,运放开环时输出电压与输入差模电压之比,一般运放可达80dB，高精度运放可达140dB。,共模抑制比KCMR,差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,一般运放可达80dB，高精度运放可达160dB。,差模输入电阻rid,-输入差模信号时的输入电阻，可达M数量级。,输出电阻ro,-可达几十几百。,输入失调电压UIO,指当输入电压为零时，为使输出电压也为零所必须在输入端加的补偿电压。 一般为15mV，高精度运放可达0.5mV。,输入失调电流IIO,输入为零时，IIO=|IB1-IB2|。一般为几十nA。,集成运算放大器的简化等效电路,理想运算放大器的条件,Auo=,rid=,KCRM=,ro=0,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,运算放大器的传输特性,理想特性,实际特性,例 F007运算放大器的正、负电源电压为15V，开环电压放大倍数Au0=2105,输出最大电压（即Uo(sat)为13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：,解:,只要两个输入端之间的电压绝对值超过65V，输出电压就达到正或负的饱和值。,运算放大器工作在线性区的条件,运放工作在线性区的条件是在电路中加入负反馈。,运算放大器线性应用时的分析依据：,1. 差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流可认为是零，即虚断。,2. 开环电压放大倍数 输出电压是一个有限值，,即虚短。,运算放大器工作在饱和区的条件：,在开环与正反馈条件下，运放工作在饱和区。,运算放大器在饱和区时的情况：,注意：此时输入端的输入电流也等于零，即“虚断”,end,实现将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路,反相输入,同相输入,-实现运算uo=-kui,-实现运算uo=+kui,1、反相输入,电路结构特点,Rf引入深度负反馈,该反馈为何种组态？,输入信号加入反相端,平衡电阻R=R1/Rf,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,16.2.1 比例运算,参数计算,因为I-=0，所以 i1=if,即，,又因为U-=U+=RI+=0,所以，,即电压放大倍数,输入电阻,因为电路引入电压负反馈，输出电阻 ro=0,若输出端加负载，uo改变吗？,则实现运算：,虚地,i1,if,I-,2、同相输入,电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号加入同相端,平衡电阻R=R1/Rf,该反馈为何种组态？,i1,if,I-,参数计算,因为I-=0，所以 i1=if,即，,，又因为U-=U+=ui,所以，,即电压放大倍数,则实现运算：,i1,if,I-,称为电压跟随器,当R1=或RF=0,Auf=1,分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,虚断,虚接,虚地,反相比例运算电路,分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,i1,if,I-,因为I-=0，所以 i1=if,即，,又因为U-=U+,所以，,则：,U+=？,I+,同相比例运算电路,因为I+=0，所以R2，R3串联,反相加法器,电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号均加入反向端,平衡电阻R=R1/R2/R3/Rf,输入输出关系计算,因为I-=0，所以 i1+i2+i3=if,即，,又因为U-=U+=RI+=0,若取R1=R2=R3=R，则,则实现运算：,I-=0,16.2.2 加法运算,同相加法器,电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号均加入同相端,输入输出关系计算,因为I+=0，所以 i1+i2+i3=0,即，,又因为在同相比例器中有，,则实现运算：,整理得，,RP=R1/R2/R3,I+=0,-输入信号同时加入反相端与同相端,称为差动输入。,ui1单独作用,=0,ui2单独作用,0=,所以，,若取R1=R2、 R3=Rf则,16.2.3 减法运算,分析图示电路输出电压uo与输入电压ui1、ui2、ui3、ui4的关系,例 电路如图所示，R1=R2=R3=R4，试求 的值。,ui1,+,+,-,u0,ui2,+,+,-,R1,R2,R3,R4,a,b,解法1：,由虚短可得,由虚断可得,应用虚短、虚断的特点,解法2：,uo2,应用叠加原理,思考题：图示电路电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管），讨论输入与输出的关系。,ui0时：,ui0时：,16.2.4 积分运算,应用举例,在电路的输入端输入方波，输出是什么波形？,应注意时间常数及输入波形幅值、周期的选择，避免出现积分饱和。,思考题：在图示电路中，输入电压,试求输出电压,的幅值，并画出,的波形图。,16.2.5 微分电路,若输入：,则：,应用举例,end,16.3.3 电压比较器,参考电压,运算放大器工作于开环状态,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,当UR=0时,输入电压和零电平比较, 称为过零比较器.,过零电压比较器可将正弦波变换为矩形波,ui0,uo=UO(sat),ui0,uo=-UO(sat),+ UO(sat),- UO(sat),在输出端加一个双向稳压管,作双向限幅用,限幅器,应用举例,滞回比较器,滞回比较器的传输特性,小于回差的干扰不会引起跳转,称为回差,上门限电压,下门限电压,思考题：设滞回比较器的传输特性和输入电压波 形已给出， 试画出它的输出电压波形。,end,16.4.1 矩形波发生器,一、电路结构:,滞回比较器 + R1C负反馈网络,二、工作原理:,（1）阈值电压计算：,16.4 运算放大器在波形产生方面的应用,（2）波形发生过程分析：,1. 设 uo = + UZ ,此时，输出给C 充电!,则：u+=Uth1,一旦 uc Uth1 , 就有 u- u+ ,在 uc Uth1 时，,u- u+ ;,uo 保持 + UZ 不变；,uo 立即由UZ 变成UZ,矩形波发生器（2）,此时，C 经输出端放电。,2. 当uo = -UZ时，,u+=Uth2,uc降到Uth2时，uo上翻。,矩形波发生器(3),0,输出波形：,矩形波发生器(4),矩形波发生器(5),矩形波发生器各部分的作用：,RC 电路：起反馈和延迟作用，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。,滞回比较器：起开关作用， 实现高低电平的转换。,三、周期与频率的计算,f=1/T,uc上升阶段表示式:,uc下降阶段表示式:,矩形波发生器(6),end,16.4.2 三角波发生器,电路一：方波发生器 方波积分电路三角波,此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。,uo,三角波的周期由矩形波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。,三角波发生器(2),三角波发生器(3),电路二：,特点：由滞回比较器和反相积分器级联构成，滞回比