跟我学设计-运算放大器.ppt

2011年7月19,三 运算放大器的应用,学习目标：,掌握差分电路的作用；差共模信号的定义；集成元件参数手册的查阅；运算放大器的理想化条件；各种运算电路的组成；输出与输入的关系。理解差分电路抑制零点漂移的方法；输入输出方式不同的的作用；差分电路的工作原理；运算放大器的非线性应用。熟悉运算放大器非线性应用基本电路组成和工作原理。,学习重点：,差分电路的作用；参数手册的查阅；运算电路输出与输入关系。运算放大器非线性应用。,3.1 差分放大电路,一、直接耦合方式,交流放大电路级与级之间采用直接耦合方式，使各级静态工作点各自不独立，相互影响。可以放大任何信号，但是也带来一些问题，最主要的是零点漂移问题。,一个理想的直接耦合放大电路，当输入ui=0时，输出电压uO应保持不变(不一定为零)。实际上，把直接耦合放大电路的输入端接地(即ui=0)，在输出端uO也会偏离初始值，有一定数值的无规则缓慢变化电压输出，这种现象称为零点漂移，简称零漂。,原因：三极管的参数随温度的变化而变化；电源电压的波动；电路元件参数变化等。其中以温度变化的影响最为严重，从而引起Q点的变化，故零漂也温漂。在多级电路中。又以第一级的温漂最为严重。,二、 差分放大电路,电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。,差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。,两个输入、两个输出,两管静态工作点相同,1. 零点漂移的抑制,uo= VC1 VC2 = 0,uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0,静态时，ui1 = ui2 = 0,当温度升高时ICVC （两管变化量相等）,对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,2. 有信号输入时的工作情况,两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。,(1) 共模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相同,差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,共模信号 需要抑制,2. 有信号输入时的工作情况,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，,(2) 差模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相反,uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1,即对差模信号有放大能力。,差模信号 是有用信号,(3) 比较输入,ui1 、ui2 大小和极性是任意的。,例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV,ui2 = 8 mV 2 mV,例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV,可分解成: ui1 = 18 mV + 2 mV,ui2 = 18 mV 2 mV,可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV,共模信号,差模信号,放大器只 放大两个 输入信号 的差值信 号差动 放大电路。,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,（Common Mode Rejection Ratio),全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR越大，说明差放分辨 差模信号的能力越强，而抑制 共模信号的能力越强。,3. 共模抑制比,共模抑制比,若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压 uo = Ad （ui1 ui2 ） = Ad uid,若电路不完全对称，则 Ac 0， 实际输出电压 uo = Ac uic + Ad uid 即共模信号对输出有影响 。,典型差动放大电路,RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,RE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。,RE：愈在，负反馈作用愈强，抑制零漂的效果越好，但RE太大后Q点太低，电路不能正常工作，故RE应合适,输出、输入方式,差分放大电路有两个输入端和两个输出 端，即可单端输入出，也可双端输入出。 输入方式由信号源决定，输出方式由负载决定。 因此，按照输入输出方式不同，差分电路有四种接法。,双端输入双端输出,输入信号直接接在两个三极管的输入端上。 输出接在两个集电极上。 信号源和负载都不能有接地端。故抑制零点好。,双端输入-单端输出,输出从一个集电极到地，故无法利用对称 抑制零漂。但有利于与后级电路连接。,单端输入-双端输出,输入信号接在一管的输入端与地之间。,单端输入-单端输出,输入输出都可以接地。相当于单管，抑制零漂很差。,3.2运算放大器的电压传输特性和主要参数,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,下图为F007C的引脚和图形符号,2反相输入端，输入由此进，则输出与输入信号是反相的。 3同相输入端，输入由此进，则输出与输入信号是同相的。 6输出端； 4负电源端，接-15V的稳压电源。 7正电源端，接+15V稳压电源。 1、5外接调零电位器。 8空脚。,a 引脚,b 外部接线符号,一、集成运算放大器的符号,曾用图形称号,国标图形符号,二、主要参数,6. 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。,1. 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。,2. 共模抑制比KCMR 表示运算放大器的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac之比的绝对值。,3. 开环输入电阻（差模输入电阻）rid,4. 开环输出电阻ro,5. 输入失调电压UIO,三、电压传输特性,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,四、理想运算放大器,1. 理想运算放大器,Auo ， rid ， ro 0 ， KCMR ,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,理想运放工作在线性区的特点,因为 uo = Auo(u+ u ),所以(1) 差模输入电压约等于 0 即 u+= u ,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,Auo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。,O,3.3 运算放大器的线性应用,一、 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()。,因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 / RF,（2）电压放大倍数,因虚短, 所以u=u+= 0， 称反相输入端“虚地” 反相输入的重要特点,因虚断，i+= i = 0 ，,所以 i1 if,当RF=R1时，称为反相器,电压放大倍数,反馈电路直接从输 出端引出电压反馈,输入信号和反馈信号加在 同一输入端并联反馈,反馈信号使净输入 信号减小负反馈,电压并联负反馈,输入电阻低， 共模电压 0, 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：, Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加 在反相输入端。, Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。, | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。, 因u= u+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”。,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，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,二. 同相比例运算,（1）电路组成,因要求静态时u+、u对地电阻相同， 所以平衡电阻R2=R1/RF,因虚断，所以u+ = ui,（2）电压放大倍数,因虚短，所以 u = ui ， 反相输入端不“虚地”,输入电阻高，共模电压 = ui,电压放大倍数,电压串联负反馈,输入信号和反馈信号分别 加两个输入端串联反馈,反馈电路直接从输 出端引出电压反馈,因虚短，所以 u = ui ， 反相输入端不“虚地”,反馈信号使净输入 信号减小负反馈, 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：, Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加 在同相输入端。, Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。, Auf 1 ，不能小于 1 。, u = u+ 0 ，反相输入端不存在“虚地”现象。,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。,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； 2. 输入电阻高，对被 测电路影响小。,流过电流表的电流,同相比例运算,三、 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,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,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。,1. 输入电阻低； 2. 共模电压低； 3. 当改变某一路输入电阻时， 对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点： 1. 输入电阻高； 2. 共模电压高； 3. 当改变某一路输入电阻时， 对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,四、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 ，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,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+,五、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,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 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,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。,六、 微分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1 = if,Ui,Ui,十、有源低通滤波器,设输入为正弦波信号, 则有,故：,一、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。,3.4 运算放大器的非线性应用,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”现象 2. i+= i 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性,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,单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。,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,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,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),过零电压比较器,利用电压比较器 将正弦波变为方波,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,上门限电压 U+ ： ui 逐渐增加时的门限电压,下门限电压U“+： ui 逐渐减小时的门限电压,两次跳变之间具有迟 滞特性滞回比较器,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,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。,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， RF = 20k，R2 =1