集成运算放大器及其应用.ppt

第8章集成运算放大器及其应用,8.1直接耦合放大电路的主要特点,8.2差动放大电路,8.4运算放大器在信号运算方面的应用,8.5运算放大器在信号处理方面的应用,8.3集成运算放大器的简单介绍,1.理解差动放大电路的工作原理及差模信号和共模信号的概念。2.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。3.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。4.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理。5.理解电压比较器的工作原理和应用。,本章要求,第8章集成运算放大器,8.1直接耦合放大电路的主要特点,直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流信号。,2.零点漂移,零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等。,直接耦合存在的两个问题：,1.前后级静态工作点相互影响,零点漂移的危害：直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。,一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电压作为衡量零点漂移的指标。,输入端等效漂移电压,输出端漂移电压,电压放大倍数,只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。,由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。,抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要问题。,适合于集成化的要求，在集成运算放大器的内部，级间都是直接耦合。,8.2差动放大电路,8.2.1差动放大电路的工作原理,电路结构对称，在理想情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。,差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。,差动放大原理电路,双端输入、双端输出,两管静态工作点相同,1.零点漂移的抑制,uo=VC1VC2=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有抑制作用。,共模信号需要抑制,2.有信号输入时的工作情况,两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即电路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。,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)=2VC1,即电路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1ui1=10mV，ui2=6mV,ui2=8mV2mV,例2ui1=20mV,ui2=16mV,可分解成:ui1=18mV+2mV,ui2=18mV2mV,可分解成:ui1=8mV+2mV,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。,（CommonModeRejectionRatio),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、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（ui1ui2）=Aduid,若电路不完全对称，则Ac0，实际输出电压uo=Acuic+Aduid即共模信号对输出有影响。,8.2.2典型差动放大电路,RE：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。,RP：静态时用它将输出电压调为零，一般在10100。,1.静态分析,考虑对称性，并略去RP，则,前三项很小，可略去,2.动态分析,RE对差模信号不起作用，因而单管差模电压放大倍数：,同理,双端输出电压为,双入双出差模放大倍数：,(1)双端输入双端输出,接入负载电阻RL时，差模电压放大倍数：,其中,差模输入电阻：,差模输出电阻：,尽管信号由单端输入，而由于RE（足够大）的耦合作用，使两管各得到一半输入信号（具有双端输入的效果）。,(2)单端输入单端输出,单端输出的电压放大倍数只有双端输出时的一半。,(反相输出),(同相输出),8.3集成运算放大器的简单介绍,8.3.1集成运算放大器的特点,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。,特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,Auo高:80dB140dBrid高:1051011ro低:几十几百KCMR高:70dB130dB,8.3.2电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,同相输入端,输出端,反相输入端,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,8.3.3主要参数,1.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。,2.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。,6.共模输入电压范围UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB,8.3.4理想运算放大器及其分析依据,1.理想运算放大器,Auo，rid，ro0，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)u+0,ui=Ui0时，|T(j)|衰减很快,显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一阶有源低通滤波器。,为了改善滤波效果，使0时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。,2.有源高通滤波器,设输入为正弦波信号，则有,故：,可见，电路使频率大于0的信号通过，而小于0的信号被阻止，称为有源高通滤波器。,若频率为变量，则电路的传递函数,其模为,8.5.2测量放大器,在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等)的变化转换为电信号(电压或电流)，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小(一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。,测量放大器的原理电路,对A1和A2有,对A3有,改变R1的阻值，即可调节电压放大倍数,8.5.3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。,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)u+UR，uo=+Uo(sat)uiUR，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uiUR，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,R2,两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器,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,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。,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：上门限电压,下门限电压,例：电路如图所示，Uo(sat)=6V，RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。,通过RE将输出电流反馈到输入,通过RE将输出电压反馈到输入,+UCC,uo,8.6.1反馈的定义,反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。,8.6放大电路中的负反馈,es,+UCC,RS,反馈放大电路的三个环节：,基本放大电路,比较环节,反馈放大电路的方框图,反馈电路,输出信号,输入信号,反馈信号,反馈系数,净输入信号,放大倍数,反馈放大电路的基本方程,反馈系数,净输入信号,开环放大倍数,闭环放大倍数,反馈放大电路的方框图,净输入信号,若三者同相，则Xd=XiXf,可见XdXi，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用（负反馈）。,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,负反馈的类型,稳定静态工作点,8.6.2.负反馈和正反馈的判别方法,+,+,+,(1)设接“地”参考点的电位为零，在某点对“地”电压（即电位）的正半周，该点交流电位的瞬时极性为正；在负半周则为负。,(2)设基极瞬时极性为正，根据集电极瞬时极性与基极相反、发射极(接有发射极电阻而无旁路电容时)瞬时极性与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。,+,+,(3)若反馈信号与输入信号加在同一电极上，,(4)若反馈信号与输入信号加在两个电极上，,两者极性相反为负反馈；,极性相同为正反馈。,两者极性相同为负反馈；,极性相反为正反馈。,反馈到基极为并联反馈,反馈到发射极为串联反馈,ib=iiif,ube=uiuf,8.6.3.负反馈的四种基本类型,共发射极电路,从集电极引出为电压反馈,从发射极引出为电流反馈,判断反馈类型的口诀：,共发射极电路,共集电极电路为典型的电压串联负反馈。,集出为压，射出为流，基入为并，射入为串。,1)判别反馈元件（一般是电阻、电容）(1)连接在输入与输出之间的元件。(2)为输入回路与输出回路所共有的元件。,例1：,2)判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信号均可通过RE，所以RE引入的是交、直流反馈。,如果有发射极旁路电容，RE中仅有直流分量的信号通过，这时RE引入的则是直流反馈。,E,例1：,例1：,3)判断反馈类型,净输入信号：,ui与uf串联,以电压形式比较串联反馈,ui正半周时,uf也是正半周,即两者同相,负反馈,uf正比于输出电流电流反馈,串联电流负反馈,+uf,+,ie,ube,ube=ui-uf,uf=ieRE,Ube=Ui-Uf,可见Ube1，称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,例：|A|=300，|F|=0.01。,3.改善波形失真,加反馈前,加反馈后,大,略小,略大,略小,略大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,小,接近正弦波,正弦波,4.展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加,无负反馈,有负反馈,例：中频放大倍数|A0|=10，反馈系数|F|=0.01,在原上限、下限频率处,说明加入负反馈后，原上限、下限频率仍在通频带内，即通频带加宽了。,5.对输入电阻的影响,在同样的ib下，ui=ube+ufube，所以rif提高。,1)串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈时：,使电路的输入电阻提高,无负反馈时：,有负反馈时：,在同样的ube下，ii=ib+ifib，所以rif降低。,2)并联负反馈,使电路的输入电阻降低,电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,1)电压负反馈使电路的输出电阻降低,2)电流负反馈使电路的输出电阻提高,6.对输出电阻的影响,8.7集成稳压电路,8.7.1.串联型稳压电路,串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。,调整元件,比较放大,基准电压,取样电路,由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO升高时，有如下稳压过程：,2.稳压过程,由电路图可知,UO,Uf,UB,UO,IC,UCE,由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。,3.输出电压及调节范围,输出电压,8.7.2三端固定输出电压集成稳压器,单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。,分类,XX两位数字为输出电压值,（1.2537V连续可调）,外形及引脚功能,W7800系列稳压器外形,W7900系列稳压器外形,塑料封装,输出为固定正电压时的接法如图所示。,1.输出为固定电压的电路,输入与输出之间的电压不得低于3V！,三端固定输出集成稳压器的应用,0.11F,1F,