《电工电子》第十章.ppt

第十章集成运算放大器,第一节集成运算放大器的概述,第二节集成运算放大器的输入方式,第三节集成运放在信号运算方面的应用,第四节集成运放在信号测量方面的应用,第五节集成运放的非线性应用,第六节集成运放在信号产生方面的应用,第一节集成运算放大器的概述,一、集成电路的特点,1.元器件参数的一致性和对称性好。2.二极管多用三极管的发射结代替。3.电阻的阻值受到限制。大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；4.电容的容量受到限制。电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接。,运算放大器是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。集成运放是将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。,二、集成运放的组成,1.集成运放的内部电路结构框图,输入级,输出级,中间级,输入级差动放大器,输出级射极输出器或互补对称功率放大器,中间级电压放大器,2、集成运放的基本结构,输入级,中间级,输出级,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,V3,V4,V1,V2,基本原理框图,V5,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,V3,V4,V5,V1,V2,要求：,输入级,尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大。,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,V3,V4,V5,V1,V2,输入级,中间级,足够大的电压放大倍数,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,V3,V4,V5,V1,V2,输入级,中间级,输出级,主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗ro小。,V3,V4,V1,V2,uo,与uo反相,与uo同相,V5,uo,3、集成运算放大器的符号,输出端,反相输入端,同相输入端,Au0,信号传输方向,理想运放开环电压放大倍数,实际运放开环电压放大倍数,ri高:几十k几百k,实际运放：,KCMRR很大,ro小：几十几百,Au0很大:104以上107,理想运放：,ri,KCMRR,ro0,Au0,运放符号：,三、理想集成运放的特点和符号,1、集成运放的参数,2、电压传输特性,Ao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。,实际运放,UO（sat）,UO（sat）,Uim,Uim,ui=u+-u-,理想运放的电压传输特性,UO（sat）,UO（sat）,理想运放,uo=f(ui),其中ui=u+u,“虚断路”原则,+,ii,ui,对于理想运放,rid,相当于两输入端之间短路,对于理想运放,相当于两输入端之间断路,uO,ii0,1,3、理想运放工作在线性区的分析依据,+,*：由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,理想运放的条件：,放大倍数与负载无关，可以分开分析。,第二节集成运算放大器的输入方式,一、反相输入,i1=iF,电路的输入电阻：,Ri=R1,反馈方式：,电压并联负反馈,输出电阻很小！,RP=R1/RF,输入电阻小、共模电压为0，以及“虚地”是反相输入的特点,二、同相输入,u-=u+=ui,电压串联负反馈输入电阻高。,共模电压：ui,没有虚地概念。,if,i1,当RF=0，R1=时，电路为电压跟随器,此电路是电压串联负反馈，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、差动输入,解出：,差动运算电路,u,o,RF,R1,R2,R3,利用叠加原理进行分析,差动信号放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（2R1）。,若取R2=R1，R3=RF则：,以上电路的比较归纳：,1.它们都引入电压负反馈，因此输出电压稳定，输出电阻都比较小。,2.关于输入电阻：,反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高，差动输入电阻亦小。,3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,第三节集成运放在信号运算方面的应用,u,i,u,o,i1,iF,RF,R1,R2,1.反相比例运算电路,一、比例运算,RF,R,R,1,2,u,i,u,o,2.同相比例运算电路,有：,ui,uo,3、同相跟随器,uo=ui,RF,R,若不接入电阻R、RF，运算关系不变,二、加法运算：,_,+,+,RF,R11,R12,ui2,uo,RP,ui1,1.差动比例运算电路,u,o,RF,R1,R1,RF,三、减法运算电路,ui1,ui2,差动比例运算是减法运算电路的一种形式,11,u,i1,21,2.两级反相输入减法运算电路,13,22,A2,A1,u,o,11,u,R,R,R,R,R,R,R,i2,F2,应用举例：,四、积分运算：,1、输入方波，输出是三角波。,ui,-,+,+,R,R2,C,uo,2、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,五、微分运算：,u-=u+=0,ui,+,+,uo,R,R2,i1,iF,C,1、若输入：,则：,微分应用举例,u,uO,i,C,uo,ui,输出与输入的关系式为,2、若输入为方波,则输出波形为,u,i,u,o,i1,if,RF,R1,R2,虚地：,例1:反相比例运算电路,R3,R4,设:RFR4,求Auf,解：,代入if=i1,由RFR4,例2：求解微分方程,根据电路参数，所要求解的微分方程为：,uo1,例3.T型电阻网络电路,设计实验内容：,设计一个交流放大器,要求：,1、由两个以上的集成运放组成,2、输入电阻10K,3、电压放大倍数=103,4、输入和输出同相,第五节、集成运放的非线性应用,所谓非线性应用是指，由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,运放处于非线性状态。,一、处于开环非线性状态运放的特点,1、虚短路不成立。（u+u-）,2、输入电阻仍可以认为很大。（ii0）,3、输出电阻仍可以认为是0。,4、输出只有两种状态，u+u-uo=+UO(sat)u+0,UZ,总结,1、电路简单。,2、容易引入干扰。,3、当Ao不够大时，输出边沿不陡。,三、迟滞电压比较器,1、下行的迟滞比较器,分析：,（1）、因为有正反馈，所以能加速输出端的翻转,（2）、当uo正饱和时：,（3）、当uo负饱和时：,+,+,uo,R1,Rf,R2,ui,U+,传输特性,翻转后增大了U+-U-，进一步加速翻转,URH-URL称为回差,小于回差的干扰不会引起跳转,下限,上限,Uo（sat）,-Uo（sat）,uRH,uRL,Uo（sat）,-Uo（sat）,输入正弦波的情况,加上参考电压后的上下限,+,+,uo,R1,Rf,R2,ui,UR,加上参考电压后的传输曲线,uRH,uRL,2、上行的迟滞比较器,从u+=0时翻转，可以求出上下限。,+,+,uo,R1,Rf,R2,ui,Uo（sat）,-Uo（sat）,传输特性曲线,uRH,uRL,另一种电路形式,？,如何计算上下限？,用UZ代替Uo（sat）,+,+,R1,Rf,R2,ui,uo,UZ,另一种电路形式,？,如何计算上下限？,上下限不同！,+,+,R1,Rf,R2,ui,uo,UZ,电压比较器的分析方法,1.输出电压跃变的条件,由此可求出电压比较器的门限电压,2.电压传输特性,输出端不接DZ时，uo=UO(sat),输出端接DZ限幅时一般为，uo=UZ,1、产生自激振荡的原理,正反馈电路才能产生自激振荡,第六节集成运放在信号产生方面的应用,一、正弦波发生器,+,如果：,反馈信号代替了放大电路的输入信号,自激振荡条件的推导：,自激振荡的条件：,因为：,所以自激振荡条件可以写成：,（1）振幅条件：,（2）相位条件：,n是整数,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈，振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。,进一步理解自激振荡：,如果：,输入信号为0时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡。,自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。,如何启振？,在振荡建立的过程中，|A0F|1也就是说每次Xf大于前一时刻的Xf。振荡的建立过程也就是|A0F|从大于1到等于1的过程。,2、振荡器的组成:,放大环节,选频网络,正反馈环节,稳幅环节,3、RC振荡电路,用RC电路构成选频网络的振荡电路即所谓的RC振荡电路，可选用的RC选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。,时相移为0。,如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：,_,+,+,R2,uo,R1,用运放组成的RC振荡器：,所以只有在f0处,才满足相位条件：,因为：,A0F=1,_,+,+,RT,uo,R,C,R,C,R1,t,能自行启动的电路（1）,起振时RT2R1,uo越大则RT越小。,能自行启动的电路（2）,uo,R21+R22略大于2R1,随着uo的增加，R22逐渐被短接，Au自动下降。,R1,R2,uO,ui,R3,R1,UZ,DZ,迟滞电压比较器,二、方波发生器,1.电路的组成,RF,uO,R2,uo,UZ,R3,UZ,R1,Dz,C,uC,FUZ,-UZ,-FUZ,t,2.方波发生器的工作原理,C充电；,，C放电；,0,RF,uO,R2,uO,UZ,R3,0,UZ,R1,DZ,C,uC,FUZ,-UZ,-FUZ,t,3.方波发生器的主要参数,2R2,幅度Uom=UZ,T,R4,R2,R3,R1,UZ,DZ,三、三角波发生器,1.三角波发生器的组成,A1,uO1,三角波发生器由,组成,A1滞后电压比较器,A2反相积分电路,2.三角波发生器的工作原理,R4,R2,uO,R3,R1,UZ,DZ,R5,R,C,A1,A2,uO1,t,t,0,UZ,-UZ,uO1,uO,T,T,3.三角波发生器的主要参数,0,141312111098,1234567,NC,NC,INFM,THDADJ2,THDADJ1,OUT(S),OUT(T),OUT(Q),RA,RB,VCC,VEE/GND,RFM,CT,函数发生器的功能：,集成电路，如正弦波、方波、三角波、矩形波和锯齿