电工电子学第十一章.ppt

第11章运算放大器,11.1运算放大器的简单介绍,11.2放大电路中的负反馈,11.3运算放大器在信号运算方面的应用,11.4运算放大器在信号处理方面的应用,11.5运算放大器在波形方面的应用,11.7使用运算放大器应注意的几个问题,11.6集成功率放大器,11.1运算放大器的简单介绍,将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。,优点:,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小、价格便宜。,分类:,模拟集成电路、数字集成电路,小、中、大、超大规模集成电路即SSI,MSI,LSI,VLSI.,集成电路:,返回,11.1.1集成运算放大器的特点,1、难于制造电感元件,制造大于200F的电容也比较困难所以，运算放大器各级之间都采用直接耦合。,2、输入级都采用差动放大电路,电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,3、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,4、二极管一般用三极管的发射极、基极、集电极三者适当组配使用。,返回,11.1.2电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,基本原理框图,返回,uo,与uo反相,与uo同相,返回,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。,返回,中间级,足够大的电压放大倍数,返回,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。,返回,11.1.3主要参数,1.最大输出电压UOPP,能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压,2.开环电压放大倍数Auo,在没有外界反馈电路时所测出的电压放大倍数。Auo越高,所构成的运算电路越稳定,运算精度也越高。Auo一般约为104107。,3.输入失调电压UIO,当输入电压为零时,uo不等于零。反过来说,如果要使uo等于零必须在输入端加一个很小的补偿电压UIO,它就是输入失调电压。一般为几毫伏。,返回,4.输入失调电流IIO,输入信号为零时,两个输入端静态基极电流之差,即IIO=IB1-IB2。IIO一般在零点零几毫安，其值与小愈好。,5.输入偏置电流IIB,输入信号为零时,两个输入端静态基极电流的平均值,即IIB=(IB1+IB2)。它的大小主要和电路中的第一级管子的性能有关,这个电流愈小愈好,一般为零点几毫安级。,6.共模输入电压范围UIM,运算放大器对共模信号具有抑制的性能,但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备的。如超出这个电压,运算放大器的共模性能就达为下降,甚至造成器件损坏。,返回,ri高:几十k几百k,运放的特点：,KCMRR很大,ro小：几十几百,Auo很大:104以上107,运放的特点,返回,11.1.4理想运算放大器及其分析依据,差模输入电阻rid,1.理想化的主要条件：,开环电压放大倍数Auo,开环输出电阻ro0,共模抑制比KCMRR,2.运放符号：,返回,+Uo(sat),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。,3.运算放的器的传输特性,uo=Auo(u-u+),线性区,-Uo(sat),u+-u-,理想特性,实际特性,返回,运算放大器工作在线性区时，分析依据：,(1)由于运算放大器的差模输入电阻rid,可认为两个输入端的输入电流为零。即：,(2)由于运算放大器的开环电压放大倍数Auo而输出电压是一个有限的数值,即:,uo=Auo(u+-u-),虚短路,返回,运算放大器工作在饱和区时，分析依据：,当u+u-时,uo=+Uo(sat);,当u+u-时,uo=-Uo(sat);,返回,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。,若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系。,11.2.1负反馈的概念,11.2放大电路中的负反馈,返回,反馈框图：,返回,反馈电路的三个环节：,放大：,反馈：,迭加：,反馈框图,若三者同相,则,Xd=Xi-Xf,即为负反馈,返回,判断负反馈的方法：,瞬时极性法：,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。,返回,1并联电压负反馈,ri不高,ro低,+,11.2.2负反馈的类型,返回,2串联电压负反馈,uo,+,+,返回,3串联电流负反馈,+,+,返回,4并联电流负反馈,ifi1,i1if,返回,小结,从负载电阻RL的靠近“地”端引出的,是电流反馈。,2.输入端,3.反馈信号是净输入量减小的,是负反馈。,反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈。,1.输出端,输入信号和反馈信号分别加在两个输入端(同相和反相)上的,是串联反馈。,加在同一个输入端的（同相或反相）上的,是并联反馈,返回,11.3运算放大器在信号运算方面的应用,1反相输入,i1if,11.3.1比例运算,根据线性区的两条依据:,解:,返回,反馈方式：,电压并联负反馈,输出电阻很小！,RP=R1/RF,返回,2.同相输入,u-u+=ui,电压串联负反馈输入电阻高，输出电阻低。,i1if,返回,举例:电压跟随器,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。,返回,11.3.2加法运算：,当R11=R12=R13=R1时，,uo=-(ui1+ui2+ui3),返回,11.3.3减法运算,解出：,当R1=R2,R3=RF时,当R1=RF时,返回,11.3.4微分运算：,u-u+=0,返回,若输入：,则：,返回,应用举例：,11.3.5积分运算：,1、输入方波，输出是三角波。,返回,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,返回,思考,如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。,返回,11.4运算放大器在信号处理方面的应用,滤波电路的种类:,低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器,返回,一阶低通滤波器,返回,传递函数：,幅频特性,相频特性,返回,按频率特性进行分类：,低通,高通,带通,带阻,返回,此电路的缺点：,1、带负载能力差。,2、无放大作用。,3、特性不理想，边沿不陡。,截止频率处：,返回,将两级一阶低通滤波器串接,？,各级互相影响！,返回,1.一阶有源低通滤波器,11.4.1有源滤波器,返回,幅频特性：,相频特性：,返回,幅频特性曲线,为了改变滤波效果,使0时信号衰减的快些,常将两节RC电路串接起来。称为两级有源低通滤波器。,返回,二阶有源低通滤波器,返回,如何组成高通滤波器？,RC对调,返回,2.有源高频滤波器,返回,若频率为变量,则该电路的传递函数:,幅频特性,返回,11.4.2电压比较器,传输特性,当uiUR时,uo=-Uo(sat),返回,过零比较器,当UR=0时,即输入电压和零电平比较,称为过零比较器,返回,例：利用电压比较器将正弦波变为方波。,返回,稳定输出电压,返回,电压比较器的另一种形式,返回,总结,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。,返回,Ao不够大时的情况,返回,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：,3、当uo负饱和时：,返回,传输特性,U+,U+,跳转后增大了U+-U-加速跳转,小于回差的干扰不会引起跳转,返回,U+,U+,输入正弦波的情况,返回,11.5运算放大器在波形方面的应用,11.6集成功率放大器,11.5.1RC正弦波振荡电路,1自激振荡,2RC正弦波振荡电路,11.5.2矩形波发生器,返回,11.7使用运算放大器应注意的几个问题,11.7.1选用元件,集成运算放大器的分类,按技术指标分,通用型,高速型,低功耗型,大功率型,高精度型等,按内部电路分,双极型(有晶体管组成),单极型(有场效应管组成),按每一集成片中运算放大器的数目分,单运放,双运放,四运放,返回,选用元件原则,根据实际要求选用运算放大器。选好后,根据管脚图和符号图连接外部电路,包括电源、外接偏置电阻、外接消振电路及调零电路等。,返回,11.7.2消振,11.7.3调零,外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。,返回,11.7.4保护,1.输入