集成运算放大器及应用.ppt

第4讲集成运算放大器及其应用 4 1集成运放的总体结构 集成运放的基本组成部分 1 集成运算放大器的组成 输入级 低漂移 高共模抑制比 高输入阻抗及低偏置电流 一般采用差分放大电路 电压放大级 又称中间级 完成电压放大 为了提高电压放大倍数 经常采用复合管做放大管 用恒流源做有源负载 输出级 有一定的带负载能力 即输出电阻小 和一定的输出电压及电流动态范围 因此输出级多采用射极输出器 互补对称电路 偏置电路 设置集成运放各级放大电路的静态工作点 一般采用镜像电流源 2 集成运算放大器符号 国内符号 国际符号 反相 是指输出电压与输入电压相位相反 同相 是指输出电压与输入电压相位相同 3 通用型集成运放f007 分析 偏置电路 t12 r5和t11构成了主偏置电路 产生基准电流 其他偏置电流都与基准电流有关 t10 t11和r4组成微电流源 通过t8和t9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流 t12和t13管构成多支路电流源 t13管是多集电极三极管 其集电极电流和的大小比例为3 1 b路作为中间级的有源负载 a路为输出级提供偏置 输入级 其中t1和t2管作为射极输出器 输入电阻高 t3和t4管是横向pnp管 发射结反向击穿电压高 可使输入差模信号达到30v以上 t5 t6 t7和r1 r2 r3组成具有基极补偿作用的镜象电流源 作为差动输入级的有源负载 可以提高输入级的增益 它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能 t1 t2和t3 t4管组成共集一共基复合差动输入电路 中间级 t16和t17是复合管组成的共射放大电路 t13b作这一级的集电级有源负载 t14和t20管组成互补对称输出级 t18 t19和r8为其提供静态偏置以克服交越失真 t15和r9保护t14管 使其在正向电流过大时不致烧坏 t21 t23 t22管和r10保护t20管在负向电流过大时不致烧坏 输出级 相位分析 用 瞬时极性法 判定 3号腿为同相端 2号腿为反相端 4 集成运算放大器的主要参数 1 开环差模增益aod 用分贝 db 表示 其分贝数为 2 差模输入电阻 输入差模信号时 集成运放的输入电阻 3 共模抑制比 差模电压增益与共模电压增益之比 4 输入失调电压 输入电压为零时 将输出电压除以电压增益 即为折算到输入端的失调电压 5 输入失调电压温漂 6 输入失调电流 在零输入时 差分输入级的差分对管基极电流之差 7 输入失调电流的温漂 8 输入偏置电流 输入电压为零时 运放两个输入端偏置电流的平均值 9 最大差模输入电压 运放两输入端能承受的最大差模输入电压 10 最大共模输入电压 11 带宽和单位增益带宽 是在高频段下降时的带宽 是下降到零分贝时的信号频率 12 转换速率sr 压摆率 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力 5 特殊集成运算放大器 差模输入电阻往往大于 输入偏置电流通常为pa数量级 如5g28 lf356 ad515 lf0052等 高输入阻抗型 高精度 低漂移型 一般要求 如lh0044 ad707 op 77 opa177 icl7650 ad508 op 27等 高速型 转换速率sr大于几十伏 微秒 单位增益带宽bw 10mhz 如ua715 lh002 ad845 ad9618 sl541等 低功耗型 功耗为微瓦数量级 电流几十微安 电源电压在几伏以下 如ca3078 upc253 icl7641等 大功率型 电源电压为正负几十伏 输出电流几十安培 输出功率为几十瓦左右 如lh0021 mcel165 ha2645 lm143 ich8515等 6 理想运算放大器 技术指标 输入失调电压 输入失调电流以及它们的温漂为零 输入偏置电流为零等 开环差模增益 差模输入电阻 共模抑制比 输出电阻 3db带宽 线性工作区的特点 非线性工作区的特点 非线性工作区有两个重要特点 1 输出电压uo的值只有两种可能 当u u 时 uo uoh 当u u 时 uo uol 4 2集成运放的基本应用 1 比例运算电路 反相比例运算电路 反相比例运算电路 根据理想运放工作在线性区的特点 由 可知 所以 又 故 输出电阻 深度电压反馈 且 特点 电压放大倍数为 共模输入电压等于零 即 输入电阻小 常用于信号的相位倒相或极性转换电路 同相比例运算电路 同相比例运算电路 由 虚短 和 虚断 的概念知 而 虚断 的特点有 因此 电路中引入了深度电压串联负反馈 则 若 短路 开路 则电路图如下 构成了电压跟随器 其 跟随特性比射极输出器好 电压跟随器 2 加法电路 反相加法器 反相加法器 实际应用 伴音电路 混合前置放大器 同相加法器 其中 输出电压uo与输入电压之和成正比例 可完成同相加法功能 同相加法器 减法电路 减法器 为保证运放的两个输入端对地的电阻平衡 并消除共模信号 通常要求两输入端电阻严格匹配 即满足 则输出电压为 当时 有 电路特点 电路结构简单 存在两个缺点 对于每个信号源来说 输入电阻较小 电阻的选取和调整不方便 高输入阻抗的减法器 推导得 当时 则 对每个信号源 输入阻抗近似为同相输入端对地的共模输入电阻 即 全加器 全加器电路如图所示 若 则根据运放的特性可以得到 全加器 3 积分电路 基本积分器 波形变换电路 功能 波形变换 两种常用积分波形变换 同相输入积分电路 4 微分电路 微分器 波形变换电路 功能 波形变换 5 恒流源电路 根据运放的工作特点知 当参考电源为恒定值时 不随而变化 常用于光 电转换电路 恒流源电路 6 窗口比较器 窗口比较器是由两个比较器组成 通过设定窗口电压的值 判断输入电压是否介于窗口内 电压比较器 电压比较器 时 时 电压比较器的电压传输特性 窗口比较器 窗口比较器 窗口比较器的电压传输特性 当时 当时 当时 7 迟滞比较器 运放构成的双稳态触发器及其传输特性 电路结构 传输特性 迟滞比较器又称施密特触发器 图中r1 r2构成正反馈网络 输出只有两个状态 uoh和uol 1 设 则经r1 r2分压后 反馈电压 称为上门限电压 当时 输出端就始终保持在高电平状态 当时 输出端由高电平跳变到低电平 2 设 则经r1 r2分压后 反馈电压 称为下门限电压 当时 输出端就始终保持在低电平状态 当时 输出端由低电平跳变到高电平 图 b 示电路的传输特性曲线 常将上门限电压与下门限电压之差称为回差 单门限电压比较器抗干扰模型 迟滞比较器抗干扰模型 作业 1 已知直流电压vi1 0 2伏 vi2 0 4伏 设计一个求解二元一次方程组的运算电路 2 第4版教材p74 4 4 4题 写出分析过程 重点解释 精密 二字 8 非正弦波发生器 a 方波 b 矩形波 c 三角波 d 锯齿波波形示意图 方波发生器 电路组成与工作原理 方波产生电路 a 电路结构 b 波形变换 电路结构 反相型施密特触发器和rc支路 工作原理 由施密特触发器可知 本例中其上 下门限电压为 输出电压时 电容c开始充电 当时 输出电压发生跃变 即 输出电压时 电容c开始放电 当时 输出电压发生跃变 即 电容c又开始充电过程 这样周而复始形成自激振荡 输出方波 主要参数 方波的周期t 如果 则方波的周期t为 放电时间 充电时间 矩形波发生器 电路组成与工作原理 图2 48矩形波产生电路 a 电路结构 b 波形变换 电路结构 二极管vd1和vd2隔离了rc充放电回路 工作原理 电容c的充电回路 二极管 电阻 主要参数 方波的周期t 电容c的放电回路 二极管 电阻 电容 充电时间 放电时间 如果 则占空系数为 三角波与锯齿波发生器 图2 49三角波与锯齿波 a 三角波 b 锯齿波 锯齿波 基本原理 用恒定的电流给电容器充电或放电 基本的电路结构 图2 50恒定电流充放电构成三角波发生器 三角波 三角波发生器 图2 51三角波发生器及其波形 a1 同相型施密特触发器 输出电压 a2 构成反相积分器 输出电压为三角波 a1和a2构成闭环正反馈电路 产生自激振荡 同相型施密特触发器a1的上 下门限电压分别为 工作原理 ud和uz分别为稳压管的正向导通电压与反向击穿电压 根据施密特触发器的特性知 当时 就会突跳到高电平 当时 就会突跳到低电平 主要参数 三角波的峰 峰值 三角波的周期 为低电位时的时间t1 为高电位时的时间t2 a 的分压系数 结论 锯齿波发生器 电路结构 图2 52锯齿波发生器及其波形 三角波与锯齿波比较 占空比不同 电路特点 积分器的充放电回路不同 改变充放电 时间常数 可调节占空比 工作原理 主要参数 锯齿波的周期t 锯齿波发生器的积分时间分别为 占空系数q为 结论 改变电位器的分压系数a或积分电容c 可以调节振荡周期t 改变比值可调节占空系数q 但同时也会影响振荡周期t 9 正弦波发生器 电路框图 图2 53正弦波发生器电路框图 正反馈和选频 起振和幅度放大 文氏桥正弦波发生器 图2 54文氏桥正弦波发生器 电路结构 放大电路 构成主通道放大器 工作原理 选频网络 放大电路 根据自激振荡的条件 则要求 由相位条件求出振荡频率为 由幅度条件求出两个通道各元件之间的关系为 通常选取 则其频率为 而 注意事项 起振 要求 即 稳幅措施 热敏电阻稳幅 场效应管稳幅等 2 3集成功率放大器及应用 1 lm386集成功率放大器 lm386的特点 lm386的典型应用 方案1 最小增益功率放大器 图2 55方案1应用电路 退耦电容 交流输出耦合电容 r1 c3网络 消除高频自激振荡 调节输入信号并连接至lm386的同相端 方案2 最大增益功率放大器 图2 56方案2应用电路 方案3 增益可调的功率放大器 图2 57方案3应用电路 若接入电阻 则 2 高功率集成功率放大器tda2006 图2 58tda2006引脚图 tda2006的性能 5脚单边双列直插式封装 供电电压 6 15v 输入阻抗为5m 频带宽度140khz 负载时输出功率为12w 负载时输出