电工电子集成运算放大器 及其应用.ppt

第7章集成运算放大器及其应用 学习目标 了解集成运放的组成及各部分的作用 掌握理想运放的条件和传输特性 能够正确判断电路中是否引入反馈以及反馈的类型 掌握负反馈对放大电路性能的影响 理解集成运放线性应用的条件和两个重要分析依据 掌握集成运放的基本运算电路 了解集成运放在信号处理方面的应用 理解集成运放非线性应用的条件和分析依据 掌握集成运放构成的电压比较器 了解集成运放构成的各种信号发生电路 掌握集成运放使用注意事项 按其功能分 数字集成电路 模拟集成电路 模拟集成电路类型 集成运算放大器 集成功率放大器 集成高频放大器 集成中频放大器 集成比较器 集成乘法器 集成稳压器 集成数 模和模 数转换器等 集成电路IC IntegratedCircuit 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 7 1集成运算电路概述 7 1 1集成运算放大器的组成及工作原理 集成电路的外形 1 电路结构与元件参数对称性好 适于构成差分放大电路 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 2 在芯片上制作三极管比较方便 大量使用NPN管 4 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难 几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成 大电容要外接 5 级间采用直接耦合方式 6 集成电路中的NPN PNP管的 值差别较大 通常PNP的 10 集成电路中多采用复合管 集成运放电路的特点 集成运放 高性能的直接耦合多级放大电路 1 集成运放电路的组成及其各部分的作用 一个输出端 若将集成运放看成为一个 黑盒子 则可等效为一个双端输入 单端输出的差分放大电路 输入级 前置级 多采用差分放大电路 要求ri大 Ad大 Ac小 输入端耐压高 中间级 主放大级 多采用共射放大电路 要求有足够的放大能力 输出级 功率级 多采用互补输出级 要求ro小 可直接带负载 偏置电路 为各级放大电路设置合适的静态工作点 集成运算放大器 2 集成运放的外形和管脚 Au0 开环电压放大倍数 3 集成运放的符号 u 反相输入端 u 同相输入端 uo 输出端 非线性区 线性区 非线性区 7 1 2集成运放的电压传输特性 由于Auo高达几十万倍 所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压 u u 的数值仅为几十 一百多微伏 在线性区 uO Auo u u Auo是开环差模放大倍数 u u 的数值大于一定值时 集成运放的输出不是 UOm 就是 UOm 即集成运放工作在非线性区 1 输入失调电压uio uo 0时 在输入端加的补偿电压 反映了电路的不对称性 一般为几毫伏 2 开环电压放大倍数Au0 越大越好 一般为104 107 3 差模输入电阻rid 差模输入时 从运放两输入端看进去的等效电阻 越大越好 一般为几十千欧 几十兆欧 4 共模抑制比KCMRR 对共模信号的抑制能力 越大越好 一般为103 107 无外接反馈时的差模电压放大倍数 7 1 3集成运算放大器的主要参数 运放能抑制共模信号的范围 5 最大共模输入电压uiCM 运放正常工作时 允许输入差模电压的范围 6 最大差模输入电压uidM 一般略低于正 负电源电压 7 最大输出电压uopp 能使输入输出保持不失真关系的最大输出电压 集成运放的主要性能指标 指标参数F007典型值理想值开环差模增益Aod106dB 差模输入电阻rid2M 共模抑制比KCMR90dB 输入失调电压UIO1mV0UIO的温漂dUIO dT 几 V 0输入失调电流IIO IB1 IB2 20nA0IIO的温漂dUIO dT 几nA 0最大共模输入电压UIcmax 13V最大差模输入电压UIdmax 30V 3dB带宽fH10Hz 转换速率SR duO dt max 0 5V S 7 1 4理想运算放大器 1 理想运放 rid KCMRR ro 0 Au 2 运放的传输特性uo f ui 理想运放有无线性区 3 理想运放线性应用时的两个重要结论 因为 rid 1 i i 0 因为 u u uo Au0 2 u u uo为有限值 Au0为 注意 结论2只适用于理想运放闭环应用时 虚断 虚短 结论1适用于理想运放工作在线性和饱和时 在实际中 集成运放的Au0 rid不可能是无穷大 所以 虚短 和 虚断 是两个近似的结论 理想运放的线性区趋近于0 所以运放要工作在非线性区 必须引入深度负反馈 将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路 用来影响其输入量 放大电路的输入电压或输入电流 的措施称为反馈 输入量 净输入量 反馈量 输出量 两大部分 A 放大部分 信号正向传输F 反馈部分 信号反向传输 7 2 1反馈的基本概念 1 概念 7 2放大电路中的负反馈 反馈框图 开环放大倍数 反馈系数 四种信号量 两个关系式 从反馈的结果来判断 凡反馈的结果使输出量的变化减小的为负反馈 否则为正反馈 引入反馈后其变化是增大 还是减小 引入反馈后其变化是增大 还是减小 或者 凡反馈的结果使净输入量减小的为负反馈 否则为正反馈 2 正反馈与负反馈 放大电路中引入的一般为负反馈 1 电压反馈和电流反馈 根据放大电路和反馈网络在输出端的连接方式 即反馈网络的取样对象不同 分为电压反馈和电流反馈 如果反馈信号取自 正比于 输出电压 为电压反馈 如果反馈信号取自 正比于 输出电流 为电流反馈 7 2 2反馈的类型及判断 2 串联反馈和并联反馈 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同 可以分为串联反馈和并联反馈 如果反馈信号与输入信号串联 xf uf 为串联反馈 如果反馈信号与输入信号并联 xf if 为并联反馈 负反馈 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4种组态 电压串联负反馈 基本放大电路 运放 反馈电路 R1 Rf 反馈信号 负反馈 ud u u ui uf削弱净输入信号 串联反馈 uf与ui串联 电压相加减 电压负反馈 串联电压负反馈 反馈信号正比于输出电压 电压并联负反馈 基本放大电路 运放 反馈电路 Rf 反馈信号 if uo Rf 净输入信号 id ii if 负反馈 并联负反馈 if与ii并联 电流相加减 电压负反馈 反馈信号正比于输出电压 并联电压负反馈 if与uo反相 id ii削弱净输入信号 电流串联负反馈 基本放大电路 运放 反馈电路 Rf 反馈信号 负反馈 ud u u ui uf削弱净输入信号 串联反馈 uf与ui串联 电压相加减 电流负反馈 反馈信号正比于输出电流 串联电流负反馈 uf io Rf 电流并联负反馈 基本放大电路 运放 反馈电路 R3 Rf 反馈信号 净输入信号 id ii if 负反馈 if与uo io 反相 id ii削弱净输入信号 并联负反馈 电流负反馈 反馈信号正比于输出电流 if与ii并联 电流相加减 并联电流负反馈 电流负反馈能稳定输出电流 if ui R1 ii io iR if R3if RfiRiR R3 Rf if io if 1 R3 Rf ui R1 1 R3 Rf 输出电流与负载无关 当元件参数确定后 输出电流不变 找联系 找输出回路与输入回路的联系 若有则有反馈 否则无反馈 1 有无反馈的判断 有反馈吗 将输出电压全部反馈回去 无反馈 找联系 是找输出回路与输入回路的联系 不仅是输出端与输入端的联系 反馈类型的判断 Rf1 Rf2 本级反馈 Rf3 反馈 级间 2 反馈极性的判断 瞬时极性法 看反馈的结果 即净输入量是被增大还是被减小 假设输入端瞬时极性为 电位升高 由入至出 再由出至入 依次判断出各点的瞬时极性 若反馈信号使得净输入提高 为正反馈 若反馈信号使得净输入降低 为负反馈 正反馈 负反馈 的极性 的极性 的极性 的叠加关系 集成运放组成的放大电路中反馈的分析 集成运放的净输入量 集成运放的净输入电压指集成运放两个输入端的电位差ud u u 净输入电流指同相输入端或反相输入端的电流i 或i 若反馈使得净输入Ud或I I 减小 为负反馈 若反馈使得净输入Ud或I I 增加 为正反馈 负反馈 负反馈 负反馈 正反馈 本级反馈 反馈电路接至反相输入端为负反馈 反馈电路接至同相输入端为正反馈 4 串 并联反馈的判断 看反馈电路与输入端的连接形式 若反馈信号与净输入信号串联 反馈信号以电压的形式出现 串联反馈 并联反馈 若反馈信号与净输入信号并联 反馈信号以电流的形式出现 串联反馈 并联反馈 串联反馈 并联反馈 本级反馈 反馈信号与输入信号接在同一输入端为并联反馈 反馈电路与输入信号分别接在两个输入端为串联反馈 5 电压 电流反馈的判断 看反馈电路与输出端的连接方式 若反馈信号取自于输出电压 为电压反馈 电压反馈 若反馈信号取自于输出电流 为电流反馈 电流反馈 节点型联接 电压取样 是电压反馈 回路型联接 电流取样 是电流反馈 看反馈电路与输出端的连接方式 电压负反馈与电流负反馈的判断 电流反馈 电压反馈 反馈信号直接从输出端引出为电压反馈 从负载电阻RL的靠近 地 端引出为电流反馈 归纳 反馈类型的判断 1 找出反馈网络 将输入 输出联系起来的电路 反馈网络一般由电阻或电阻 电容组成 反馈电路的结构决定了反馈信号是交流 直流或交 直流 2 判断正 负反馈 瞬时极性法 假设输入端瞬时极性为 电位升高 由入至出 再由出至入 依次判断出各点的瞬时极性 若反馈信号使得净输入提高 为正反馈 若反馈信号使得净输入降低 为负反馈 3 判断串 并联反馈 看反馈电路与输入端的连接形式 若反馈信号与净输入信号串联 反馈信号以电压的形式出现 若反馈信号与净输入信号并联 反馈信号以电流的形式出现 串联反馈 并联反馈 4 判断电压 电流反馈 看反馈电路与输出端的连接形式 若反馈信号取自于输出电压 为电压反馈 若反馈信号取自于输出电流 为电流反馈 Rf1 Rf2 本级并联电压负反馈 Rf3 uo 级间串联电压负反馈 讨论一 7 2 3负反馈对放大电路的影响 xd xi xf 1 降低放大倍数 Af 闭环放大倍数 负反馈使放大倍数下降 Ao 开环放大倍数 2 负反馈提高放大倍数的稳定性 反馈深度 称为深度负反馈 此时 若 在深度负反馈的情况下 放大倍数只与反馈网络有关 3 改善波形的失真 加反馈前 加反馈后 4 展宽了通频带 引入负反馈使电路的通频带宽度增加 fHF fH 集成运放中都采用直接耦合 无耦合电容 故其低频特性良好 展宽了通频带 引入负反馈后 在高频段通频带又能得到展宽 5 对输入 输出电阻的影响 1 串联反馈使电路的输入电阻增加 2 并联反馈使电路的输入电阻减小 3 电压反馈使电路的输出电阻减小 稳定输出电压 4 电流反馈使电路的输出电阻增加 稳定输出电流 负反馈的类型 电压负反馈能够稳定输出电压电流负反馈能够稳定输出电流 放大电路中应引入电压负反馈还是电流负反馈 取决于负载欲得到稳定的电压还是稳定的电流 放大电路中应引入串联负反馈还是并联负反馈 取决于输入信号源是恒压源 或近似恒压源 还是恒流源 或近似恒流源 总结 负反馈对输入和输出电阻的影响 7 3集成运算放大器的线性应用 理想运放 引入深度负反馈 使运放工作于线性状态 运放的线性应用 理想运放线性应用时的两个重要结论 1 i i 0 2 u u 虚地 1 比例运算电路 1 反相比例运算电路 ui uo i1 if i i 0 7 3 1基本运算电路 分析过程 uo与ui为比例关系 uo与ui反相位若Rf R1 则为反相器 电压并联负反馈 R2 平衡电阻R2 R1 Rf 例1 求uo 解 2 同相比例运算电路 ui uo u u ui 没有虚地概念 i i 0 i1 if ui uo Rf ui R1 分析过程 uo与ui为比例关系 uo与ui同相位 电压串联负反馈 R2 平衡电阻R2 R1 Rf 电压跟随器 若Rf 0 或R1 电压串联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 i i 0 i1 if u uo Rf u R1 分析方法 叠加原理或两个重要结论 功能 可做加法器 结构特点 反相端有多个输入信号 同相端接地 2 反相加法运算电路 2 加法运算电路 电路如图示 求uo的波形 0 5v 解 100 100 ui1 100 50 ui2 ui1 2ui2 1v 运放输出电压的饱和值为 10V 求uo1 uo2 uo uo1 4V uo2 10 5 1 2V uo 2uo1 3uo2 2V 跟随器 反相比例 差动电路 10K 3 差动放大电路 分析方法 叠加原理 功能 可做减法器 差动放大器 结构特点 同相端 反相端均有输入信号 叠加原理 3 差动运算电路 ui1 ui2 ui2 则 若 R1 R2R3 Rf 若 R2 R3 R1 Rf 则 减法器 差动放大电路广泛应用在测量和控制系统中 运放输出电压的饱和值为 10V 求uo1 uo2 uo uo1 4V uo2 10 5 1 2V 跟随器 反相比例 差动运算电路 4 积分运算电路 反相积分R1CF为积分常数 保持 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 线性函数 积分 积分时限 图示电路中 已知输入方波 输出是三角波 比例积分电路 PI 积分 若ui U 则 Uom 比例 保持 在下面电路中 电源电压为 15V 输入信号ui1 1 1V ui2 1V 试问接入输入电压后 输出电压uo由0上升到11V所需时间 差动运算 比例积分 解 uo1 20 10 1 1 1 20 10 20 10 20 1 2 2 2 0 2V 1 10t uo 11v t 1s 5 微分运算电路 当输入为阶跃信号时 输出为尖脉冲 图示电路中 已知输入正弦波 求输出波形 7 3 2集成运算放大器在信号处理方面的应用 滤波器 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 1 有源滤波器 使一定频率范围内的信号顺利通过 在此频率范围以外的信号衰减很大 不能通过 无源滤波器 一般由无源器件R C组成 有源滤波器 一般由有源器件集成运算放大器与R C组成 特性差 带负载能力差 无放大作用 幅频特性 按幅频特性分类 低通 高通 带通 带阻 1 一阶低通滤波器 无源 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 截止频率 一阶有源低通滤波器 2 w w0时 1 w 0时 3 w w0时 w 幅频特性 截止角频率 截止角频率 低通 有放大作用 运放输出 带负载能力强 如何组成高通有源滤波器 RC对调 2 采样保持电路 控制电路跟随器 功能 将变化较快的模拟信号变为阶梯信号 工作原理 uo u uc ui 控制信号 采样 保持 采样 采样 采样 保持 保持 保持 uo 控制信号 1 S闭 uc uiuo ui 控制信号 0 S开 uc保持 uo保持 电路 3 信号变换电路 1 电压 电压变换器 UO UW 连续可调 UZ 基准电压 2 电压 电流变换器 iL ui R 将电压变换为与其成正比的电流 3 电流 电压变换器 uo iL R1 将电流变换为与其成正比的电压 4 电流 电流变换器 IS If 0 If IS IS 7 3 3RC正弦波振荡电路 正弦波振荡器 产生正弦波信号的电路 接通电路的电源 即开始工作 输出一定频率的正弦波信号 不需要输入信号 是的 自激振荡 1 自激振荡 正反馈电路才能产生自激振荡 负反馈 正反馈 如果 反馈信号代替了放大电路的输入信号 输入信号为0时仍有输出 称为自激振荡 自激振荡的条件 利用正反馈 将放大电路输出信号反馈到输入端 与输入信号迭加 加强 如果反馈回来的信号恰好与原输入信号大小相同 那么 这时即使撤除输入信号 也能在输出端维持输出 从这个过程当中发现要维持输出 必须要反馈信号与原输入信号不仅幅度相同 而且相位相同 反馈振荡需要两个条件 幅度条件和相位条件 所以自激振荡条件可以写成 1 幅值条件 2 相位条件 n是整数 相位条件保证反馈极性为正反馈 振幅条件保证反馈有足够的强度 可以通过调整放大电路的放大倍数达到 因为 Xi最初是由放大电路接通电源时激起的一个微小的干扰信号提供的 这就是起始信号 它是非正弦信号 是由多种频率正弦信号叠加而成的 为了得到单一频率的正弦波 自激振荡的频率必须是一定的 也就是说在放大 正反馈回路中应该有选频作用 将不要的频率抑制掉 所以应将放大倍数和反馈系数写成 电路把除f f0以外的输出量均衰减为零 因此输出量为f f0的正弦波 为了让它发展增长 振荡电路中必须有放大和正反馈环节 起振条件 起振条件 起振信号Xi最初是由放大电路接通电源时激起的一个微小的干扰信号提供的 2 选频网络 确定电路的振荡频率 3 正反馈网络 引入正反馈 LC正弦波振荡电路 RC正弦波振荡电路 正弦波振荡电路的组成 1 放大电路 保证电路能够有从起振到动态平衡的过程 使电路获得一定幅值的输出量 实现能量的控制 正弦波振荡电路的分类 2 RC选频电路 用RC电路构成的选频网络有多种 这里只介绍文氏桥选频电路 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 文氏桥选频电路在振荡电路中是反馈网络 令 则 对于频率为f0的信号 频率特性 在fo处 3 用运放组成的RC振荡器 在f0处 满足相位条件 AF 1 在f0处 满足幅值条件 如何启振 Uo是振荡器的电压输出幅度 B是要求输出的幅度 起振时Uo 0 达到稳定振荡时Uo B 起振并能稳定振荡的条件 能自行启振的电路 R21 R22略大于2R1 随着uo的增加 R22逐渐被短接 A自动下降 输出频率的调整 改变R或C 可改变输出频率 正弦波振荡器的组成 放大环节A 正反馈环节F 选频网络 稳幅环节 7 4集成运放的非线性应用 由运放组成的电路处于非线性状态 非线性应用 开环或有正反馈 由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同 所以分析电路前 首先确定运放的状态 主要由有无负反馈决定 处于非线性状态运放的特点 1 虚短路不成立 u 与u 的数值由外电路决定 2 输入电阻仍可以认为很大 i i 0 3 输出电阻仍可以认为是0 7 4 1电压比较器 ui UR 运放 开环状态 ui 输入的模拟信号 UR 基准电压 u ui u UR ui uR uo UO sat ui uR uo UO sat 传输特性 1 基本电压比较器 若基准电压加在同相输入端 若基准电压是负值 若基准电压加在反相输入端 且为负值 传输特性如何 若基准电压是负值 UR 0 UR UR为负 在反相端 若基准电压加在同相输入端 UR 0 UR UR为正 在同相端 若基准电压加在同相输入端 UR 0 UR UR为负 在同相端 过零比较器 基准电压为零 传输特性 过零比较器 基准电压为零 传输特性 利用过零电压比较器将正弦波变为方波 2 具有限幅电路的比较器 若要求比较器的输出电压稳定在一定数值上时 用稳压管限幅 双向稳压管 若限幅稳压管是普通稳压管 传输特性是怎样的 uo 请同学们自己画传输特性 线性应用时也可以限幅 传输特性 3 迟滞电压比较器 分析 因为有正反馈 所以输出饱和 当uo正饱和时 当uo负饱和时 电路 有正反馈 基准电压由输出决定 传输特性 小于回差的干扰不会引起跳转 迟滞电压比较器抗干扰能力大大加强 回差 迟滞电压比较器输入正弦波时输出电压的波形 一 什么是自激振荡 二 自激振荡产生的条件是什么 三 电路的起振与稳定 四 RC正弦波振荡电路震荡频率 主要内容 会画比较器的传输特性 会根据输入波形画输出波形 运算放大器的非线性应用 7 4 2信号产生电路 电路结构 1 方波发生器 R C充 放电回路 充 放 迟滞比较器 工作原理 a 设uo UZ 此时 C充电 U H 则 u U H UZ 一旦uc U H 就有u u uo立即由 Uz变成 Uz 在uc U H时 u u uo保持 Uz不变 C经输出端放电 U L b 当uo Uz时 u U L uc达到U L时 uo上翻 UZ 当uo重新回到 UZ以后 电路又进入另一个周期性的变化 周期与频率的计算 思考题 点b是电位器RW的中点 点a和点c是b的上方和下方的某点 试定性画出电位器可动端分别处于a b c三点时的uo uc相对应的波形图 利用二极管的单向导电性引导电容充放电电流流经不同的通路 即可使电容充放电的时间常数不同 因此 该电路中改变电位器的滑动端可以改变方波的占空比 但不能改变周期 2 三角波发生器 电压比较器 积分电路 u 0 u 0 u 0 uo1 UZ uo1 UZ u 0 uo1 UZ时 uo1 UZ时 设t 0时 给电路加电 uo1 UZ C开始充电 uo线性下降 uo1 UZ C放电 uo线性上升 uo1 UZ 周期和频率的计算 改进电路 3 锯齿波发生器 一 运放的选择 根据用途选择合适的型号 1 若要求放大电路对信号源的影响尽可能小 应选择输入电阻大的运放 2 若电路的输入为小信号 应选择KCMRR大的运放 另外 还有跟随性能良好的高速型运放 能耗低的低功耗运放 提高输出功率的大功率运放等 7 5集成运算放大器使用时的注意事项 二 运放的消振和调零 为了避免系统产生自激振荡 而使系统不能稳定工作 1 消振 加适当的补偿电容 2 调零 为了减小零漂对运放工作的影响 令UI 0时 UO 0 需要时外接消振和调零电路 三 运放的保护 1 电源保护 2 输入端保护 3 输出端保护 小结 1 理想运放 2 运放的传输特性uo f ui 3 理想运放线性应用时的两个重要结论 能根据两个重要结论推导输入与输出的关系式 一 运放的概念 二 运算放大器的线性应用 1 反相比例运算电路 2 同相比例运算放大器1 没有R32 有R33 跟随器 3 差动放大电路1 没有R32 有R3 4 反相加法运算电路 6 比例积分电路 PI 5 积分运算电路 7 微分运算电路 熟练掌握 电路 输出与输入关系式 输出波形 二 运算放大器的线性应用 1 反相比例运算电路 uo Rf R1 ui 2 同相比例运算放大器 电压跟随器 同相比例的另两中形式 3 差动放大电路 分析方法 叠加原理 功能 可做减法器 差动放大器 另一种形式的差放 4 反相加法运算电路 5 积分运算电路 U 则 Uom 比例 积分