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第5章集成运算放大器 5 5正弦波发生器 5 1集成运算放大器简介 5 2放大电路中的负反馈 5 3集成运放的线性应用 5 4集成运放的非线性应用 5 6集成运算放大器的正确使用 1 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义 2 理解运算放大器的电压传输特性 掌握理想运算放大器的基本分析方法 3 理解反馈的概念 掌握负反馈对放大电路性能的影响 4 掌握用集成运放组成的基本运算电路的工作原理 5 理解电压比较器的工作原理和应用 6 了解振荡电路自激振荡的条件和RC振荡电路的工作原理 本章要求 将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上 按集成度分 小 SSI 中 MSI 大 LSI 超大 VLSI 规模集成电路 集成电路 优点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 按功能分 模拟集成电路 数字集成电路 5 1集成运算放大器简介 IntegratedCircuits 集成运算放大器是模拟集成电路的一种 是高增益的直接耦合放大电路 简称集成运放 用于各种模拟信号的运算 如比例运算 微分运算 积分运算 具有高性能 低价位 在模拟信号处理和信号产生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路 5 1 1集成运放的结构和符号 输入级 中间级 输出级 同相输入端 输出端 反相输入端 1 结构 偏置电路 给各级电路提供稳定和合适的静态工作点 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 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 2 特点 电路元件制作在一个芯片上 元件参数偏差一致 温度均一性好 电阻元件的阻值范围在100 30k 且精度低 集成运放的大电阻用晶体管恒流源代替或采用外接 电容元件为200PF以下的小电容 大电容一般采用外接 二极管一般用三极管的发射结构成 高增益 高可靠性 低成本 小尺寸 Auo高 80dB 140dB rid高 105 1011 ro低 几十 几百 KCMRR高 70dB 130dB uo 输出端 u 反相输入端 u 同相输入端 uo与u 反相 uo与u 同相 LM741 集成运放的常用符号 3 符号 1 开环差模电压放大倍数Aod 一般约为80 140dB 即104 107倍 无外加反馈的情况下的差模电压放大倍数 增益 通常用分贝 dB 表示 2 共模抑制比KCMRR 一般KCMRR的值为80dB以上 越大越好 5 1 2集成运放的主要技术指标 衡量差动管向输入信号索取电流大小的标志 3 差模输入电阻rid 一般rid的值为2M 以上 越大越好 高达106M 4 开环输出电阻ro 反映集成运放的带负载能力 一般ro为几百 性能较高的集成运放的ro可小于100 UIO是为了使输出电压为0 在输入端加的补偿电压 反映了运放输入端两管的对称度 5 输入失调电压UIO 一般UIO的值为1 V 20mV 越小越好 7 最大输出电压UoppF007为 12V 13V 略低于 UCC 两个输入端静态电流IB1 IB2之差 6 输入失调电流IIO 一般IIO的值为1nA 0 1 A 越小越好 运放选择与使用的注意事项 尽量选择通用的运放 学会辨认管脚 搞清主要参数UCC ri ro Io等 搞清是否需要加直流偏置 搞清是否需要加调零电路及输入 输出的保护电路 5 1 3集成运放的电压传输特性与理想化模型 1 理想运算放大器的条件和符号 开环差模输入电阻rid 共模抑制比KCMR 开环输出电阻ro 0 开环差模电压放大倍数Aod 理想运算放大器的符号 2 电压传输特性 实际特性 理想特性 负反馈特性 线性区 放大区 非线性区 饱和区 线性区内 Ao 线性区间太窄 使用时必须加深度负反馈 使Ao降低 增宽线性区间 输出两种状态 u u 时 uo UOM u u 时 uo UOM UOM 12 13 V 5 2放大电路中的反馈 反馈 将放大电路输出信号 电压或电流 的部分或全部反送到输入端 控制输入信号 这一过程称为反馈 正反馈 反馈信号使净输入信号增大 放大倍数升高 称为正反馈 5 2 1反馈的基本概念 1 什么是反馈 负反馈 反馈信号使净输入信号减小 放大倍数降低 称为负反馈 实际放大电路中 总要引入反馈 以改善电路的性能 2 反馈的框图表示 开环系统 无反馈系统 开环系统 无反馈系统 净输入信号 开环放大倍数 闭环系统 有反馈系统 开环放大倍数 反馈系数 净输入信号 闭环放大倍数 其中 净输入信号 3 反馈深度分析 称为深度负反馈 4 反馈的类型 电压反馈和电流反馈 电压 电流看输出 故称为电压反馈 故称为电流反馈 从输出看 反馈量取自输出电压 并与之成比例 为电压反馈 反馈量取自输出电流 并与之成比例 为电流反馈 uf正比uo uf正比io 判别电压 电流反馈的方法 短接输出法 将输出端短接 反馈信号消失 称为电压反馈 将输出端短接 反馈信号仍存在 称为电流反馈 串联反馈和并联反馈 串联 并联看输入 故称为串联反馈 故称为并联反馈 判别串联 并联反馈的方法 短接输入法 将输入端短接 反馈信号消失 称为并联反馈 将输入端短接 反馈信号仍存在 称为串联反馈 反馈的类型 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 5 2 2反馈类型的判别 1 判别有无反馈 找反馈元件 a c d b e f 2 判别正 负反馈 瞬时极性法 标出反馈元件所接的输入端和输出端的瞬时极性 找出反馈信号 列出净输入信号的表达式进行判别 若净输入信号减弱为负反馈 若净输入信号增强为正反馈 ui uo RL R2 R1 RF a if ii id ud uf 电路为负反馈 电路为负反馈 if ii id ud uf 在单级运算放大器中 将反馈信号接到反相输入端为负反馈 电路为负反馈 电路为负反馈 3 判别电压 电流反馈 电压 电流看输出 if与uo有关 为电压反馈 if与uo有关 为电压反馈 反馈信号与输出电压从输出同一端引出时 为电压反馈 同出为压 反馈信号与输出电压不是从输出同一端引出时 为电流反馈 异出为流 RL不是直接接地 RL不是直接接地 if与io有关 为电流反馈 uf与io有关 为电流反馈 4 判别串联 并联反馈 串联 并联看输入 if与ii并联 为并联反馈 uf与ui串联 为串联反馈 反馈信号与输入电压从输入同一端引入时 为并联反馈 同入为并 反馈信号与输入电压不是从输入同一端引入时 为串联反馈 异入为串 电压并联负反馈 电压串联负反馈 电流并联负反馈 电流串联负反馈 ube uf 异出为流 异入为串 电流串联负反馈 ic uf ube ui uf ib ic 可见 电流负反馈稳定输出电流 ic ib 电路为负反馈 uf ube 同出为压 异入为串 电压串联负反馈 if ii ib 同出为压 同入为并 电压并联负反馈 电路为负反馈 电路为负反馈 uo if ib ii if uo 可见电压负反馈 稳定输出电压 ic ic 如 Rf只对交流起反馈作用 5 交流反馈与直流反馈 在反馈支路中串入隔直电容 为交流反馈 在反馈支路两端并联旁路电容 为直流反馈 如 RE2只有直流反馈 起稳定静态工作点的作用 反馈支路无电容时即有交流反馈也有直流反馈 如 RE1 为电压串联负反馈 为电流串联负反馈 为电流串联负反馈 试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路 解 因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出 所以是电压反馈 因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上 所以是串联反馈 因输入信号和反馈信号的极性相同 所以是负反馈 串联电压负反馈 先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号 ud 试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路 解 因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近 地 端引出的 所以是电流反馈 因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上 所以是并联反馈 因净输入电流id等于输入电流和反馈电流之差 所以是负反馈 并联电流负反馈 运算放大器电路反馈类型的判别方法 1 反馈电路直接从输出端引出的 是电压反馈 从负载电阻RL的靠近 地 端引出的 是电流反馈 2 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 同相或反相 上的 是并联反馈 3 对串联反馈 输入信号和反馈信号的极性相同时 是负反馈 极性相反时 是正反馈 4 对并联反馈 净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时 是负反馈 否则是正反馈 同出为压 异出为流 异入为串 同入为并 5 2 3负反馈对放大电路性能的影响 1 降低放大倍数 2 提高放大倍数的稳定性 用相对变化率判断稳定 负反馈时 或者 有闭环的放大倍数稳定性比开环好 3 改善非线性失真 有负反馈时的波形 4 展宽通频带 在BW内 AXO 高 反馈强 使 AXf 下降多 在BW外 AXO 低 反馈弱 使 AXf 下降少 这样使特性曲线的两端较平缓 所以通频带展宽 5 改变输入电阻和输出电阻 对输入电阻ri的影响 串联反馈使放大电路的输入电阻ri增大 深度负反馈 并联反馈使放大电路的输入电阻ri减小 深度负反馈 对输出电阻ro的影响 电压负反馈稳定输出电压 使输出电阻ro减小 A 为负载开路时的源电压放大倍数 深度负反馈 电流负反馈稳定输出电流 使输出电阻ro增大 A 为负载短路时的源电压放大倍数 深度负反馈 5 2 4放大电路引入负反馈的一般原则 1 欲稳定某个量 则引该量的负反馈 稳定直流 引直流反馈 稳定交流 引交流反馈 稳定输出电压 引电压反馈 稳定输出电流 引电流反馈 2 根据对输入 输出电阻的要求选择反馈类型 要提高输入电阻 采用串联反馈 要降低输入电阻 采用并联反馈 要求高内阻输出 采用电流反馈 要求低内阻输出 采用电压反馈 3 为使反馈效果强 根据信号源及负载确定反馈类型 信号源为恒压源 采用串联反馈 信号源为恒流源 采用并联反馈 要求负载能力强 采用电压反馈 要求恒流源输出 采用电流反馈 填空 直流负反馈 交流负反馈 交流正反馈 交流负反馈 交流负反馈 直流负反馈 2 如希望减小放大电路从信号源索取的电流 则可采用 如希望取得较强的反馈作用而信号源内阻很大 则宜采用 如希望负载变化时输出电流稳定 则应引入 如希望输出电压稳定 则应引入 串联负反馈 并联负反馈 电流负反馈 电压负反馈 如果需要实现下列要求 在交流放大电路中应引入哪种类型的负反馈 1 要求输出电压Uo基本稳定 并能提高输入电阻 2 要求输出电流Io基本稳定 并能减小输入电阻 3 要求输出电流Io基本稳定 并能提高输入电阻 答 电压串联负反馈 答 电流并联负反馈 答 电流串联负反馈 5 3集成运放的线性应用 5 3 1理想运放线性应用的分析依据 1 净输入端的电流近似为零 由rid i i 0 入端电流为零 虚断 2 净输入端的电位近似相等 由Aod u u 入端电位相等 虚短 5 3 2比例运算电路 1 反相比例运算 1 反相比例运算 反相端输入时 u 0称为 虚地 输入电阻 反馈类型 电压并联负反馈 平衡电阻 R2 R1 RF 共模电压 若RF R1时 则uo ui称为反相器 2 同相比例运算器 输入电阻 反馈类型 电压串联负反馈 平衡电阻 R2 R1 RF 共模电压 若RF 0 或R1 时 则uo ui称为同相器 电压跟随器 1 反相加法运算器 5 3 3加 减运算电路 2 同相加法运算器 此电路如果以up为输入 则输出为 3 减法运算器 解得 用叠加原理 ui1单独作用时 ui2单独作用时 1 积分运算器 输入方波 输出是三角波 5 3 4积分 微分运算电路 如果积分器从某一时刻输入一直流电压 输出将反相积分 经过一定的时间后输出饱和 U 积分时限 积分时限 2 微分运算器 u u 0 解得 3 比例 微分运算电路 PD调节器 if 上式表明 输出电压是对输入电压的比例 微分 控制系统中 PD调节器在调节过程中起加速作用 即使系统有较快的响应速度和工作稳定性 if 5 3 5测量放大电路 第一级 第二级 为减法器 uo1 uo2 求图示电路的uo与ui的运算关系 求图示电路的uo与ui1和ui2的运算关系 第一级 解 第二级 由叠加原理 ui1单独作用时 ui2单独作用时 5 3 5有源滤波器 1 滤波电路的分类 按信号分类 模拟滤波器和数字滤波器 按功能分类 按元件分类 无源滤波器和有源滤波器 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 2 一阶低通滤波器 无源滤波器 截止频率 无源滤波器缺点 带负载能力差 无放大作用 各级互相影响 一阶有源低通滤波器 电路为电压串联负反馈 输入电阻大 减轻信号源负担 有隔离作用 输出电阻小 具有较强的带负载能力 幅频特性 截止频率 有放大作用 带负载能力强 为了改善滤波效果可采用二阶有源低通滤波器 3 一阶有源高通滤波器 幅频特性 截止频率 4 带通与带阻滤波器 带通滤波器 低通的截止频率大于高通的截止频率 带阻滤波器 低通的截止频率小于高通的截止频率 模拟开关 模拟输入信号 1 电路 5 3 6采样保持电路 采样保持电路 多用于模 数转换电路 A D 之前 由于A D转换需要一定的时间 所以在进行A D转换前必须对模拟量进行瞬间采样 并把采样值保存一段时间 以满足A D转换电路的需要 用于数字电路 计算机控制及程序控制等装置中 采样存储电容 控制信号 电压跟随器 2 工作原理 采样阶段 uG为高电平 S闭合 场效应管导通 ui对存储电容C充电 uo uC ui 保持阶段 uG为0 S断开 场效应管截止 输出保持该阶段开始瞬间的值不变 采样速度愈高 愈接近模拟信号的变化情况 5 4集成运放的非线性应用 运放处于开环状态或正反馈状态 工作在非线性区 饱和区 运放的输出有两种状态 u u 时 uo UOM 高电平 u u 时 uo UOM 低电平 5 4 1理想运放非线性应用的分析依据 5 4 2电压比较器 1 过零电压比较器 2 电压传输特性 uo f ui 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 ui 输入电压 uR 参考电压 1 分析 UR 0 2 任意电压比较器 2 电压传输特性 DZ为限幅电路 1 分析 3 输出波形 设 UR为正值 UR 3 窗口比较器 uo uO1 uO2 设U1 U2 比较器采用单电源 UOmax 截止导通 UZ 0 UOmax 0 导通截止 UZ 0 0 截止截止 0 UZ U1 U2 三极管 值分选电路 分析电路是否满足要求 3CG 100 LED亮 50 100 LED不亮 LED 解 IB 15 0 7 1430 0 01mA 当 50时 IC 0 5mA UC 2 5V D2导通 LED亮 当 100时 IC 1mA UC 5V D1导通 LED亮 当50 100时 2 5V UC 5V LED不亮 4 迟滞比较器 电路组成 R1 R2引入了正反馈 门限电压 R3 DZ为限幅电路 传输特性 回差电压 回差电压越大 抗干扰能力越强 ui上升时看上门限 ui下降时看下门限 过了门限输出变 门限跟着输出变 试 画出uo的波形 具有参考电压的迟滞电压比较器 解 对图 1 上门限电压 下门限电压 电路如图所示 Uo sat 6V UR 5V RF 20k R2 10k 求上 下门限电压 1 2 解 对图 2 电路如图所示 Uo sat 6V UR 5V RF 20k R2 10k 求上 下门限电压 1 2 1 2 迟滞电压比较器 开关电路 1 方波发生器 2 门限电压UT 1 电路组成 RC积分电路 定时电路 5 4 3运放在波形产生方面的应用 波形发生器 产生一定频率 幅值的波形 如正弦波 方波 三角波 锯齿波等 特点 不用外接输入信号 即有输出信号 3 工作原理 设t 0时 uo UZ C充电 uC 当uC uTH时 uo UZ C放电 uC 当uC uTL时 uo UZ ui上升时看上门限 ui下降时看下门限 过了门限输出变 门限跟着输出变 T T1 T2 4 周期与频率 电容充放电过程 uC的响应规律为 t3 t2 t1 在充电过程中 在放电过程中 矩形波的周期 矩形波的频率 充放电时间常数相同 RC 矩形波常用于数字电路中作为信号源 占空比q 50 5 4 3压控方波产生电路 1 积分 施密特触发器型压控振荡器 压控恒流源 积分器 镜象电流源 uO UOL T3截止 uO UOH C充电至UT T3导通 C放电至UT uO UOL 占空比50 2 8038集成函数发生器 I01 原理 当Q 0 S断开 C充电 I01 至2 3VCC Q 1 当Q 1 S闭合 C放电 I02 I01 至1 3VCC Q 0 当I02 2I01 引脚9输出方波 引脚3输出三角波 当I02 2I01 引脚9输出矩形波 引脚3输出锯齿波 应用 正弦波失真度调整 正弦波失真度调整 正弦波输出 三角波输出 矩形波输出 调频偏置电压输入 调频偏置电压输出 接电阻RA 接电阻RB 接电容C VCC VEE 或地GND 调占空比和正弦波失真 A1 滞回比较器因u 0 所以当u 0时 A1状态改变 5 4 4三角波发生器 1 电路结构 A2 反相积分电路 方波 积分电路 三角波 2