电工学__集成运算放大器_课件.ppt

轮机专业课件第16章集成运算放大器 16 1集成运算放大器概述 16 2反馈的基本概念 16 4基本运算电路 16 6RC正弦波振荡器 16 5电压比较器 16 3理想运算放大器 16 7有源滤波器 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 掌握理想运算放大电路的工作原理和基本分析方法 3 会判断运算放大电路的反馈类型 熟练分析集成运放构成的比例 加减运算电路 理解电压比较器的工作原理和应用 4 了解RC正弦波振荡器和有源滤波器的工作原理 本章要求 第4章集成运算放大器 集成运算放大器简介 集成运算放大器简称运放 是一种高电压放大倍数的直接耦合放大器 它工作在放大区时 输入和输出为线性关系 所以以称为线性集成电路 一般集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路 模拟集成电路按功能分为集成运算放大器 集成功率放大器 模拟乘法器 集成稳压器 16 1集成运算放大器概述 一 电路的基本组成及作用 输入级 要求输入电阻高 差模放大倍数高 抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强 都采用差分放大电路 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 偏置电路 为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流 决定各级的静态工作点 一般由恒流源电路构成 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 一 电路的基本组成及作用 16 1集成运算放大器概述 集成运算放大器符号 国际符号 国内符号 集成运放的特点 电压增益高 输入电阻大 输出电阻小 线性区 uo Auo u u 非线性区 u u 时 uo UOMu u 时 uo UOM 线性区 饱和区 O 二 电压传输特性 1 最大输出电压UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压 2 开环差模电压增益Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数 Auo愈高 所构成的运算电路越稳定 运算精度也越高 6 共模输入电压范围UICM运放所能承受的共模输入电压最大值 超出此值 运放的共模抑制性能下降 甚至造成器件损坏 愈小愈好 3 输入失调电压UIO4 输入失调电流IIO5 输入偏置电流IIB 三 主要参数 16 2反馈的基本概念 一 反馈的组成和基本关系式 基本放大电路 反馈网络 xi 输入信号 ii或ui xid 净输入信号 iid或uid xo 输出信号 io或uo xf 反馈信号 if或uf 开环放大倍数 反馈系数 闭环放大倍数 xid xi xf 负反馈方程 AF 环路放大倍数 1 AF 反馈深度 瞬时极性法假设某一瞬时 在放大电路的输入端加入一个正极性的输入信号 按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性 直至判断出反馈信号的瞬时极性 二 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上的 是串联反馈 加在同一个输入端上的 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 输入信号和反馈信号的极性相同时 是正反馈 极性相反时 是负反馈 设ui的瞬时极性为正 电压并联负反馈 电压反馈 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 例2 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 电流并联负反馈 例1 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 电压串联负反馈 Auo高 80dB 140dBrid高 105 1011 ro低 几十 几百 KCMR高 70dB 130dB 16 3理想运算放大器 1 理想运算放大器 Auo rid ro 0 KCMR 2 电压传输特性uo f uid 线性区 uo Auo u u 非线性区 u u 时 uo UOMu u 时 uo UOM 线性区 理想特性 实际特性 饱和区 O 1 理想运放工作在线性区的特点 uo Auo u u Auo rid 所以 1 差模输入电压约等于0即u u 称 虚短 2 输入电流约等于0即i i 0 称 虚断 电压传输特性 Auo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 2 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 UOM 2 仍存在 虚断 现象 当u u 时 uo UOMu u 时 uo UOM不存在 虚短 现象 1 线性应用集成运放引入负反馈 输入信号幅度足够小 以保证集成运算放大器的输出处于最大输出电压的范围内 集成运算放大器的应用 2 非线性应用集成运放工作在开环 无反馈 或引入正反馈 输出处于饱和状态 即输出为 UOM或 UOM 集成运算放大器电路分析的方法首先判断应用类型 然后利用理想运算放大器的特征对电路进行分析 运算放大器工作在线性区时 通常要引入深度负反馈 所以 它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数 而与运算放大器本身的参数关系不大 集成运放与外部电阻 电容 半导体器件等构成闭环电路后 能对各种模拟信号进行比例 加法 减法 微分 积分 对数 反对数 乘法和除法等运算 1 反相比例运算 以后如不加说明 输入 输出的另一端均为地 电压放大倍数 因虚短 所以u u 0 称反相输入端 虚地 反相输入的重要特点 因虚断 i i 0 i1 if 因要求输入端静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 RF 一 比例运算电路 16 4基本运算电路 电压并联负反馈 输入 输出电阻低 ri R1 共模输入电压低 结论 Auf为负值 即uo与ui极性相反 因为ui加在反相输入端 Auf只与外部电阻R1 RF有关 与运放本身参数无关 Auf 可大于1 也可等于1或小于1 因u u 0 所以反相输入端 虚地 因虚断 i i 0 所以i1 if 因虚短 所以u ui 2 同相比例运算 电压串联负反馈 输入电阻高 输出电阻低 共模输入电压可能较高 结论 Auf为正值 即uo与ui极性相同 因为ui加在同相输入端 Auf只与外部电阻R1 RF有关 与运放本身参数无关 Auf 1 不能小于1 u u 0 反相输入端不存在 虚地 现象 例 电路如下图所示 已知R1 10k RF 50k 求 1 Auf R2 2 若R1不变 要求Auf为 10 则RF R2应为多少 解 1 Auf RF R1 50 10 5 R2 R1 RF 8 3k 2 因Auf RF R1 RF 10 10故得RF Auf R1 10 10 100k R2 10 100 10 100 9 1k 当R1 且RF 0时 uo ui Auf 1 称电压跟随器 由运放构成的电压跟随器输入电阻高 输出电阻低 其跟随性能比射极输出器更好 左图是一电压跟随器 电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端 当负载RL变化时 其两端电压uo不会随之变化 因虚短 u u 0 平衡电阻 R2 Ri1 Ri2 RF 因虚断 i 0 所以ii1 ii2 if 1 反相加法运算电路 二 加法运算电路 u 2 同相加法运算电路 u u 平衡电阻 Ri1 Ri2 R1 RF 方法2 叠加原理ui1单独作用 ui2 0 时 同理 ui2单独作用时 1 输入电阻低 2 共模电压低 3 当改变某一路输入电阻时 对其它路无影响 同相加法运算电路的特点 1 输入电阻高 2 共模电压高 3 当改变某一路输入电阻时 对其它路有影响 反相加法运算电路的特点 由虚断可得 由虚短可得 如果R1 R2 R3 RF 如果R1 R2 R3 RF 三 减法运算电路 i1 if if 四 积分运算电路 i1 if 五 微分运算电路 将比例运算和积分运算结合在一起 就组成比例 积分运算电路 电路的输出电压 上式表明 输出电压是对输入电压的比例 积分 这种运算器又称PI调节器 常用于控制系统中 以保证自控系统的稳定性和控制精度 改变RF和CF 可调整比例系数和积分时间常数 以满足控制系统的要求 16 5电压比较器 电压比较器的功能 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小 当两者幅度相等时输出电压产生跃变 由高电平变成低电平 或者由低电平变成高电平 由此来判断输入信号的大小和极性 用途 数模转换 数字仪表 自动控制和自动检测等技术领域 以及波形产生及变换等场合 运放工作在开环状态或引入正反馈 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 UOM或 UOM当u u 时 uo UOMu u 时 uo UOM不存在 虚短 现象2 i i 0仍存在 虚断 现象 电压传输特性 1 基本电压比较器 电压传输特性 UOM UOM 运放处于开环状态 阈值电压 门限电平 输出跃变所对应的输入电压 当u u 时 uo UOMu u 时 uo UOM 即uiUR时 uo UOM 可见 在ui UR处输出电压uo发生跃变 参考电压 单限电压比较器 当ui单方向变化时 uo只变化一次 ui UR uo UOMui UR uo UOM 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 利用电压比较器将正弦波变为方波 过零电压比较器 设稳压管的稳定电压为UZ 忽略稳压管的正向导通压降则uiUR uo UZ uiUR时 uo UOM 输出带限幅的电压比较器 电路中引入正反馈 当uo UOM 则 当uo UOM 则 门限电压受输出电压的控制 R2 2 滞回比较器 两次跳变之间具有迟滞特性 滞回比较器 根据叠加原理 有 改变参考电压UR 可使传输特性沿横轴移动 当参考电压UR不等于零时 定义 回差电压 与过零比较器相比具有以下优点 1 改善了输出波形在跃变时的陡度 2 回差提高了电路的抗干扰能力 U越大 抗干扰能力越强 结论 1 调节RF或R2可以改变回差电压的大小 2 改变UR可以改变上 下门限电压 但不影回差电压 U 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 解 对图 1 上门限电压 下门限电压 例 电路如图所示 UOM 6V UR 5V RF 20k R2 10k 求上 下门限电压 1 2 解 对图 2 例 电路如图所示 UOM 6V UR 5V RF 20k R2 10k 求上 下门限电压 1 2 1 2 16 6RC正弦振荡器 信号产生电路 振荡器 Oscillators 分类 正弦波振荡 非正弦波振荡 RC振荡器 1kHz 数百kHz LC振荡器 几百kHz以上 石英晶体振荡器 频率稳定度高 方波 三角波 锯齿波等 主要性能要求 输出信号的幅度准确稳定 输出信号的频率准确稳定 正弦波振荡电路的工作原理介绍 一 振荡条件 微弱的电扰动中 某一频率成分通过正反馈逐渐放大 则产生正弦振荡 振幅平衡条件 相位平衡条件 n 0 1 2 二 起振 稳幅 起振条件 1 Fu Au 1 Fu O ui uo Au uo AuFu 1 AuFu 1 Ui1 Uo1 Uf1 Ui2 Uo2 Uf2 Ui3 Uo3 Uf2 Ui4 Uo4 uf 起振 稳幅 三 电路的组成和起振的判断 1 放大电路Au 2 正反馈网络Fu 3 选频网络 实现单一频率的振荡 4 稳幅环节 使振荡稳定 波形好 满足振荡条件 组成 判断 1 检查电路组成 2 Q 是否合适 3 是否满足起振条件 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 1 选频电路 RC正弦振荡器 2 用运放组成的RC振荡器 所以 要满足相位条件 只有在fo处 能自行启动的实际电路 R22为一小电阻 使 R21 R22 略大于2R1 AF 1 以便起振 随着uo的增加 R22逐渐被短接 A自动下降到使 AF 1 使得输出uo稳定在某值 电子琴的振荡电路 16 7有源滤波器 滤波器是一种选频电路 1 按信号性质分类 3 按电路功能分类 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 2 按所用元件分类 模拟滤波器和数字滤波器 无源滤波器和有源滤波器 4 按阶数分类 一阶 二阶 高阶 设输入为正弦波信号 则有 故 1 有源低通滤波器 若频率 为变量 则电路的传递函数 其模为 当 0时 T j 衰减很快 显然 电路能使低于