电工与电子技术-第8章 运放的概念和应用.ppt

第8章集成运算放大器 学习要点 集成运算放大电路的分析负反馈的概念及应用模拟运算电路信号处理电路 集成运算放大器是一个具有很高放大倍数的 直接耦合的多级放大电路 集成电路具有成本低 体积小 重量轻 耗能低 可靠性高等一系列优点 8 1集成运算放大器电路概述 8 1 1集成电路及集成运放的基本知识 集成电路 IC 是60年代初期发展起来的一种新型电子器件 它采用半导体制造工艺 在一小块硅单晶片上制成许多晶体管 电阻 电容 同时把它们连接成具有特定功能的电子线路 1 集成电路及种类 按照集成电路的构成原理和功能 可划分成数字集成电路与模拟集成电路两类 前者主要用来产生或处理各种数字信号 后者主要用于产生 放大和加工各种模拟信号以及完成模拟与数字信号之间的相互转换 2 集成运算放大电路 线性集成运算放大器也称为集成运算放大器 简称集成运放或运放 其实质是一种高增益的并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路 输入级一般是具有晶体管恒流源的双端输入 差动放大电路 其输入电阻高 共模抑制比高 零点漂移小 运算放大器种类很多 内部电路各不相同 但就基本组成都分来说又互相类似 都包含有偏置电路 输入级 中间级 输出级四大部分 中间级的主要作用是进行电压放大 使集成运放具有很高的电压放大倍数 输出级多采用射极输出器或互补对称射极输出电路 有较大的输出功率和较强的带负载能力 1 集成运放的符号 1 线性放大区 2 集成运放的电压传输特性 2 非线性放大区 8 1 2集成运放的特性分析 输出端 反相输入端 同相输入端 图中A和B两点之间 图中A和B两点以外 输出电压和输入电压不成线性关系 1 集成运放的参数 8 1 3集成运放的参数和使用注意事项 1 差模输入电阻rid 是集成运放没有外接反馈电阻的开环情况下 从两个输入端看进去的等效电阻 2 开环输出电阻ro 是指运放在没有外接反馈电阻的开环情况下的输出电阻 3 开环电压放大倍数A0 指输出端开路 没有外接反馈电阻的开环情况下 输入信号为很小的低频电压信号时 集成运放的电压放大倍数 4 共模抑制比KCMRR 表示运放对共模信号的抑制能力 5 最大差模输入电压 运放两输入端间所能承受的最大差模输入电压值 6 最大共模输入电压 当加在运放输入端的共模电压超过一定范围时 运算放大器失去抑制共模信号的能力 同时失去差模放大能力 7 最大输出电压UOM 是在一定的电源电压下 运放的最大不失真输出电压的峰一峰值 8 输入失调电压UOS 将输入电压为0时 不等于0的输出电压折算到运放输入端的有效输入电压 称为输入失调电压 9 输入偏置电流IB 运放在输出电压为0时 同相输入端和反相输入端的偏置电流的平均值 10 输入失调电流IOS 运放两输入端的偏置电流之差的绝对值 2 使用时易出现的问题和解决措施 1 工作时产生自激振荡 用示波器接在输出端有时可看到频率较高的且近似为正弦的波形 偶尔也出现低频振荡的情况 消除自激振荡的办法通常是外接RC消振电路或消振电容 2 消振后如输入电压为0时输出电压仍不为0 必须调零 调零时应将电路接成负反馈闭环 将2个插入端接地 调节集成运放外接的调零电位器RP 使输出电压为零 3 漂移现象严重 如果折合到输入端的输出漂移量和温漂的指标属于同一数量级 那将是正常的现象 但如果漂移量过大 则在运放本身完好的条件下应该注意以下几方面的问题 接线是否有虚焊 运放是否自激振荡或受强电磁场的干扰 输入回路的保护二极管是否受到光的照射 运放是否靠近发热元件 调零电位器动端的接触是否良好以及它的温度系数是否和运放所要求的一致 1 集成运放的理想化 分析运放的应用电路时 首先将集成运放当作理想运算放大器 然后判断其中的集成运放工作在线性区还是非线性区 在此基础上分析具体电路的工作原理 其它问题也就迎刃而解 2 分析方法 1 工作在线性区时 虚短 8 1 4集成运放的理想化及分析方法 实际上完全理想化的集成运算放大器是不存在的 但是只要满足一定的条件 实际运算放大器可视为理想运算放大器 用理想运算放大器分析实际运放电路既简单又方便 且误差很小 虚断 u u id 0 1 工作在非线性区时 虚断 输出电压只取两个值 id 0 和 和 8 2负反馈的概念及应用 8 2 1反馈的基本概念 1 反馈的定义 反馈是一个非常重要的概念 它在电和非电领域都得到了广泛的应用 通常自动控制和自动调节系统都是基于反馈原理构成的 在放大电路中适当引入反馈 可以改善放大电路的性能 反馈是一个广义的概念 通常是指将一个系统 电的或非电的 的全部或部分输出量反送回系统的输入端 与系统的输入量相叠加 以改善系统性能的措施 通常情况下 若电路中存在反馈 我们称该电路处于闭环状态 若电路中不存在反馈 我们称该电路处于开环状态 根据反馈信号对输入信号的作用不同 反馈可分为正反馈和负反馈两大类型 2 正 负反馈及其判别 瞬时极性法 反馈信号增强输入信号的叫做正反馈 而削弱输入信号的叫做负反馈 在应用瞬时极性法判别反馈的类型时 可先任意设定输入信号的瞬时极性为正或为负 在电路图上以 或 标记 然后 沿反馈环路逐步确定反馈信号的瞬时极性 再根据它对输入信号的作用 增强或削弱 即可确定反馈类型 1 正 负反馈 2 正 负反馈的判断 如图放大电路中 RF跨接在输出和反相输入端之间 故将输出电压返送回输入端而引入反馈 3 极性判断举例 若设输入信号瞬时极性为正 以 标记 则输出信号瞬时极性为负 以 标记 经RF反送回输入端 反馈信号瞬时极性为负 即与输入信号瞬时极性相反 这说明 若输入信号使反相输入端电位瞬时升高 则由于反馈 使反相输入端电位瞬时降低 即反馈信号消弱了输入信号的作用故可判定为负反馈 为便于分析 通常将反馈放大器划分为基本放大器 反馈网络 采样网络 求和网络四部分 3 反馈方式及其判别 采样网络可以对输出电压采样 即将uo作为反馈网络的输入 得到的反馈信号与uo成一定函数关系 这种反馈称为电压反馈 也可以对输出电流io作为反馈网络的输入信号 得到的反馈信号与io成一定函数关系 此种反馈称为电流反馈 1 电压反馈与电流反馈 2 串联反馈与并联反馈 在求和网络中 反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加 来影响基本放大电路的输入电流 这样的反馈称为并联反馈 反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加 来影响基本放大器的输入电压 这样的反馈称为串联反馈 综合采样和叠加的两种情况 可将反馈分为四种组态 方式 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联 3 电压反馈和电流反馈的判别方法 输出端短路法 将被采样的一级放大器的输出端交流短路 即令uo 0 若反馈作用消失 则为电压反馈 否则为电流反馈 左图 将出口 RL两端 交流电路 使输出电压uo为零 但输出电流io仍然流过取样电阻RE2 产生电压降并经过RF返送回放大器的输入端 即反馈依然存在 故可判定为电流反馈 右图 将出口交流短路 使输出电压uo为零 则电阻R2接地 与R1并联 反馈作用消失 故可判定为电压反馈 串联反馈和并联反馈可以根据电路结构确定 当反馈信号和输入信号接在放大器的同一点 另一点往往是接地点 时 一般可判定为并联反馈 而接在放大器的不同点时 一般可判定为串联反馈 4 串联反馈和并联反馈的判别方法 左图 反馈信号和输入信号都接在晶体管的基极和地之间 故为并联反馈 右图 输入信号接在集成运算放大器的同相输入端和地之间 而反馈信号反馈到集成运算放大器的反相输入端和地之间 不再同一点 故为串联反馈 8 2 2反馈的一般表示法 1 反馈的方框图表示法 方框中的A表示基本放大器的转移函数 或称为反馈放大器的开环放大倍数 F表示反馈网络的反馈系数 输入信号 输出信号 反馈信号 2 负反馈放大电路的一般表达式 开环放大倍数 反馈系数 净输入信号 闭环放大倍数 负反馈放大电路的一般表达式 叫反馈深度 反馈深度是一个非常重要的概念 引入反馈后 放大电路性能的改变几乎都与反馈深度有关 其中 不难看出 若反馈深度大于1 即为负反馈 其值越大 表明负反馈越强烈 或称负反馈越深 否则为正反馈 8 2 3负反馈对放大电路性能的影响 在负反馈放大电路中 虽然反馈信号削弱了输入信号 使净输入信号减小 放大倍数下降 但是利用负反馈却可以使其他指标得到改善 1 稳定放大倍数 即闭环放大倍数的相对变化率小于开环放大倍数的相对变化率 2 减小非线性失真 加反馈前 失真 加反馈后 改善 3 展宽通频带 由于电路总电容的影响 阻容耦合放大器的放大倍数 在高频和低频段都要下降 引入负反馈可以减小各种因素 当然也包括这些电容 的影响 使放大倍数在比较宽的频段上趋于稳定 即展宽了频带 4 对输入输出电阻的影响 串联反馈 由于反馈电压和输入电压反极性串联叠加 使输入电流减小 故可使输入电阻增大 并联反馈 由于反馈电流和净输入电流并联 使输入电流增加 故可使输入电阻减小 电压反馈 由于对输出电压采样 反馈信号正比于输出电压 而反馈的作用是使输出电压趋于稳定 使其受负载变动的影响减小 即使放大器的输出特性接近理想电压源特性 故而使输出电阻减小 相反 电流反馈 放大器的输出特性接近理想电流源特性 故而使输出电阻增大 负反馈对输入和输出电阻的影响 因反馈方式而异 对输入电阻的影响仅与输入端反馈的连接方式 叠加方式 有关 对输出电阻的影响仅与输出端反馈的连接方式 采样方式 有关 8 3模拟信号运算电路 集成运放适当引入反馈后 可以使得输入与输出之间具有某种特定的函数关系 即特定的模拟运算 如加 减 积分 微分等 这就构成了模拟运算电路 简称运算电路 8 3 1比例运算电路 1 反相比例运算电路 1 电路结构 2 输出电压 其中 平衡电阻 利用虚短和虚断法 可见 输出电压与输入电压成比例 比例系数是负的 当取R1 R2时称为反相器或反号器 根据欧姆定律 2 同相比例运算电路 1 电路结构 2 输出电压 其中 平衡电阻 利用虚短和虚断法 可见 输出电压与输入电压也成比例 只是比例系数是正的 而且还大于1 根据欧姆定律 3 电压跟随器 当R1 时 同相比例放大电路的uo ui 即此时输出电压与输入电压大小相等 相位相同 uo跟随ui变化 称为电压跟随器或同号器 电压跟随器 8 3 2加法与减法运算电路 1 反相加法运算电路 1 电路结构 2 输出电压 其中 取平衡电阻R Ri1 Ri2 R2 利用虚短和虚断法 根据欧姆定律 在测量和自动控制系统中 这个电路常用于对各种输入信号按不同比例进行综合 这种电路调节输入信号与输出电压的比例系数很方便 2 加 减法运算电路 1 电路结构 2 输出电压 当选取Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 R1 R R2时 也可以利用两个运算放大器构成加 减运算电路 如下图所示 图8 16双运放加 减运算电路 例8 2 双运放加减电路如图8 16示 图中各电阻的阻值为Ri1 24K Ri2 30K Ri3 240K Ri4 12K R21 R22 240K 试求输出电压uo的表达式 并配置平衡电阻 解 第一个集成运放的输出电压 输出电压 两个平衡电阻 8 3 3积分与微分运算电路 1 积分运算电路 1 电路结构 2 输出电压 根据欧姆定律 经过电容引入反馈 根据电容元件的伏安关系 利用虚短 虚断法 输出电压正比于输入电压对时间的积分 可以用来对输入信号进行积分运算 2 微分运算电路 1 电路结构 2 输出电压 根据欧姆定律和电容元件的伏安特性及虚短 虚断法 该电路的输出电压正比于输入电压对时间的微分 可以用来对输入信号进行微分运算 RC称为微分时间常数 基本反相积分运算电路的基础之上 对运算放大器外部电路和元件进行适当的调整还可构成其它形式的积分运算电路 如求和积分运算电路 同相积分运算电路 差动积分运算电路等 积分和微分巧妙地利用了电容元件的伏安特性 实际电路中 可以利用一些非线性器件的特殊的伏安特性可以实现其它运算关系 8 4信号处理电路 8 4 1有源滤波电路 滤波器是一种选频网络 它对于所选定的频率范围内的信号衰减较小 能使其顺利通过 而对于频率超出此范围的信号则衰减较大 使其不易通过 不同的滤波器具有不同的频率特性 大致可分为低通 高通 带通和带阻四种 频率特性如图 1 滤波电路及种类 图8 20滤波器的频率特性 2 低通滤波电路 1 一阶有源低通滤波电路结构 2 频率特性 其中 传递函数 幅频特性表达式 幅频特性曲线 0 段频率的信号 频率大于段频率的信号 即实现了低通滤波 一阶有源低通滤波器的幅频特性与理想特性相差较大 滤波效果不够理想 采用二阶或高阶有源滤波器可明显改善滤波效果 3 其它有源滤波电路 1 高阶有源低通滤波电路 2 一阶高通滤波电路幅频特性特性 3 带通滤波电路 4 带阻滤波电路 将低通和高通滤波器串联 将低通和高通滤波器并联 8 4 2电压比较器 电压比较器要完成的功能是对两个模拟信号进行比较 然后按比较的结果去决定执行机构的动作 在电压比较器中 集成运放工作在传输持性的非线性区域 这时电路处于开环或正反馈工作状态 1 电路和工作原理 图8 26简单电压比较电路及电压传输特性 基准电压 us UREF时uo UOM us UREF时uo UOM 2 阈值电压 把比较器输出电压从一个电平跳变到另一电平时所对应的输入电压值称为阈值电压 3 具有限幅措施的电压比较器 1 输入端加限幅措施 2 输出端加限幅措施 图8 27具有限幅措施的比较器 4 电压比较器的简单应用 电压比较器主要用于波形变换 整形以及电