第七章 集成运放的应用电路.ppt

1 第七章集成运算放大器的应用电路 7 1理想运算放大器7 2基本运算电路7 3非正弦波产生电路7 4有源滤波电路 2 7 1 1理想运算放大器的技术指标 开环差模电压增益 差模输入电阻 输出电阻 共模抑制比 3db带宽 输入失调电压 输入失调电流 输入偏置电流及它们的温漂均为零 7 1理想运算放大器 3 由于运放的开环放大倍数很大 输入电阻高 输出电阻小 在分析时常将其理想化 称其所谓的理想运放 一 在分析信号运算电路时对运放的处理 4 7 1 2运放工作在线性区时的特点 1 理想运放的差模输入电压等于零 即 2 理想运放的输入电流等于零 所以两个输入端均没有电流 虚短 虚断 5 7 1 3运放工作在非线性区时的特点 1 理想运放的输出电压Uo只有两种可能 当 2 理想运放的输入电流等于零 例 若UOPP 12V Ao 106 则 ui 12 V时 运放处于线性区 Ao越大 运放的线性范围越小 必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围 不再有 虚短 的关系 6 二 分析运放组成的线性电路的出发点 虚短路虚断路放大倍数与负载无关 可以分开分析 7 7 2 1比例运算电路 作用 将信号按比例放大 类型 同相比例放大和反相比例放大 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 7 2基本运算电路 8 为提高精度 一般取 1 比例运算电路 由第4章可知 电路为电压并联负反馈电路 即电路处于深度负反馈条件下 虚短和虚断成立 1 反相比例运算电路 利用虚短和虚断得 运算放大器输入端无共模信号运算电路输入电阻较小 由于运放的增益一般有 所以 输出与输入反相 9 共模电压 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小 10 反相比例电路的特点 1 共模输入电压为0 因此对运放的共模抑制比要求低 2 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 3 由于并联负反馈的作用 输入电阻小 ri ui ii R1 因此对输入电流有一定的要求 4 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 11 例 求Au 利用虚断的概念 当R3 I1 因而I4 I2 I3 比I1大得多 该放大电路 在放大倍数较大时 可避免使用大电阻 但R3的存在 削弱了负反馈 12 2 同相比例运算电路 uN u P ui 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 虚短 虚断 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 13 同相比例电路的特点 3 因为u u ui 不存在 虚地 现象 共模输入电压为ui 因此对运放的共模抑制比要求高 1 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 2 由于串联负反馈的作用 输入电阻大 14 此电路是电压并联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 在电路中作用与分离元件的射极输出器相同 但是电压跟随性能好 电压跟随器 结构特点 输出电压全部引到反相输入端 信号从同相端输入 电压跟随器是同相比例运算放大器的特例 15 7 2 2求和运算电路 作用 将若干个输入信号之和或之差按比例放大 类型 同相求和和反相求和 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 16 1 反相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 17 uo 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻 不影响输入电压和输出电压的比例关系 调节方便 18 2 同相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 19 此电路如果以u 为输入 则输出为 注意 同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响 不能单独调整 流入运放输入端的电流为0 虚开路 20 左图也是同相求和运算电路 如何求同相输入端的电位 提示 1 虚开路 流入同相端的电流为0 2 节点电位法求u uo 21 uo 解出 7 2 3减运算电路 差动放大器 22 差动放大器放大了两个信号的差 但是它的输入电阻不高 2R1 这是由于反相输入造成的 Rf 23 单运放的加减运算电路 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 uo 24 虚短路 虚开路 虚开路 25 例 设计一个加减运算电路 RF 240k 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 画电路 系数为负的信号从反相端输入 系数为正的信号从同相端输入 26 2 求各电阻值 uo 10ui1 8ui2 20ui3 27 优点 元件少 成本低 缺点 要求R1 R2 R5 R3 R4 R6 阻值的调整计算不方便 单运放的加减运算电路 改进 采用双运放电路 28 双运放的加减运算电路 29 例 A D变换器要求其输入电压的幅度为0 5V 现有信号变化范围为 5V 5V 试设计一电平抬高电路 将其变化范围变为0 5V uo 0 5ui 2 5V 30 uo 0 5ui 2 5V 0 5 ui 5 V 31 三运放电路 uo uo2 uo1 32 虚断 虚短 33 三运放电路是差动放大器 放大倍数可变 由于输入均在同相端 此电路的输入电阻高 34 例 由三运放放大器组成的温度测量电路 Rt 热敏电阻 集成化 仪表放大器 35 Rt f T C 36 1 它们都引入电压负反馈 因此输出电阻都比较小 2 关于输入电阻 反相输入的输入电阻小 同相输入的输入电阻高 3 同相输入的共模电压高 反相输入的共模电压小 比例运算电路与加减运算电路小结 37 输入方波 输出是三角波 积分运算 7 2 4积分运算电路 38 u u 0 ui 若输入 微分运算 7 2 5微分运算电路 39 应用举例2 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 40 其他一些运算电路 对数与指数运算电路 乘法与除法运算电路等 由于课时的限制 不作为讲授内容 积分电路的主要用途 1 在电子开关中用于延迟 2 波形变换 例 将方波变为三角波 3 A D转换中 将电压量变为时间量 4 移相 41 比例 积分 微分运算电路 PID电路 7 2 6PID调节电路 42 比例积分运算电路 PI调节器 比例微分运算电路 PD调节器 43 运算电路要求 1 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式 2 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算 3 会用 虚断 ii 0 和 虚短 u u 分析给定运算电路的放大倍数 44 1 电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较 输出只有两种可能的状态 高电平或低电平 2 比较器中的集成运放一般工作在非线性区 处于开环状态或引入正反馈 3 分类 单限比较器 滞回比较器及窗口比较器 4 比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元 在测量 控制 D A和A D转换电路中应用广泛 7 3非正弦波产生电路 7 3 1电压比较器 45 一 电压比较器的传输特性 1 电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系 2 阈值电压 UT 当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压 3 电压传输特性的三要素 1 输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值 2 阈值电压的数值UT 3 当uI变化且经过UT时 uO跃变的方向 46 二 理想运放的非线性工作区 UOM UOM 集成运放的电压传输特性 在电压比较器中 集成运放不是工作在开环状态 就是工作在正反馈 47 一 单限电压比较器 1 过零比较器 由于理想运放的开环差模增益为无穷大 所以 当uI 0时 uO UOM 当uI 0时 uO UOM 过零比较器的传输特性为 UOM为集成运放的最大输出电压 阈值电压 当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压 48 利用稳压管限幅的过零比较器 二 电路图 传输特性 问题 如将输入信号加在 端 传输特性如何 49 问题 过零比较器如图所示 输入为正负对称的正弦波时 输出波形是怎样的 传输特性 将正弦波变为矩形波 50 2 单限比较器 单限比较器有一个门限电平 当输入电压等于此门限电平时 输出端的状态立即发生跳变 当输入电压uI变化 使反相输入端的电位为零时 输出端的状态将发生跳变 门限电平为 UZ UZ 过零比较器是门限电平为零的单限比较器 51 存在干扰时单限比较器的uI uO波形 单限比较器的作用 检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平 缺点 抗干扰能力差 解决办法 采用具有滞回传输特性的比较器 52 电压比较器分析方法小结 1 由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH和输出低电平UOL 2 写出up和uN的电位表达式 令up uN 解得输入电压就是阈值电压UT 3 u0在uI过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端 当uI从反向输入端输入时 uIUT u0 U0L 反之 结论相反 53 例7 3 1 在图7 3 1所示电路中 UZ 6V 在图8 2 7中所示电路中 R1 R2 5k 基准电压UREF 2V 稳压管的稳定电压UZ 5V 它们的输入电压均为图7 3 2 a 所示的三角波 试画出图7 3 1所示电路的输出电压u01和图7 3 3所示电路的输出电压u02 解 图7 3 1为过零比较器 图7 3 3为一般单限比较器 图7 3 2例7 3 1波形图 54 2 滞回比较器 一 从反相输入端输入的滞回比较器电路 计算阈值电压UT 电压传输特性 uo从 UZ跃变到 UZ的阈值电压为 UTuo从 UZ跃变到 UZ的阈值电压为 UT uI在 UT与 UT之间增加或减小 uO不发生变化 55 UREF为参考电压 uI为输入电压 输出电压uO为 UZ或 UZ 当uP uN时 输出电压的状态发生跳变 比较器有两个不同的门限电平 故传输特性呈滞回形状 UT UT 二 加了参考电压的滞回比较器 56 若uO UZ 当uI逐渐减小时 使uO由 UZ跳变为 UZ所需的门限电平UT 回差 门限宽度 UT 若uO UZ 当uI逐渐增大时 使uO由 UZ跳变为 UZ所需的门限电平UT 57 例7 3 2 已知输入波形和电压传输特性 分析输出电压的波形 图7 3 5例7 3 2波形图 UZ 9V 58 3 窗口比较器 参考电压UREF1 UREF2 若uI低于UREF2 运放A1输出低电平 A2输出高电平 二极管VD1截止 VD2导通 输出电压uO为高电平 若uI高于UREF1 运放A1输出高电平 A2输出低电平 二极管VD2截止 VD1导通 输出电压uO为高电平 图7 3 6双限比较器 a 前面的比较器在输入电压单一方向变化时 输出电压只跃变一次 因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间 59 当uI高于UREF2而低于UREF1时 运放A1 A2均输出低电平 二极管VD1 VD2均截止 输出电压uO为低电平 上门限电平UTH UREF1 下门限电平UTL UREF2 UTH UTL 综上所述 双限比较器在输入信号uIUREF1时 输出为高电平 而当UREF2 uI UREF1时 输出为低电平 图7 3 6 b 60 补充 集成电压比较器 一 集成电压比较器的主要特点和分类 1 具有较高的开环差模增益 2 具有较快的响应速度 3 具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高 4 具有较低的失调电压 失调电流及较低的温漂 分类 单 双和四电压比较 通用型 高速型 低电压型和高精度型 普通 集电极 或漏极 开路输出或互补输出型 61 二 集成电压比较器的基本接法 1 通用型集成电压比较器AD790 62 2 集电极开路集成电压比较器LM119 金属封装的管脚图 电路为双限比较器 能实现线与功能 图7 3 7由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性 63 7 3 2矩形波发生电路 一 电路组成 RC充放电回路 滞回比较器 图7 3 8 滞回比较器 集成运放 R1 R2 充放电回路 R C 延迟环节 反馈网络 钳位电路 VDZ R3 稳幅环节 动画avi 14 1 avi 64 二 工作原理 设t 0时 uC 0 uO UZ 则 u u 当u uC u 时 t1 t2 则 当u uC u 时 输出又一次跳变 uO UZ 输出跳变 uO UZ 图7 3 9 65 三 振荡周期 电容的充放电规律 对于放电 解得 结论 改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻 即可改变振荡周期 振荡频率f 1 T 66 四 占空比可调的矩形波发生电路 图7 3 11a 使电容的充 放电时间常数不同且可调 即可使矩形波发生器的占空比可调 充电时间T1 放电时间T2 占空比D 图7 3 11b 67 7 3 3三角波发生电路 一 电路组成 图7 3 12采用波形变换的方法得到三角波 uO1为方波 电路分析 uO2为三角波 68 二 工作原理 当u u 0时 滞回比较器的输出发生跳变 图7 3 13 实用电路 左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路 传输特性 69 二 工作原理 当u u 0时 滞回比较器的输出发生跳变 图7 3 14 设t 0时 uO1 UZu0 0 70 三 输出幅度和振荡周期 解得三角波的输出幅度 当u u 0时 uO1跳变为 UZ uO达到最大值Uom 振荡周期 调节电路中的R1 R2 R3阻值和C的容量 可改变振荡频率 调节R1 R2的阻值 可改变三角波的幅值 71 图7 3 15a 7 3 4锯齿波发生电路 一 电路组成 二 输出幅度和振荡周期 图7 3 15b 正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反 动画avi 14 4 avi 72 补充 函数发生器 函数发生器是一种可以同时产生方波 三角波和正弦波的专用集成电路 当调节外部电路参数时 还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波 一 电路结构 ICL8038 1 二个电流源 2 二个同相输入单限比较器 3 RS触发器 4 二个缓冲电路 5 三角波变正弦波电路 73 当Q 0 S断开 C充电 IS1 至2 3VCC Q 1 当Q 1 S闭合 C放电 IS2 IS1 至1 3VCC Q 0 当IS2 2IS1 引脚9输出方波 引脚3输出三角波 当IS2 2IS1 引脚9输出矩形波 引脚3输出锯齿波 二 工作原理 Qn 1 S RQn 74 三 性能特点 ICL8038可单电源供电 也可双电源供电 75 四 常用接法 76 调占空比和正弦波失真 图7 3 16失真度减小和频率可调电路 77 滤波电路的分类 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 7 4有源滤波器 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 78 传递函数 幅频特性 相频特性 传递函数的定义 79 低通 高通 带通 带阻 四种典型的频率特性 80 无源滤波器的缺点 以一阶滤波器为例 传递函数 81 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 此电路的缺点 82 将两级一阶低通滤波器串接 各级互相影响 83 有源滤波器的优点 1 不使用电感元件 体积小重量轻 2 有源滤波电路中可加电压串联负反馈 使输入电阻高 输出电阻低 输入输出之间具有良好的隔离 只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路 无需考虑级间影响 3 除滤波外 还可放大信号 放大倍数容易调节 84 有源滤波器的缺点 1 不宜用于高频 2 不宜在高电压 大电流情况下使用 3 可靠性较差 4 使用时需外接直流电源 85 一 一阶有源低通滤波器 传递函数中出现 的一次项 故称为一阶滤波器 86 幅频特性 相频特性 87 有放大作用 3 运放输出 带负载能力强 幅频特性与一阶无源低通滤波器类似 电路的特点 2 o时 1 0时 88 解出 其中 二 二阶有源低通滤波器 传递函数中出现 的二次项 故称为二阶滤波器 89 90 R1 时 AF 1 o时 91 由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器 例 两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器 分析简单 92 一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别 阶数越高 幅频特性曲线越接近理想滤波器 93 如何组成高通滤波器 将低通滤波器中的R C对调 低通滤波器就变成了高通滤波器 94 三 一阶有源高通滤波器 95 幅频特性 96 四 带通滤波电路 BPF 只允许某一段频带内的信号通过 将此频带以外的信号阻断 阻 阻 fp1 fp2 通 图7 4 8 97 压控电压源二阶带通滤波电路 中心频率 通带电压放大倍数 图7 4 8 比例系数 fbw fp1 fp2 f0 Q 通频带 98 五 带阻滤波器 BEF 在规定的频带内 信号被阻断 在此频带以外的信号能顺利通过 f2 f1 通阻通 图7 4 9 99 常用有源带阻滤波电路 中心频率 通带电压