负反馈和集成运放.ppt

第三章集成运算放大器及反馈 3 1集成运算放大器3 2放大电路中的反馈3 3集成运算放大器的应用 图2 1自动励磁调节器局部电路框图 自动化系统中需要的放大器一般都采用集成运放 要实现自动调节还必须在电路中引入反馈 第三章集成运算放大器及反馈 目前大多数自动化系统中的放大器 都采用集成运算放大器 集成运放应用非常广泛 下图是自动励磁调节器中的综合放大单元 其中的A即集成运放 自动励磁调节器中的综合放大单元 A 微机励磁调节器中的模拟信号直流采样电路图 图中的A是集成运算放大器 A D式模拟量输入通道框图 采样保持器的基本电路 变电站综合自动化系统中各子系统的典型硬件结构图 第三章负反馈和集成运放 3 1概述 3 2放大电路中的反馈进入 3 3集成运放的线性运用进入 3 1集成运算放大器 3 1 1集成运算放大器简介3 1 2集成运放的组成及表示符号进入3 1 3集成运放的主要参数进入 3 1 1集成运算放大器简介 一 什么是集成电路 利用集成工艺 将电路的所有元件及联接导线集成在同一块硅片上 封装在管壳内 成为一个具有特定功能的完整电路即集成电路 二 集成电路的分类 按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类 模拟集成电路又称线性集成电路 集成运算放大器 简称集成运放 是模拟集成电路中品种最多 应用最广泛的一类组件 1 元器件具有良好的一致性和同向偏差 因而特别有利于实现需要对称结构的电路 2 集成电路的芯片面积小 集成度高 所以功耗很小 在毫瓦以下 3 不易制造大电阻 常用有源负载代替大电阻 4 只能制作几十pF以下的小电容 如需大电容 只能外接 5 不能制造电感 如需电感 只能外接 三 集成电路的工艺特点 3 1 2集成运放的组成及表示符号 集成运放是高增益 多级 直接耦合放大电路 集成运放常见外形图 集成运放管脚排列图示例 输入级 主要任务是抑制零点漂移和提高输入电阻 通常采用差动式放大电路 中间级 主要任务是提供足够大的电压放大倍数 通常采用共射放大电路 输出级 主要任务是有足够大的输出功率和较强的负载能力 通常采用互补对称功率放大电路 偏置电路 主要任务是为各级放大电路提供合适的偏置电流 通常采用各种恒流源电路 一 集成运放的组成 二 通用型集成运放F007原理图 输入级 中间级 输出级 三 集成运算放大器符号和特点 中国的部颁标准符号 仿真 A741的典型连接图 1 输入失调电UIO小好 3 1 3集成运算放大器的主要参数 2 输入失调电压温漂dUIO dT小好 4 输入失调电流IIO小 3 输入偏置电流IIB小 5 输入失调电流温漂dIIO DT 小 6 最大差模输入电压Uidmax 7 最大共模输入电压Vicmax 8 开环差模电压放大倍数Aod 无反馈时的差模电压增益 一般Aod在100 120dB左右 高增益运放可达140dB以上 9 差模输入电阻rid 双极型管输入级约为105 106欧姆 场效应管输入级可达109欧姆以上 10 共模抑制比KCMR KCMR 20lg Avd Avc dB 其典型值在80dB以上 性能好的高达180dB 特殊集成运算放大器 反映集成运放性能的好坏有几十个参数 一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的 也是不必要的 通用型运放 各种参数指标都不算太高 但比较均衡 适用于量大面广 没有特殊要求的场合 特殊类型的集成运放 在某一个或几个参数上有很高的性能 而其他参数一般 用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择 以满足某些方面的特殊要求 特殊运放有高输入阻抗型 高精度低漂移型 高速型 低功耗型 大功率型等等 3 2 1反馈的概念3 2 2反馈的分类和性质进入3 2 3交流负反馈对放大器性能的影响进入 3 2放大电路中的反馈 输入量 ui uBE iB 反馈 将电子系统输出回路的电量 电压或电流 以一定的方式送回到输入回路的过程 3 2 1反馈的概念 输出量 uo uCE ic 正向传输 信号从输入端到输出端的传输 例 稳定工作点电路中 反向传输 正向传输 开环与闭环的概念 电路中只有正向传输 没有反向传输 称为开环状态 正向传输 信号从输入端到输出端的传输 反向传输 反馈 信号从输出端到输入端的传输 电路中既有正向传输 又有反馈称为闭环状态 信号的正向传输 信号的正向传输 反馈 反向传输 图3 6反馈放大器方框图和例图 a 闭环放大器方框图 b 反馈放大器示例 开环放大倍数 反馈系数 输出信号 原输入信号 反馈信号 净输入信号 反馈放大电路的方框图 闭环放大倍数 交 直流并存的反馈 交流反馈 3 2 2反馈的分类和性质 一 交流反馈和直流反馈 二 反馈极性 负反馈与正反馈 负反馈 净输入量减小 例 如图电路引入反馈后 ube ui uf 净输入ube 原输入ui 正反馈 使净输入量增加 所以Re引入的是负反馈 级间反馈通路 净输入量 R2引入级间负反馈 例 单级反馈 反馈只存在于某一级放大器中 级间反馈 反馈存在于两级以上的放大器中 本级反馈与级间反馈的概念 三 反馈类型 反馈信号在输入端的联接分为串联和并联两种方式 串联反馈 反馈网络与基本放大器输入端串联 反馈信号以电压的形式出现 并联反馈 反馈网络与基本放大器输入端并联 反馈信号以电流的形式出现 1 串联反馈和并联反馈 2 电压反馈和电流反馈 电压反馈 反馈网络与基本放大器输出端并联 反馈信号取自于输出电压 即反馈信号的大小与输出电压成比例 电流反馈 反馈网络与基本放大器输出端串联 反馈信号取自于输出电流 即反馈信号的大小与输出电流成比例 负反馈类型有四种组态 串联电压负反馈 并联电压负反馈 串联电流负反馈 并联电流负反馈 串联电压负反馈 并联电压负反馈 并联电流负反馈 串联电流负反馈 3 2 3负反馈对放大电路性能的影响 提高增益的稳定性 减少非线性失真 扩展频带 改变输入电阻和输出电阻 交流负反馈 降低放大倍数 使放大器的性能得以改善 改变输入电阻和输出电阻 串联负反馈使输入电阻增加 串联负反馈适合用电压信号源 1 串联负反馈或并联负反馈改变输入电阻 2 并联负反馈使输入电阻减小 并联负反馈适合用电流信号源 电流负反馈使输出电阻增加 电流负反馈稳定输出电流 2 电压负反馈或电流负反馈改变输出电阻 2 电压负反馈使输出电阻减小 电压负反馈稳定输出电压 为改善性能引入负反馈的一般原则 要稳定直流量 引直流负反馈 要稳定交流量 引交流负反馈 要稳定输出电压 引电压负反馈 要稳定输出电流 引电流负反馈 要增大输入电阻 引串联负反馈 要减小输入电阻 引并联负反馈 3 3集成运算放大器的应用 3 3 1集成运算放大器应用基础3 3 2基本运算电路进入 3 3 1集成运放应用基础 一 运算放大器的理想指标 开环电压增益Aod 差模输入电阻Rid 输出电阻Ro 0 共模抑制比KCMR UIO IIO UIO IIO均为零 输入偏置电流IIB 0 3BdB带宽fH 1 集成运放的传输特性 设 电源电压 VCC 12V 运放的Aod 104 则 Ui 1mV时 运放处于线性区 Aod越大 线性区越小 当Aod 时 线性区 0 二 理想运放的工作特点 仿真 1 集成运放的非线性工作区 理想运放工作在非线性区时的重要特点 1 Ii Ii 0 虚断 2 若U U 则UO UOPP 若U U 则UO UOMPP 若U U 则UO 0 工作在非线性区的条件 电路开环工作或引入正反馈 ui u u 2 集成运放的二种工作状态 仿真 2 集成运放非线性工作状态的应用 若ui UREF则UO UOPP 若ui UREF则UO UOPP 若ui UREF则UO 0 应用举例 1 单限比较器 比较器电路可用于图中的电压检测部分 图中的C1和C2均组成比较器 2 滞回比较器 若uI UT 则UO UOPP 若uI UT 则UO UOPP 应用举例 电平检测 励磁调节器中的电源监视电路 电源电压偏离5 0 5V时发出故障信号 A2和A3组成的滞回比较器 1 Ii Ii 0 虚断 因为Rid 2 u u 虚短 因为Au 2 集成运放的二种工作状态 运放工作在线性区的重要特点 2 集成运放的线性工作区为了扩大运放的线性区 给运放电路引入负反馈 集成运放工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈 仿真 3 3 2集成运放的线性应用 信号运算电路 一 比例运算电路1 反相比例运算电路 反相放大器 i1 if 虚断 利用运放线性工作的特点有 u u 0 虚地 Rf引入了深度负反馈使电路工作在线性状态 输入端电阻平衡要求 R2 R1 Rf 则 或 可见 输出信号与输入信号大小成比例 相位相反 R2 R1 Rf 特例 当Rf R1时 uo ui 反号器 反相器 仿真 例 如下图电路 R1 10k Rf 20k ui 1V 求 uo R0 取R0 6 8K 采用T型反馈网络的反相比例电路 目的 在高比例系数时 避免R1阻值太小 使输入电阻太小 2 同相比例运算电路 同相放大器 u u ui 虚短 i1 if 虚断 其中 Rf引入深度负反馈 平衡电阻R R1 Rf 利用运放线性工作的特点有 即 所以 2 同相比例运算电路 其中 Rf引入深度负反馈 平衡电阻R R1 Rf 可见 输出信号与输入信号大小成比例 相位相同 特例 当R1 或Rf 0时uo ui 电压跟随器 仿真 Au 1 电压跟随器 此电路是同相比例运算的特殊情况 输入电阻大 输出电阻小 在电路中作用与分立元件的射极输出器相同 但是电压跟随性能更好 ui uo 采样保持器的基本电路 应用举例 微机励磁调节器中的模拟信号直流采样电路图 A2为电压跟随器 A为电压跟随器 若R1 R2 Rf 平衡电阻R0 R1 R2 Rf i1 i2 if 二 反相求和电路 加法运算电路 输出信号等于输入信号按一定比例求和 仿真 上图是一个反相求和电路 与基本电路相比较 此电路增加了一些辅助环节 它将反馈电压 竞比电压 补偿电压等等调节 限制信号 进行求和并放大 综合放大 实现自动调节并提高调节的灵敏度 其中VD5 VD6是输入端的限幅保护 VT1 VT2接成互补对称功放电路 使信号得到功率放大 提高带负载的能力 综合放大单元的输出电压作为移相触发单元的控制电压 电力系统的自动励磁装置中的综合放大单元 应用举例 4位D A转换器原理图 变电站综合自动化系统中各子系统的典型硬件结构图 三 减法运算电路 ui1单独作用 ui2单独作用 则有 输出信号等于输入信号按一定比例相减 1 差动输入比例运算实现减法运算 2 利用加法运算和反相比例运算实现减法运算 例3 2 如图3 16所示放大电路中 运放Uopp 12V R1 9 1K R2 100K R3 10K R4 R6 25K R5 R7 200K 1 若ui1 0 5V ui2 0 1V 求uo 2 若ui1 0 5V ui2 0 3V 求uo 3 若ui1 0 5V ui2 0 3V 求uo 解 第一步 先认识电路 电路中A1组成电压跟随器 A2组成同相输入比例运算电路 A3组成减法运算电路 第二步 对各部分电路应用公式 第二步 对各部分电路应用公式 1 2 Uopp 12V 所以应取uo Uopp 12V Uopp 12V 所以应取uo Uopp 12V 3 1 积分电路 四 积分与微分电路 实现了对输入信号的积分运算 应用举例 输入方波 输出三角波 实现了波形变换 2 微分电路 u u 0 实现了对输入信号的微分运算 自动准同步装置中 通过检测线性整步电压斜率判别频差大小的电路 应用举例 此电路包含了比例 微分及求和运算 图1 2自动准同步装置ZZQ 5中鉴别频差方向的逻辑电路框图 对数电路 对数与指数电路 利用PN结的指数特性实现对数运算 指数 反对数 运算电路 3 11利用习题图3 11电路做实验 直流电源能提供图中所示的电压值 另有交流电压表和直流电压表 1 将电源连线画出来 2 想要调零 请设计实验步骤 A B端如何连接 用交流还是直流电压表 测哪两端电压 调哪个元件 使所测电压等于多少 3 11利用习题图3 11电路做实验 直流电源能提供图中所示的电压值