湘潭大学电工学下chapter-newmod

第16章 集成运算放大电路,返回,16.1 集成运算放大器的简单介绍,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,16.4 运算放大器在波形产生方面的应用,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,集成电路:它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件,优 点：工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合,返回目录,集成电路中元器件的特点,1. 单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致,元器件相互离得很近,温度特性较一致,3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造,4.电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容不易制造,返回目录,16.1 集成运算放大器的简单介绍,集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入 电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路,尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大,中间级应有足够大的电压放大倍数,输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io ，输出阻抗 ro小。,内部电路,返回目录,集成电路的封装,返回目录,C14578外引线排列图,返回目录,F007（5G24）外引线图,接 线 图,顶 视 图,返回目录,运放的特点和符号,返回目录,运算放大器的传输特性,线性区很窄,所以运放在线性区工作,通常引入深度电压负反馈,返回目录,运算放大器线性应用时的分析依据,1. 差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流可认为是零，即虚断。,返回目录,运算放大器在饱和区时的情况当 时，,注意：此时输入端的输入电流也等于零,返回目录,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,1. 比例运算,(1) 反相输入,返回目录,平衡电阻，保证输入端对地的静态电阻相等,电路的输入电阻,平衡电阻,返回目录,电位为零，虚地,电位为零,返回目录,(2)同相输入,例题,返回目录,2. 加法运算,返回目录,平衡电阻,加法运算电路与运算放大器本身的参数无关,只要电阻阻值足够精确,就可保证加法运算的精度和稳定性.,返回目录,(2) 同相加法器,3. 减法运算,图中电路的输入方式也称做差动输入,返回目录,请思考：如何选择电阻，能得出如下结论,差动输入方式下的电压放大倍数,注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选用KCMRR较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。,例题,返回目录,4. 积分运算,例题,返回目录,思考题：在图示电路中，输入电压,试求输出电压,的幅值，并画出,的波形图。,返回目录,5. 微分电路,应用举例,返回目录,例1 电路如图所示，试分别计算开关S断开和闭合时的电压放大倍数Auf。,2. 当S闭合时：,1. 当S断开时：,解：,例2 如图所示电路，已知RF100k，R150k，输入电压 ui3sint V，求电压放大倍数和输出电压uo。,解 ：电压放大倍数,输出电压：,例3 一个测量系统的输出电压和某些输入信号的数值关系为uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，试选择图示电路中各输入电路的电阻和平衡电阻。设RF=100 k。,解：,=,=,当 R1= 且 RF = 0 时，,uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。,例4 试计算图示电路中uo的大小 。,解：由于,uo只与电源电压和分压电阻有关，而与负载电阻大小和运放的参数无关。,例5 如图所示电路，已知RF100k，R150k，输入电压 ui3sint V，求电压放大倍数和输出电压uo。,解 ：电压放大倍数,输出电压：,例6 在图示电路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求输出电压uo。,解：,16.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用,一、有源滤波器,滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通过(衰减很小)，而抑制其余频段的信号(衰减很大)。滤波器通常分为低通、高通、带通及带阻等。,无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。,缺点：低频时体积大，很难做到小型化。,优点：体积小、效率高、频率特性好。,一、有源滤波器,1. 有源低通滤波器,若频率 为变量，,为通频带放大倍数,幅频函数：,相频函数:,幅频函数：,二阶有源低通滤波器,为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。,2. 有源高通滤波器,若频率 为变量，,为通频带放大倍数,幅频函数：,相频函数:,3. 有源带通滤波器,将低通滤波器和高通滤波器串联，并使低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率，则构成有源带通滤波器。,4. 有源带阻滤波器,将低通滤波器和高通滤波器并联，并使高通滤波器的截止频率大于低通滤波器的截止频率，则构成有源带阻滤波器。,控制信号,二、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。,模拟开关,模拟输入信号,采样存储电容,电压跟随器,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。,三、电压比较器,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。,运放工作在开环状态或引入正反馈，运算放大器工作在饱和区。,1. 输出只有两种可能 +Uo (sat) 或Uo (sat) 当 u+ u 时， uo = +Uo (sat) u+u 时，uo= +Uo (sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat),输入信号接在同相端,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则 ui UR，uo = UZ,uiUR 时，uo = Uo (sat),例7 电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，其周期为T，输出端外接RC电路的时间常数RC 0 时，uo = +Uo (sat) ui 0 时，uo = Uo (sat),由于RC ，且uA、uL均由电阻上获得，故为微分电路。,当uo=Uo(sat)时，二极管VD导通，微分电路的时间常数 ；而当uo=-Uo(sat)时，二极管VD截止，电路的时间常数变为,例8 如图所示的电压比较器，试分析并画出其电压传输特性曲线。,当同相输入端P点电位UP为零时，电压比较器输出发生翻转,门限电平为,16.4 运算放大器在波形产生方面的应用,矩形波发生电路,反相输入端的电压,电容两端电压的变化是电容通过电阻RF的充放电实现的,返回目录,思考题：如何改变矩形波的周期T？,矩形发生器的波形,返回目录,2. 三角波发生器,返回目录,当,返回目录,当,返回目录,如何计算周期?,三角波发生器的波形,返回目录,16.5 集成运算放大器实际使用中的一些问题,一、调零,由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输入信号为零时，输出信号不为零，应用时要先调零,调零的两种方法：,一是在无输入时调零，即将两个输入端接“地”，调节电位器，使输出电压为零 。,一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。,二、保护,1输入端保护,当输入端所加的差模电压超过允许的最大值UIDM或共模电压超过允许的最大值UICM时，可能会损坏输入级的晶体管。保护电路将输入电压限制在二极管的正向压降以内。,2输出端保护,在输出端串接一低阻值电阻，限制集成运放的输出电流 。R的阻值一般应尽量小些，在数百欧左右，以保护在正常工作时，其电压降很小，对输出电压幅度影响不大。,为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护。,3电源保护,当电源极性接对时，二极管正向导通，运放获得电源。当电源极性接反时，二极管截止使电源加不到运放上，从而保护了运放芯片。,三、