徐淑华电工电子技术第7章参考文档

1 第7章集成运算放大器及其应用 2020 4 21 2 7 1集成运算放大电路概述 7 2放大电路中的负反馈 7 3集成运算放大器的线性应用 7 4集成运算放大器的非线性应用 7 5集成运算放大器使用时的注意事项 7 6集成运算放大器的应用举例 第7章集成运算放大器及其应用 2020 4 21 3 学习目标 了解集成运放的组成及各部分的作用 掌握理想运放的条件和传输特性 能够正确判断电路中是否引入反馈以及反馈的类型 掌握负反馈对放大电路性能的影响 理解集成运放线性应用的条件和两个重要分析依据 掌握集成运放的基本运算电路 了解集成运放在信号处理方面的应用 理解集成运放非线性应用的条件和分析依据 掌握集成运放构成的电压比较器 了解集成运放构成的各种信号发生电路 掌握集成运放使用注意事项 2020 4 21 4 7 1集成运算电路概述 7 1 1集成运算放大器的组成及工作原理 1 集成运算放大器的组成 差放放大差摸信号抑制共模信号输入电阻大 共射放大倍数高 射极输出器输出电阻小带负载能力强 集成运放是一种电压放大倍数高 输入电阻大 输出电阻小 共模抑制比高 抗干扰能力强 可靠性高 体积小 耗电少的通用电子器件 2020 4 21 5 Au0 开环电压放大倍数 2 集成运放的符号 u 反相输入端 u 同相输入端 uo 输出端 2020 4 21 6 双列直插式 空脚 UCC UEE 输出 u u 3 集成运放的管脚 2020 4 21 7 7 1 2集成运算放大器的传输特性 正饱和区 线性区 负饱和区 2020 4 21 8 7 1 3集成运算放大器的主要参数 2 差模输入电阻rid与输出电阻ro 输入电阻很高 一般为几十千欧 几十兆欧 输出电阻很低 一般为几十欧 1 开环电压放大倍数Au0 越大越好 一般为104 107 无外接反馈时的差模电压放大倍数 3 共模抑制比KCMRR 对共模信号的抑制能力 很高 一般为103 107 2020 4 21 9 运放能抑制共模信号的范围 4 共模输入电压范围UiCM 运放正常工作时 允许输入差模电压的范围 5 最大差模输入电压UidM 一般略低于正 负电源电压 6 最大输出电压Uopp 能使输入输出保持不失真关系的最大输出电压 2020 4 21 10 7 1 4理想运算放大器 1 理想运放 rid KCMRR ro 0 Au 2 理想运放的传输特性uo f ui 理想运放有无线性区 2020 4 21 11 3 理想运放的分析依据 因为 rid 1 i i 0 因为 u u uo Au0 2 u u uo为有限值 Au0为 结论2只适用于理想运放闭环线性应用时 注意 虚断 虚短 结论1适用于理想运放工作在线性和饱和时 2020 4 21 12 在实际中 集成运放的Au0 rid不可能是无穷大 所以 虚短 和 虚断 是两个近似的结论 理想运放的线性区趋近于0 所以运放要工作在线性区 必须引入深度负反馈 2020 4 21 13 7 2放大电路中的负反馈 7 2 1反馈的概念 反馈 凡是将电路的输出信号 电压或电流 的一部分 或全部 通过一定的电路 反馈回路 引回到输入端 与输入信号叠加 一同控制电路的输出 就称为反馈 负反馈 若引回的信号削弱了输入信号 就称为负反馈 正反馈 若引回的信号增强了输入信号 就称为正反馈 放大电路中引入的一般为负反馈 2020 4 21 14 基本放大电路Ao 反馈电路F 反馈框图 净输入信号 输出信号 开环放大倍数 反馈信号 反馈系数 xd xo xf xo xd xf 2020 4 21 15 反馈信号削弱净输入信号负反馈 反馈信号增强净输入信号正反馈 xd xi xf xd xi xf 2020 4 21 16 7 2 2反馈的类型及判断 1 根据反馈电路在输出端所采样的信号不同 可以分为电压反馈和电流反馈 如果反馈信号取自 正比于 输出电流 为电流反馈 如果反馈信号取自 正比于 输出电压 为电压反馈 2020 4 21 17 2 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同 可以分为串联反馈和并联反馈 如果反馈信号与输入信号串联 Xf Uf 为串联反馈 如果反馈信号与输入信号并联 Xf If 为并联反馈 2020 4 21 18 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 1 负反馈的类型 2020 4 21 19 1 电压串联负反馈 基本放大电路 运放 反馈电路 R1 Rf 反馈信号 Uf UO R1 R1 Rf 净输入信号 Ud u u ui uf 负反馈 Uf与UO同相 削弱了净输入信号 2020 4 21 20 uoufud ui ufuo 串联负反馈 Uf与Ui串联 电压相加减 电压负反馈 Uf UO R1 R1 Rf 反馈信号正比于输出电压 电压负反馈能稳定输出电压 串联电压负反馈 2020 4 21 21 2 电压并联负反馈 基本放大电路 运放 反馈电路 Rf 反馈信号 if uO Rf 净输入信号 id ii if 负反馈 if与uo反相 削弱了净输入信号 2020 4 21 22 并联负反馈 if与ii并联 电流相加减 电压负反馈 if uo Rf 反馈信号正比于输出电压 电压负反馈能稳定输出电压 uoIfId Ii Ifuo 并联电压负反馈 2020 4 21 23 3 电流串联负反馈 基本放大电路 运放 反馈电路 Rf RL 反馈信号 uf io Rf 净输入信号 ud u u ui uf 负反馈 uf与ui同相 削弱净输入信号 2020 4 21 24 串联负反馈 Uf与Ui串联 电压相加减 电流负反馈 Uf io Rf 反馈信号正比于输出电流 电流负反馈能稳定输出电流 串联电流负反馈 2020 4 21 25 4 电流并联负反馈 基本放大电路 运放 反馈电路 Rf R3 反馈信号 if io R3 Rf R3 净输入信号 id ii if 负反馈 if与uo io 反相 削弱净输入信号 2020 4 21 26 并联负反馈 if与ii并联 电流相加减 电流负反馈 if io R3 Rf R3 反馈信号正比于输出电流 并联电流负反馈 RL 2020 4 21 27 电流负反馈能稳定输出电流 if ui R1 ii io iR if Rfif R3iRiR Rf R3 if io if 1 Rf R3 ui R1 1 Rf R3 输出电流与负载无关 当元件参数确定后 输出电流不变 RL 2020 4 21 28 2 反馈类型的判断 1 找出反馈网络 将输入 输出联系起来的电路 反馈网络 Rf 反馈网络一般由电阻或电阻 电容组成 反馈电路的结构决定了反馈信号是交流 直流或交 直流 2020 4 21 29 负反馈 2 判断正 负反馈 瞬时极性法 假设输入端瞬时极性为 电位升高 由入至出 再由出至入 依次判断出各点的瞬时极性 若反馈信号使得净输入提高 为正反馈 若反馈信号使得净输入降低 为负反馈 负反馈 2020 4 21 30 负反馈 正反馈 本级反馈 反馈电路接至反相输入端为负反馈 反馈电路接至同相输入端为正反馈 2020 4 21 31 3 判断串 并联反馈 看反馈电路与输入端的连接形式 若反馈信号与净输入信号串联 反馈信号以电压的形式出现 串联反馈 并联反馈 若反馈信号与净输入信号并联 反馈信号以电流的形式出现 串联反馈 并联反馈 2020 4 21 32 串联反馈 并联反馈 本级反馈 反馈信号与输入信号接在同一输入端为并联反馈 反馈电路与输入信号分别接在两个输入端为串联反馈 2020 4 21 33 4 判断电压 电流反馈 看反馈电路与输出端的连接方式 若反馈信号取自于输出电压 为电压反馈 电压反馈 若反馈信号取自于输出电流 为电流反馈 电流反馈 2020 4 21 34 电流反馈 电压反馈 本级反馈 反馈信号直接从输出端引出为电压反馈 从负载电阻RL的靠近 地 端引出为电流反馈 2020 4 21 35 Rf1 Rf2 本级并联电压负反馈 Rf3 uo 级间串联电压负反馈 2020 4 21 36 7 2 3负反馈对放大电路的影响 xd xi xf 1 降低放大倍数 Af 闭环放大倍数 负反馈使放大倍数下降 2020 4 21 37 2 负反馈提高放大倍数的稳定性 反馈深度 称为深度负反馈 此时 若 在深度负反馈的情况下 放大倍数只与反馈网络的参数有关 引入负反馈使电路放大倍数的稳定性提高 2020 4 21 38 3 改善波形的非线性失真 加反馈前 加反馈后 引入负反馈将输出端的失真信号反送到输入端 使净输入信号发生某种程度的失真 经过放大后 即可使输出信号的失真得到一定程度的补偿 从本质上说 负反馈是利用失真了的波形来改善波形的失真 因此只能减小失真 不能完全消除失真 2020 4 21 39 4 展宽了通频带 引入负反馈使电路的通频带宽度增加 fHF fH 集成运放中都采用直接耦合 无耦合电容 故其低频特性良好 展宽了通频带 引入负反馈后 在高频段通频带又能得到展宽 2020 4 21 40 5 对输入 输出电阻的影响 1 串联反馈使电路的输入电阻增加 2 并联反馈使电路的输入电阻减小 3 电压反馈使电路的输出电阻减小 稳定输出电压 4 电流反馈使电路的输出电阻增加 稳定输出电流 2020 4 21 41 总结 负反馈对输入和输出电阻的影响 2020 4 21 42 7 3集成运算放大器的线性应用 理想运放 引入深度负反馈 使运放工作于线性状态 运放的线性应用 理想运放线性应用时的两个重要结论 1 i i 0 虚断 2 u u 虚短 2020 4 21 43 虚地 1 比例运算电路 1 反相比例运算电路 ui uo i1 if i i 0 7 3 1基本运算电路 电压并联负反馈 2020 4 21 44 uo与ui为比例关系 uo与ui反相位若Rf R1 则为反相器 电压并联负反馈 R2 平衡电阻R2 R1 Rf uiC 0 2020 4 21 45 2 同相比例运算电路 ui uo u u ui 没有虚地概念 i i 0 i1 if ui uo Rf ui R1 电压串联负反馈 2020 4 21 46 uo与ui为比例关系 uo与ui同相位 电压串联负反馈 R2 平衡电阻R2 R1 Rf uiC ui 集成运放有共模输入 所以为了提高运算精度 应选用高共模抑制比的集成运放 Af总是大于或等于1 不会小于1 2020 4 21 47 电压跟随器 若Rf 0 或R1 电压串联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 2020 4 21 48 i i 0 i1 if u uo Rf u R1 2020 4 21 49 2 加法运算电路 叠加 反相加法 2020 4 21 50 电路如图示 求uo的波形 0 5v 解 100 100 ui1 100 50 ui2 ui1 2ui2 2020 4 21 51 叠加原理 3 差动运算电路 ui1 ui2 2020 4 21 52 2020 4 21 53 则 若 R1 R2R3 Rf 若 R2 R3 R1 Rf 则 减法器 差动放大电路广泛应用在测量和控制系统中 2020 4 21 54 4 积分运算电路 反相积分R1CF为积分常数 2020 4 21 55 保持 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 U 线性函数 积分 积分时限 2020 4 21 56 图示电路中 已知输入方波 输出是三角波 2020 4 21 57 比例积分电路 PI 2020 4 21 58 积分 若ui U 则 Uom 比例 保持 2020 4 21 59 5 微分运算电路 当输入为阶跃信号时 输出为尖脉冲 2020 4 21 60 图示电路中 已知输入正弦波 求输出波形 2020 4 21 61 7 3 2集成运算放大器在信号处理方面的应用 滤波器 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 1 有源滤波器 使一定频率范围内的信号顺利通过 在此频率范围以外的信号衰减很大 不能通过 无源滤波器 一般由无源器件R C组成 有源滤波器 一般由有源器件集成运算放大器与R C组成 特性差 带负载能力差 无放大作用 2020 4 21 62 幅频特性 2020 4 21 63 按幅频特性分类 低通 高通 带通 带阻 2020 4 21 64 1 一阶低通滤波器 无源 2020 4 21 65 此电路的缺点 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 截止频率 2020 4 21 66 一阶有源低通滤波器 2020 4 21 67 幅频特性 截止角频率 截止角频率 2020 4 21 68 2 w w0时 低通 有放大作用 运放输出 带负载能力强 1 w w0时 3 w w0时 w 2020 4 21 69 如何组成高通有源滤波器 RC对调 同学自行推导高通滤波器的幅频特性 2020 4 21 70 2 采样保持电路 电压跟随器 功能 将变化较快的模拟信号变为阶梯信号 工作原理 uo u uc ui 控制信号 采样 保持 采样 采样 采样 保持 保持 保持 uo 控制信号 1 S闭 uc uiuo ui 控制信号 0 S开 uc保持 uo保持 电路 2020 4 21 71 3 信号变换电路 1 电压 电压变换器 UO UW 连续可调 UZ 基准电压 2020 4 21 72 2 电压 电流变换器 iL ui R 将电压变换为与其成正比的电流 输出电流与负载电阻无关 恒流源 2020 4 21 73 3 电流 电压变换器 uo iL Rf 将电流变换为与其成正比的电压 2020 4 21 74 4 电流 电流变换器 IS If 0 If IS IS 2020 4 21 75 7 3 3RC正弦波振荡电路 正弦波振荡器 产生正弦波信号的电路 接通电路的电源 即开始工作 输出一定频率的正弦波信号 不需要输入信号 是的 自激振荡 2020 4 21 76 1 自激振荡 正反馈电路才能产生自激振荡 负反馈 正反馈 2020 4 21 77 如果 2020 4 21 78 反馈信号代替了放大电路的输入信号 输入信号为0时仍有输出 称为自激振荡 2020 4 21 79 自激振荡的条件 2020 4 21 80 所以自激振荡条件可以写成 1 幅值条件 2 相位条件 n是整数 相位条件保证反馈极性为正反馈 幅值条件保证反馈有足够的强度 可以通过调整放大电路的放大倍数达到 因为 2020 4 21 81 为了得到单一频率的正弦波 自激振荡的频率必须是一定的 也就是说在放大 正反馈回路中应该有选频作用 将不要的频率抑制掉 Xi最初是由放大电路接通电源时激起的一个微小的干扰信号提供的 这就是起始信号 它是非正弦信号 是由多种频率正弦信号叠加而成的 为了让它发展增长 振荡电路中必须有放大和正反馈环节 选频电路通常由RC电路或LC电路组成 2020 4 21 82 2 RC选频电路 用RC电路构成的选频网络有多种 这里只介绍文氏桥选频电路 自激振荡的频率必须是一定的 也就是说在放大 反馈回路中应该有选频作用 将不要的频率抑制掉 文氏桥选频电路在振荡电路中是反馈网络 2020 4 21 83 令 则 对于频率为f0的信号 2020 4 21 84 频率特性 在fo处 2020 4 21 85 3 用运放组成的RC振荡器 在f0处 满足相位条件 AF 1 在f0处 满足幅值条件 2020 4 21 86 如何启振 Uo是振荡器的电压输出幅度 B是要求输出的幅度 起振时Uo 0 达到稳定振荡时Uo B 起振并能稳定振荡的条件 为了输出信号不无限增长而逐渐趋于稳定 振荡电路中必须有稳幅环节 一般是利用非线性元件的非线性特性来完成 2020 4 21 87 能自行启振的电路 R21 R22略大于2R1 A 3 AF 1 随着uo的增加 R22逐渐被短接 A自动下降 2020 4 21 88 输出频率的调整 改变R或C 可改变输出频率 2020 4 21 89 正弦波振荡器的组成 放大环节A 正反馈环节F 选频网络 稳幅环节 2020 4 21 90 7 4集成运放的非线性应用 运放工作在非线性状态 非线性应用 开环或有正反馈 2020 4 21 91 由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同 所以分析电路前 首先确定运放的状态 主要由有无负反馈决定 处于非线性状态运放的特点 1 虚短路不成立 u 与u 的数值由外电路决定 2 输入电阻仍可以认为很大 i i 0 3 输出电阻仍可以认为是0 2020 4 21 92 7 4 1电压比较器 ui UR 运放 开环状态 ui 输入的模拟信号 UR 基准电压 u ui u UR ui uR uo UO sat ui uR uo UO sat 传输特性 1 基本电压比较器 2020 4 21 93 若基准电压加在同相输入端 若基准电压是负值 若基准电压加在反相输入端 且为负值 传输特性如何 2020 4 21 94 若基准电压是负值 UR 0 UR UR为负 在反相端 若基准电压加在同相输入端 UR 0 UR UR为正 在同相端 2020 4 21 95 若基准电压加在同相输入端 UR 0 UR UR为负 在同相端 过零比较器 基准电压为零 传输特性 2020 4 21 96 利用过零电压比较器将正弦波变为方波 2020 4 21 97 2 具有限幅电路的比较器 若要求比较器的输出电压稳定在一定数值上时 用稳压管限幅 双向稳压管 2020 4 21 98 若限幅稳压管是普通稳压管 传输特性是怎样的 uo 请同学们自己画传输特性 2020 4 21 99 线性应用时也可以限幅 传输特性 2020 4 21 100 3 迟滞电压比较器 分析 因为有正反馈 所以输出饱和 当uo正饱和时 当uo负饱和时 电路 有正反馈 基准电压由输出决定 2020 4 21 101 传输特性 小于回差的干扰不会引起跳转 迟滞电压比较器抗干扰能力大大加强 回差 下门限 上门限 2020 4 21 102 迟滞电压比较器输入正弦波时输出电压的波形 2020 4 21 103 7 4 2信号产生电路 电路结构 1 方波发生器 R C充 放电回路 充 放 迟滞比较器 无输入信号 接通电源后就有方波输出 U UC 2020 4 21 104 工作原理 a 设uo UZ 此时 C充电 U H 则 u U H UZ 2020 4 21 105 一旦uc U H 就有u u uo立即由 Uz变成 Uz 在uc U H时 u u uo保持 Uz不变 2020 4 21 106 C经输出端放电 U L b 当uo Uz时 u U L uc达到U L时 uo上翻 UZ 2020 4 21 107 当uo重新回到 UZ以后 电路又进入另一个周期性的变化 2020 4 21 108 周期与频率的计算 2020 4 21 109 思考题 点b是电位器RW的中点 点a和点c是b的上方和下方的某点 试定性画出电位器可动端分别处于a b c三点时的uo uc相对应的波形图 利用二极管的单向导电性引导电容充放电电流流经不同的通路 即可使电容充放电的时间常数不同 因此 该电路中改变电位器的滑动端可