集成运算放大器.ppt

第10章集成运算放大器,10.1集成运算放大器概述,10.2反馈的基本概念,10.3负反馈对放大电路性能的改善,10.4理想运算放大器,10.5基本运算电路,10.6电压比较器,10.7RC正弦波振荡电路,分析与思考,教学基本要求,练习题,返回主页,10.1集成运算放大器概述,(一)集成运算放大器的组成,输入端,输出端,图10.1.1集成运放的组成,特点：多级直接耦合放大电路；输入级采用差分放大电路，KCMRR和ri很高；中间级采用多级共射电路，Au很高；输出级采用互补对称功率放大电路，ro很小，带负载能力很强。,返回,下一节,上一页,下一页,图10.1.2集成运放的图形符号,反相输入端同相输入端,输出端uo,uu+,ud+,输入方式:反相输入同相输入差分输入,uu+,uo,图10.1.3F007的外部接线和管脚图,返回,下一节,上一页,下一页,(二)电压传输特性,线性区,正饱和区,负饱和区,当ud+时：uo=Aoud=Ao(u+u)当ud(+)时：uo=+UOM+UCC当ud()时：uo=UOMUEE,返回,下一节,上一页,下一页,10.2反馈的基本概念,输入信号xi,净输入信号xd,输出信号xo,xf反馈信号,比较环节,图10.2.1反馈示意图,开环放大倍数：,闭环放大倍数：,反馈系数：,返回,下一节,上一页,下一页,上一节,(一)反馈的分类:,(1)正反馈和负反馈：正反馈：xf与xi作用相同，使xd增加；负反馈：xf与xi作用相反，使xd减小。(2)电压反馈和电流反馈：电压反馈：xfuo(xo)电流反馈：xfio(xo)(3)串联反馈和并联反馈串联反馈：xf与xi以串联的形式作用于净输入端；并联反馈：xf与xi以并联的形式作用于净输入端。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(4)直流反馈和交流反馈,直流反馈：xf是静态直流分量；交流反馈：xf是动态交流分量。(二)反馈的判断方法1.判断是否存在反馈？哪些是反馈元件？2.是正反馈还是负反馈？对于负反馈：3.判断是交流负反馈还是直流负反馈？对于交流负反馈：4.判断交流负反馈的类型：电压反馈？电流反馈？串联反馈？并联反馈？,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,例如：在图10.2.2(a)所示电路中，,ud+,uf+,(1)当无负反馈时，udui,uduiuf当uo=0时：,(2)当增加RF和R1后：,uf=0因此ufuo,结论:RF和R1：串联电压负反馈。,(a)串联电压负反馈图10.2.2集成运放电路中的负反馈（注：与书中的电路有所不同),返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(2)增加RF支路后：,id=iiif,当io=0时：,结论:RF：并联电流负反馈。,if=0因此ifio,例如：在图10.2.2(b)所示电路中，,(1)当无负反馈时，idii,(b)并联电流负反馈图10.2.2集成运放电路中的负反馈（注：与书中的电路有所不同),返回,上一节,下一节,上一页,下一页,例如：在图10.2.3所示电路中，,(1)对直流信号UBE=UBUF=UBREIE(2)对交流信号：ube=uiuf即ud=uiuf其中uf=Reie,ieic,+uf,结论:RE：串联电流负反馈。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.2.3放大电路中的反馈,反馈元件:RE,补充例题1判断图示电路的反馈类型。,解ui0uo0ib=iiif,即ifuo结论:RB：并联电压负反馈。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,例10.2.1试判断图示电路中Rf所形成的反馈。,解,uf+,ud+,用瞬时极性法判断正、负反馈：,设：ui0,uo10,uo0,uf0,ud=uiuf,=ui+|uf|,ui,为正反馈；,输出端开路时，uf0,为电压反馈；,为串联电压正反馈。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.2.4例10.2.1的电路,10.3负反馈对放大电路性能的改善,Xd=XiXf,即：,如果：|F|Ao|1,深度负反馈。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,对于深度负反馈：,(1)提高了放大倍数的稳定性,可见：,例如：,|F|=0.009，|Ao|=1000,如果：,则：,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(2)加宽了通频带,图10.3.1加宽通频带,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(3)改善了非线性失真：,(a)无负反馈时,(b)有负反馈时,图10.3.2改善非线性失真,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(4)稳定了输出电压或电流,电压负反馈：稳定uo电流负反馈：稳定io(5)改变了输入电阻或输出电阻串联反馈：ri并联反馈：ri电压负反馈：ro电流负反馈：ro,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,10.4理想运算放大器,理想运放的主要条件：(1)开环放大倍数：Ao(2)开环输入电阻：ri(3)开环输出电阻：ro0(4)共模抑制比：KCMRR,图10.4.1理想运放的电压传输特性,传输特性：当u+u时：,uo=+UOM,当u+u时：,uo=UOM,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,引入深度负反馈时理想运放的分析方法：,图10.4.2引入负反馈后的理想运放电路,(1)Ao,=0,即,u+=u,虚短路,(2)ri,=0,虚断路,(3)ro0,uoL=uo,输出电压不受负载的影响,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,10.5基本运算电路,(一)比例运算电路(1)反相比例运算电路,uu+,u=u+=0,虚地,i1=if,闭环电压放大倍数Af,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.5.1反相比例运算电路,平衡电阻,当Rf=R1时：uo=ui,反相器,静态时:,平衡电阻:R2=R1/Rf,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(2)同相比例运算电路,uu+,图10.5.2同相比例运算电路,u=u+=uiif=i1,uo=ui条件？,平衡电阻:R2=R1/Rf,图10.5.3电压跟随器,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,例10.5.1测量电阻的电路如图所示。其中ui=U=10V，输出端接有满量程为5V的电压表，被测电阻为Rx。(1)试找出Rx与电压表读数的关系；(2)若所用运放为F007型，为了扩大测量电阻的范围，将电压表的量程选为50V是否有意义？,解图10.5.4是一个反相比例运算电路。(1),=105uo,12345,105,2105,3105,4105,5105,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.5.4例10.5.1的电路,(2)查附录可知：,F007型的最大输出电压为12V。因此，选用超过12V量程为50V的电压表无意义。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.5.5加法运算电路,(二)加法运算电路,uo=uo+uo,+,虚地,虚地,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,1.反相加法运算电路,uo=uo+uo,若R11=R12=R1，则：,若R11=R12=Rf，则：uo=(ui1+ui2)平衡电阻:R2=R11/R12/Rf,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,2.同相加法运算电路,方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui20)时，,同理，ui2单独作用时,动画,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,方法2：,平衡电阻：Ri1/Ri2=R1/RF,u+,u+=?,也可写出u和u+的表达式，利用u=u+的性质求解。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(三)减法运算电路,当ui1单独作用时:,当ui2单独作用时:,?,uu+,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.5.6减法运算电路,则：uo=uo+uo,当,时：,平衡电阻:R2/R3=R1/Rf,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,例10.5.2两级运算电路如图10.5.2所示。(1)试推导uo与ui1、ui2、ui3的运算关系；(2)若:R1=R2=Rf1=30k，R3=R4=R5=R6=Rf2=10k，ui1=0.1V，ui2=0.2V，ui3=0.3V，求uo的值。,uo,解(1),第一级运算为加法运算：,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.5.7例10.5.2的电路,uo=,=,(2),uo=,ui3+,ui2+ui1,=(0.3+0.2+0.1)V,=0.6V,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.5.7例10.5.2的电路,(四)微分运算电路,+uC,u=u+=0uC=uiif=i1,微分时间常数,平衡电阻:R2=Rf,(b)波形,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.5.8微分运算电路及其阶跃响应波形,(a)电路,比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,if,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,补充例题2已知输入ui的波形如图所示，试画出输出uo的波形。设5RfCtp。,解,t1t2,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(五)积分运算,+uC,u=u+=0uC=uuo=uoif=i1,积分时间常数,平衡电阻:,R2=R1,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(b)波形,图10.5.8微分运算电路及其阶跃响应波形,(a)电路,将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,【解】,uo2=uo2uo1,例2如图所示为两级比例运算放大电路，求uo与ui的关系。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,【解】前级电路为电压跟随器，故uo1=ui1后级电路利用叠加原理分析。在uo1=ui1单独作用时为反相比例运算电路，故,在ui2单独作用时为同相比例运算电路，故,由此求得：,=5ui24ui1,例3图所示电路中，已知Rf=4R1，求uo与ui1和ui2的关系式。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,【证】由于u+=u=0，“”端为虚地端，Rf和R4可视为并联，因而,即,由于uR4=uRf=Rfif,因此,例4图所示为一反相比例运算电路，试证明：,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,即,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,【解】利用叠加原理求解此题。当ui1单独作用时：,当ui2单独作用时：,当ui3单独作用时，R1与R2并联接地，R4与R5并联接地，其上的电压,例5如图所示为一加减混合运算电路，已知R1=R2=R3=R4，R5=Rf。求此电路的输出电压uo的表达式。,是从同相输入端输入的电压，根据同相比例运算得：,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,当ui2单独作用时，同理可得：,将R1=R2=R3=R4和R5=Rf代入，求得输出电压为：uo=uo1+uo2+uo3+uo4,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,【解】由于理想集成运放的净输入电压和净输入电流为零，故：ui=R3i3i1=i2=i3因此uo=R1i1+R2i2+R3i3,例6求图所示电路中uo与ui的关系式。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,【解】左边两个电路为反相比例运算电路右边一个为减法运算电路，且,例在图中所示电路中，已知U=1.5V，R1=3k，R2=2k，R3=4k，Rf=6k。求Uo。,故求得,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,电压比较器的功能：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。,用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,10.6电压比较器,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,理想运放工作在饱和区的特点：,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)不存在“虚短”现象2.i+=i0仍存在“虚断”现象,电压传输特性,电压传输特性,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(一)基本电压比较器,10.6电压比较器,(b)电压传输特性图10.6.1基本比较器（一）,(a)信号输入方式,(b)电压传输特性图10.6.1基本比较器（二）,(a)信号输入方式,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,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uiUR，uo=UZ,uiUR时，uo=Uo(sat),返回,上一节,下一节,上一页,下一页,过零电压比较器,利用电压比较器将正弦波变为方波,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,例10.6.1分析电路的功能和工作原理。,解当温度低于某值时，R3的阻值大：uiUR,ui,UR,热敏电阻,uo=UOM,T截止，,KA不通电；,当温度高于某值时，R3的阻值小：uiUR,uo=+UOM,T饱和导通，KA通电，触点动作。,图10.6.3过温度保护电路,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,*(二)迟滞电压比较器,uu+,当uo=+UOM时：,当uo=UOM时：,上限触发电压,下限触发电压,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,(a)电路图(b)电压传输特性图10.6.4迟滞比较器,10.7RC正弦波振荡电路,（一）自励振荡,AoF=1自励振荡的条件(1)自激振荡相位条件：必须是正反馈。(2)自激振荡振幅条件：|Ao|F|=1,返回,上一节,上一页,下一页,图10.7.1自励振荡的条件,（二）起振过程,接通电源Uo,Ui=Uf=|F|Uo,Uo1=|AoF|Uo,Uo,Uo2=|AoF|Uo1,Uo3=|AoF|Uo2,Uo2,Uo1,结论：,才能起振,振荡稳定,不能起振,|Ao|F|1,|Ao|F|=1,|Ao|F|1,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,振荡电路的组成：,放大电路反馈电路选频电路（三）选频网络：,当:,uf与uo同相位。,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,RC选频网络,如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：,F=,谐振频率：,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,频率特性：,当：f=fn时，jf=0，,uf与uo同相位,|F|=|F|max,当：ffn时，jf0，,uf与uo不同相位。,|F|F|max,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,反馈电路选频电路,RC振荡电路原理图：,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.7.2振荡电路原理图,（四）振荡电路,uo,+uf_,ui=uf,因为：,当:,所以，起振条件为：,1,|AoF|=,返回,上一节,下一节,上一页,下一页,即Rf2R1,教学基本要求,1.了解集成运算放大器的基本组成和电压传输特性；2.理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响；3.理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；4.理解基本运算电路的工作原理和分析方法；5.理解基本电压比较器的组成和电压传输特性；*6.了解迟滞电压比较器的组成和电压传输特性；7.理解自励振荡的条件，了解用集成运算放大器组成的RC振荡电路的工作原理。,返回,分析与思考,10.3(2)加有负反馈的某集成运放电路，已知|Ao|=1000，|F|=0.049，如果输出电压Uo=3V，试求它的输入电压Ui、反馈电压Uf和净输入电压Ud。,10.4(1)分析工作于线性区的理想集成运放电路的基本依据有哪些？,10.4(2)理想集成运算放大器在非线性区工作时，是否可以认为ud=0，id=0？,10.3(1)为了分别实现：(a)稳定输出电压；(b)稳定输出电流；(c)提高输入电阻；(d)降低输出电阻，应当引入哪种类型的负反馈？,返回,下一页,10.5(1)什么是虚地？在上述六种基本运算电路中，哪些电路存在虚地？,10.5(2)在上述六种基本运算电路中，它们的信号输入方式各属于哪一种？,10.5(3)由理想集成运放组成的上述六种基本运算电路中，它们的输出电压与输入电压的关系是否会随着负载的不同而改变？,10.5(4)上述六种基本运算电路的输出电压与输入电压的关系式，是否输入电压无论多大都成立？,10.6(1)电压比较器和基本运算电路中的集成运放分别工作在电压传输特性的哪个区？,10.6(2)试分析零比较器的电压传输特性及输出和输入电压的关系？,返回,上一页,下一页,10.6(3)试分析在UR=0时，迟滞电压比较器的UH和UL；画出其电压传输特性。,10.7(1)如果将教材图10.7.2所示电路中的放大电路改用下述放大电路能否满足自励振荡的条件：(a)一级共射放大电路；(b)一级共集放大电路；(c)一级共基放大电路。,返回,上一页,下一页,分析与思考解答,10.3(1)为了分别实现：(a)稳定输出电压；(b)稳定输出电流；(c)提高输入电阻；(d)降低输出电阻，应当引入哪种类型的负反馈？,返回分析与思考题集,下一题,【答】(a)引入电压负反馈能稳定输出电压；(b)引入电流负反馈能稳定输出电流；(c)引入串联负反馈能提高输入电阻；(d)引入电压负反馈能降低输出电阻。,10.3(2)加有负反馈的某集成运放电路，已知|Ao|=1000，|F|=0.049，如果输出电压Uo=3V，试求它的输入电压Ui、反馈电压Uf和净输入电压Ud。【答】,Uf=|F|Uo=(0.0493)V=0.147V,上一题,下一题,返回分析与思考题集,10.4(1)分析工作于线性区的理想集成运放电路的基本依据有哪些？,上一题,下一题,返回分析与思考题集,【答】分析工作于线性区的理想集成运放电路的基本依据有三条：(a)ud=0，两输入端之间是虚短路；(b)id=0，两输入端之间是虚断路；(c)输出电压不受负载大小的影响。,10.4(2)理想集成运算放大器在非线性区工作时，是否可以认为ud=0，id=0？,上一题,下一题,返回分析与思考题集,【答】不可以认为ud=0，id=0。因为这时的理想集成运算放大器工作在非线性区（正、负饱和区），由电压传输特性可知ud0，对于id来说，因ri，故可以认为id=0。,10.5(1)什么是虚地？在上述六种基本运算电路中，哪些电路存在虚地？,上一题,下一题,返回分析与思考题集,【答】虚地是指反相输入端虽然未直接接地，但其电位却为零。在反相比例运算电路、加法运算电路、微分电路和积分电路中的反相输入端都是虚地端。,10.5(2)在上述六种基本运算电路中，它们的信号输入方式各属于哪一种？【答】参看表10.1。,反相比同相比加法减法微分积分例运算例运算运算运算运算运算,反相输入,上一题,下一题,返回分析与思考题集,同相输入,反相输入,差分输入,反相输入,反相输入,【答】因为理想集成运放的输出电阻为零，输出电压恒定，因此，由理想集成运放组成的六种基本运算电路的输出电压与输入电压的关系是不会随着负载的不同而改变的。若运放不是理想的，则其输出电阻ro0，使输出电压与输入电压的关系随负载的不同而改变。设UOC为非理想集成运放运算电