第8章集成运算放大器的应用PPT课件

.,1,第八章集成运算放大器的应用,集成电路,模拟集成电路集成运算放大器。,数字集成电路,ri高,Au大,直接耦合零点漂移,.,2,差分放大电路,.,3,8-1集成运放的输入级差分放大电路,输入级零点飘移小、输入电阻ri高。,差分放大电路。,中间级电压放大倍数高共射极放大电路。,输出级输出功率大、ro小、带负载能力强。,偏置电路为上述电路提供偏流，设置合适的静态工作点。,集成运放的组成框图,互补对称功放电路。,.,4,零点漂移,温度变化晶体管参数变化工作点偏移虚假信号。,Au越大零点漂移影响越严重。,第一级放大器产生的零点漂移影响最严重。,抑制零点漂移首先从第一级放大电路(输入级)着手。,.,5,电路的左、右两部分对称。,双电源供电。,双端输入、双端输出。,.,6,UEE为V1、V2提供偏流，建立合适的静态工作点。,UEE正极地V1、V2基极输入端RB发射结REUEE负极。,静态ui=0。,.,7,URE,IC1,IE1,IRE,IE2,IC2,+,-,（二）抑制零点漂移的原理,1.电路的对称性,当温度变化时，IC1、IC2和VC1、VC2相同变化，且变化量相等。保持uo=VC1-VC2=0。,.,8,IC1VC1,例如:T,IC2VC2,二者变化量相等。,保持uo=VC1-VC2=0,由于电路的对称性,采用双端输出方式,使每一个管子存在的零漂电压在输出端相互抵消。,.,9,2.射极公共电阻RE的负反馈作用,抑制每一个管子的零漂,在各种输入、输出情况下都起作用。RE阻值大些,抑制零漂效果更好。,.,10,二.差模输入、共模输入和共模抑制比,(一)差模输入信号与差模电压放大倍数,.,11,差模电压放大倍数:衡量放大有用信号能力的技术指标。,在差模信号作用下，V1、V1的集电极电位vc1、vc1向相反方向变化。,差分放大电路的输出是每管输出的2倍。,V2的输出uo2=vC2=-vC1,V1的输出uo1=vC1,.,12,差模电压放大倍数,差分放大电路在差模信号作用下，充分利用两个晶体管的放大作用，有较高的差模电压放大倍数。,（二）共模输入信号和共模电压放大倍数,共模信号两个极性相同、大小相等的电信号。,共模电压放大倍数:衡量电路对称程度,抑制零漂效果的技术指标。,.,13,共模电压放大倍数AC,衡量差分放大电路对称程度，对称程度越好，共模电压放大倍数AC越小，抑制零漂效果越好。理想情况下AC=0。,（三）共模抑制比,共模抑制比越大越好，通常可达。,综合表示差分放大电路放大差模信号能力和抑制零点漂移能力的技术指标。,共模抑制比,.,14,相当于120140db,理想情况下，KCMR,用分贝（db）表示,.,15,(一)双端输入、双端输出,缺点：输入端和输出端均不得接地。,三.差分放大电路的输入方式和输出方式,.,16,(二)双端输入、单端输出,特点,.,17,(三)单端输入、双端输出,特点：同双端输入、双端输出方式。但允许输入端有一端接地。,.,18,(四)单端输入、单端输出,特点：同双端输入、单端输出方式。允许输入端和输出端均有一端接地。,.,19,8-2集成运放的性能指标和理想运算放大器,输出uo正比于两个输入端信号电压之差差模输入。,.,20,一.集成运放的主要性能指标,.,21,(二)差模输入电阻rid,rid越大，取用的信号电流越小。,rod越小，运放带负载能力越强。,(三)输出电阻rod,互补对称功放(射极输出器)。,表明其Aod大、抑制零点漂移效果好。,.,22,二.理想运算放大器,（一）理想运放的主要性能指标,开环差模电压放大倍数Aod,差模输入电阻rid,共模抑制比KCMR,输出电阻rod=0,（二）理想运放的电压传输特性,uo=f(ui)=f(u+-u-),1.线性工作区,输出电压uo与输入电压ui之间存在线性正比关系。,.,23,uo=Aodui=Aod(u+-u-),线性区直线的倾斜程度取决于Aod,Aod越大,直线越陡直，线性区越狭窄。,理想运放线性区直线与纵轴重合(Aod)。,.,24,（1）虚短,uo=Aodui=Aod(u+-u-),输出uo是一个有限值,而理想运放Aod,虚短(路),理想运放在线性区工作有两个重要特点,.,25,（2）虚断,同相输入端和反相输入端之间如同断开。,虚断(路),.,26,例题8-1,运放CF741的正、负电源电压是15V，输出电压的饱和值Uo（sat）=13V，开环差模电压放大倍数Aod=。计算其最大差模输入电压。,解:运放工作在线性区允许加入的最大差模输入电压,运放的线性工作区非常狭窄。,同相输入端与反相输入端近似虚短。,.,27,2.非线性工作区,输出电压正饱和值+UO(Sat),负饱和值-UO(Sat),理想运放在非线性区工作的两个重要特点,(1)当u+u-,ui0,输出uO=+UO(Sat)。,当u+u-,ui0,输出uO=-UO(Sat)。,输入u+u-,虚短不再存在。,输出电压只有两种数值UO(Sat)。,理想运放rid,（2）“虚断”仍然存在。,i+i-0,.,28,8-3放大电路中的负反馈,为确保集成运放工作在线性区必须加入负反馈,以减小其电压放大倍数。,由不同元、器件组成的负反馈电路使运放完成不同的运算功能。,信号的正向传送开环系统,一.反馈的基本概念,.,29,开环系统与闭环系统,将放大电路输出信号(电压或电流)的一部分或全部，通过某种电路（反馈电路）反送回输入端，即为反馈。,.,30,正反馈和负反馈,若反馈信号与外加输入信号叠加求和后，使净输入信号减小，从而使放大电路的放大倍数减小，称为负反馈。,反馈信号与外加输入信号叠加求和后，使净输入信号增强，从而使放大电路的放大倍数增大，称为正反馈。,反馈信号与外加输入信号叠加求和后，形成运放的净输入信号。,以图示电路为例,.,31,二.反馈极性的判别-瞬时极性法,净输入ud=u+-u-=ui-uf,反馈电压,负反馈,瞬时极性法,应用举例,.,32,三.负反馈的四种组态,(一)电压反馈和电流反馈,按照反馈电路在输出端对输出信号采样的不同分为电压反馈和电流反馈。,电压反馈反馈信号与输出电压成正比。,反馈电压,判别方法:,将输出端短路,uO=0，反馈信号消失的,即为电压反馈。,uO=0uf=0电压负反馈。,.,33,电流反馈,uf=ioR,RL,反馈信号与输出电流成正比。,.,34,电流负反馈有稳定输出电流的作用，使放大电路的输出电阻ro加大。,电压负反馈有稳定输出电压的作用，使放大电路的输出电阻ro减小。,电压负反馈和电流负反馈对放大电路性能的影响,.,35,（二）串联反馈和并联反馈,从输入端看，按照反馈电路在输入端连接方式的不同，使反馈信号与输入信号叠加方式不同，分为串联反馈和并联反馈。,反馈电压与输入信号电压串联连接。,图8-3-4所示电路亦为串联负反馈。,串联负反馈,.,36,输入信号ui加入反相输入端,反馈电路（Rf）接在反相输入端处，对输入信号电路形成一个并联分流支路。,+,uO,-,输入信号与反馈信号以电流的方式叠加求和，形成净输入电流。,id=ii-if,反馈极性判别,削弱净输入电流负反馈,并联负反馈,.,37,串联负反馈增大放大电路的输入电阻ri。,并联负反馈减小放大电路的输入电阻ri。,负反馈放大电路的四种组态,电压串联负反馈,电流串联负反馈,.,38,电压并联负反馈,电流并联负反馈,R,uO,四.负反馈对放大电路性能的影响,(一)提高了放大倍数的稳定性。,(二)减小了波形失真。,(三)对放大电路输入电阻和输出电阻的影响。,.,39,8-4集成运放在信号运算方面的应用,线性运用引入深度负反馈,一.比例运算电路,构成其它线性应用电路的基础。,(一)反相输入比例运算电路,反相输入。,电压并联负反馈。,特点:虚地,反相输入端虚地,.,40,1.电压放大倍数,输入信号电流,反馈电路电流,据KCL,ii=if+id,id=i-=0,上式中,ii=if,故,输出电压,.,41,电压放大倍数,负号表明uo与ui相位相反-反相输入的特点。,完成比例运算，比例系数仅由电阻R1和Rf的阻值确定。,2.输入电阻,R1阻值较小。,3.输出电阻,rof较小，带负载能力强-电压负反馈的特点。,体现了并联负反馈的特点。,.,42,平衡电阻,R2=R1Rf,反相器,取Rf=R1,Auf=-1,uO=-ui,电压放大倍数,.,43,例题8-2反相输入比例运算电路，R1=20k、Rf=200k。计算Auf、rif和平衡电阻R2。,电压放大倍数,平衡电阻,R2=R1Rf=18.18k,解：,.,44,输入信号ui=0.5sintV,例题:例题8-2所示反相输入比例运算电路输入信号为,计算输出电压信号uo。,.,45,（二）同相输入比例运放电路,同相输入。,电压串联负反馈。,1.电压放大倍数,反相输入端,u-u+ui,输出电压,.,46,电压放大倍数,Auf为正值,表明uo与uI同相。,.,47,电压跟随器,Auf=1、uo=uI,均使,电压放大倍数,.,48,例题8-3同相输入比例运算电路，R1=100k、Rf=50k，输入信号ui=0.3sintV。计算uo及平衡电阻R2。,输出电压,解：,.,49,从虚短入手u+=u-,根据虚断,根据虚断和虚短,例题8-4运放电路如图示，写出uo与ui的关系式。,输出,解：,.,50,二.加法运算电路,功能输出电压与多个输入信号之和成正比。,输入电流,反馈支路电流,.,51,输出电压,.,52,例题8-5反相输入加法运算电路，R11=20k、R12=50k、R13=100k、Rf=100k，ui1=0.1V、ui2=+0.5V、ui3=0.3V。,平衡电阻R2=2050100100=11.11k,计算uo和R2。,.,53,例题8-6运放电路如图所示，R11=R12=Rf1=51k、R3=Rf2=100k，输入信号ui1=0.4V、ui2=0.6V。,计算uO1和uO2。,A1和A2的工作情况如同单独运用时一样。,完成加法运算。,.,54,三.减法运算电路,线性运用叠加定理,输出电压,.,55,同相输入端对地的电压,输出电压,总输出电压,.,56,即输出与输入的差值成正比。,完成减法运算功能。,.,57,例题:差分输入电路。,虚断,推导uo的表示式。,解:,.,58,输出电压,与前面用叠加定理推导得出的结果一致。,.,59,四.积分运算电路,输入端电流,反馈电路电流,.,60,虚断ii=iC,输出电压,.,61,如果输入uI是直流信号电压ui=Ui,uO,Ui0,Ui0,非线性运用,.,62,例题8-8积分运算电路，R1=50k、Cf=1F。电容的初始电压UCO=0。输入信号ui是阶跃电压，波形如图所示。计算需要经过多长时间，输出uo达到10V。,.,63,例题8-9两级运放电路，电容初始电压UCO=0，写出、uO与ui的关系式。,.,64,A2反相输入积分运算,.,65,五.微分运算电路,微分是积分的逆运算。,反相输入方式虚地,反馈支路电流,.,66,理想运放虚断ii=if,微分运算功能。,解:,例题8-10基本微分运算电路，Rf=100k、C=10F，ui波形如图所示。对应画出输出uO的波形。,.,67,分段计算,.,68,30st40s,.,69,微分运算电路,波形变换,.,70,六.运放线性应用举例,三量程欧姆表,基准电阻R1=500k,R2=5k,R3=50,被测电阻RX。,电压表满量程10V。,工作原理,反相输入比例运算电路,当S位于位置1,电压表达到满量程10V时,.,71,工作原理,反相输入比例运算电路,当S位于位置2时,欧姆表的量程,当S位于位置3时,欧姆表的量程,该欧姆表刻度均匀(uoRX),精度较高。,.,72,虚断i+=i=0,8-5电压比较器,特点:运放非线性运用-开环运用或加入正反馈。,.,73,一.过零比较器,通过运放的输出uo=+Uo(sat)或uo=Uo(sat),自动显示输入信号ui0或ui0。,输入信号ui与零电位进行比较,参考电压UR=U+=0。,过零比较器,.,74,工作原理运放工作在非线性区。,输入信号ui参考电压UR=U+=0时,输出uo=UO(sat)。,输入信号ui参考电压UR=U+=0时,输出uo=+UO(sat)。,.,75,稳定电压(UZ+UD)UZ,双向稳压管VDZ和限流电阻R。,带限幅环节的反相过零比较器,.,76,同相输入过零比较器,例题8-11正弦信号ui=2sintV,分别加入反相和同相过零比较器输入端。已知运放的Uo（sat）=13.5V,双向稳压管的Uz=6V。画出输出电压uo的波形。,解：过零比较器的应用。,0,+UZ,UZ,uo,当ui0,uo+UZui0,uoUZ,ui,.,77,自动判别输入信号电压的正负极性(正负半周)。,变换波形(正弦波方波)。,反相输入,同相输入,.,78,二.任意电平电压比较器,参考电压UR0。,.,79,例题8-12两级运放电路，第一级A1的输入信号ui=3sintV，第二级A2的同相输入端加入参考电压UR=1V。运放的Uo（sat）=13V，双向稳压管的U