电工与电子技术第三章 集成运算放大器及其应用

第三章集成运算放大器及其应用,第一节直接耦合放大器第二节差动放大电路第三节集成放大器简介第四节集成运放在信号运算电路中的应用第五节放大电路中的负反馈第六节集成运放在信号处理方面的应用,作业,返回,第一节直接耦合放大器,级与级之间不经电抗元件而直接连接的方式，称为直接耦合。,UCC,零点漂移-当输入信号为零时，输出端电压偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动，这种现象叫零点漂移。产生原因-温度变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等等。第一级产生的零漂对放大电路影响最大。,各级工作点相互影响适于放大直流或变化缓慢的信号电压放大倍数为各级放大倍数之积零点漂移,第二节差动放大电路,基本差动放大电路典型差动放大电路具有恒流源的差动放大电路差动放大电路的输入输出方式,一、基本差动放大电路,电路由两个特性完全相同的基本放大电路组成。,1.抑制零点漂移的原理,静态时，Ui1=Ui2=0，由于电路对称,RC,RC,RB1,RB1,ui1,ui2,RB2,RB2,ui,UCC,uo,V1V2,温度上升，引起两边电流变化,由于电路对称，零漂被抑制。,2.动态工作原理,差模信号极性相反，幅值相同的信号。ui1=ui2共模信号极性相同，幅值相同的信号。ui1=ui2,差模输入（信号）,共模输入（干扰信号）,差动放大电路对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用。,共模、差模同时输入,若电路完全对称，AC0，只有差模信号输出，若电路不完全对称，AC0，既有差模信号又有共模信号输出。,二、典型差动放大电路,加入射极公共电阻RE（共模反馈电阻）可以克服电路不完全对称引起的零漂。,负电源EE的作用是补偿RE上的电压降，从而保证两管有合适的静态工作点。,RC,RC,RB1,RB1,RP,RE,EE,UCC,ui1,ui2,ui,uo,V1V2,To,IC1,IC2,IE,UE,UBE1,UBE2,IB1,IB2,IC1,IC2,RE能够抑制零漂、共模信号，对差模信号无影响。且RE越大，抑制作用越强。但EE也需增大。,RP为调零电阻，用来调节平衡。一般取值不大。,KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数,KCMR越大，抑制共模信号越强。,共模抑制比（KCMR）,RL=RC/(RL/2),接入负载电阻RL,电路分析,静态时流过RE电流=IE1+IE2=2IE,动态时,由于RE对差模信号无影响。忽略RP的影响,KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数,KCMR越大，抑制共模信号越强。,共模抑制比（KCMR）,差模输入电阻,rid2(RB1+rbe)忽略RP,输出电阻,rO2RC,三、具有恒流源的差动放大电路,RC,RC,RB1,RB1,RP,UCC,uo,V1V2,UEE,R,R,R1,R2,RE3,V3,ui,R1、R2提供稳定的iB，晶体管工作在放大区时，iC近似恒定。rCE。,ui1,ui2,V3、RE3、R1、R2组成具有恒流源特性的电路。,电路采用恒流源代替RE，其等效电阻大，抑制共模信号、零漂能力强，又不需要过大的负电源UEE。,四、差动放大电路的输入输出方式,双端输入、双端输出的差动电路,RB1,单端输出只取自一个管子的集电极变量。依对称性：,rORC,第三节集成放大器简介,集成运算放大器的特点集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的理想化模型集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点,一、集成运算放大器的特点,集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的电子电路。运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。,二、集成运算放大器的简单介绍,1.集成运放的组成,抑制零漂，共模抑制比高,低输出电阻，多采用射随器,放大作用的主要单元,提供各级静态电流,2.集成运放的管脚图及符号,F007管脚图,符号,A-反相输入端B-同相输入端F-输出端,信号从反相输入端输入时，输出与输入相位相反。信号从同相输入端输入时，输出与输入相位相同。,三、集成运算放大器的主要技术指标,1.输入失调电压UiO当无输入信号时，为使输出的电压值为零，在输入端加入的补偿电压。其值越小越好（0.55mV）2.输入失调电流IiO输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差。IiOIB1IB2其值越小越好（1nA10nA）,3.开环差模放大倍数Auo运放在开环时的差模放大倍数其值越高越好（104107）5.最大输出电压Uopp输出不失真的最大输出电压值6.共模抑制比KCMR,常用集成运放芯片,四、集成运算放大器的理想化模型,实际运放,AO很高，104ri很高，几十几百KrO很低，几十几百KCMR很高,理想运放,AOri=rO=0KCMR,五、集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点,运算放大器的电压传输特性,集成运放的输出电压uO与输入电压ui(u+u)之间的关系uOf(ui)称为集成运放的电压传输特性。,uOAOui=AO(u+u),线性区,引入深度负反馈，可以使运放工作在线性区。,开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。,理想运放的电压传输特性,ui0，|uO|UOM即u+u时，运放处于非线性区。,闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。,运算放大器的分析特点,1.线性区,集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚短”。,虚短,uOAO（uu）AOuuuoAO0,uu,当u0（接地）uu0称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。,虚断,流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。,ri,II+0,2.非线性区,在非线性区，虚短概念不成立，但虚断概念成立。,u+,I,uo,AOUi,u,I+,例：利用理想运放组成的二极管检测电路，求出流过D的电流iD及D两端的电压uD。,解：,虚地点,第四节集成运放在信号运算电路中的应用,分析线性区理想运放的两个概念基本运算电路,一、分析线性区理想运放的两个概念,虚短,uu,II+0,虚断,二、基本运算电路,比例电路,1.反相比例电路,i+0（虚断）u+0u+u0（虚地点）,i1=uiR1if=uuo=uoRfii+0i1if,即ui/R1=uo/Rf,uo、ui符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。电路中引入深度负反馈，闭环放大倍数Auf与运放的Au无关，仅与R1、Rf有关。,R2平衡电阻同相端与地的等效电阻。其作用是保持输入级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。R2R1/Rf,当R1Rf时，uoui，该电路称为反相器。,2.同相比例电路,uo,ui,R2,R1,Rf,i+0（虚断）u+uiu+uui（虚短）,i1=（0ui）R1if=(uuo)Rf=(uiuo)Rfii+0i1if,当Rf有限值时，R1,R2平衡电阻R2R1/Rf,Auf=1电路成为电压跟随器。uoui此电路输入电阻大，输出电阻小。,例：应用运放来测量电阻的电路如图，U10V，R1=1M，输出端接电压表，被测电阻为Rx，试找出Rx与电压表读数uo之间的关系。,解:,此电路为反相比例电路,例：理想化运放组成的电路如图，试推算输出电压uo的表达式。,uo,ui,R1,R3,R2,R4,u+,解:,此电路为同相比例电路,判断这个等式、,啊，见鬼了!,哈，verygood!,例：图示电路为T型反馈网络的反相比例电路，试推算输出输入之间的关系。,u+u0（虚地点）,ii+0i1i2=uiR1,解:,此电路只在要求放大倍数较大、输入电阻较高和避免阻值过高时才采用。,加法运算电路,uo,ui2,if,i2,R2,RP,Rf,在调节某一路信号的输入电阻的阻值时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，调节方便。,求和电路也可从同相端输入，但同相求和电路的共模输入电压较高，且不如反相求和电路调节方便。,减法运算电路（差动运算电路）,uo,ui2,if,i1,R1,R2,Rf,R3,利用叠加原理,同相端输入,反相端输入,当R1=R2=R3=Rf=R时，uo=ui2ui1(减法器）,R2/R3=R1/Rf,例：用运放组成的直流毫伏表电路如图所示，设表的内阻可忽略，试求IO与VS的关系。,解:,电路实为反相比例电路,R,VO=VS,I1=I2(虚断）,IO=II2=VO/RVS/R1,I=VO/R,I1=I2=VS/R1,=VS(1/R+1/R1),例：已知RF4R1，求u0与ui1、ui2的关系式。,解:,A1为跟随器；A2为差放。,uo=ui1,uo5ui24ui1,例：如图，求uo与ui1、ui2的关系式。,解:,A1为反向加法器；A2为反相比例电路。,例：如图，求uo。,A1：反相比例A2：同相比例A3：差动输入,解：,积分电路,uo,ui,iC,i1,R,RP,C,uo正比于ui的积分,延迟,积分电路的应用,信号延迟时间T后，电压值达到U,方波转化为三角波,微分电路,iR,uo正比于ui的微分,例：电路如图，已知运放UOMAX=10V，输入信号波形如图，R1M，C0.05F，求输出波形。（电容初始能量为零）,ui/v,t/s,1,1,RC=11060.05106=0.05S,u0=UOMAX10=20t,t=0.5S,解:,例：电路如图所示，已知R1=R2=10K,C=0.1F,集成运放UOmax=18V,求：试导出uo与u1、u2关系式；已知u1、u2波形，试画出uo波形。,t=10ms,=15Vt=20msu0=10V,例:已知运放UOMAX=15V试求图中uo1、uo2、uo3及开关S闭合0.2s后uo的值。,解:,输出电压超出UOMAX，uo=15V,第五节放大电路中的负反馈,反馈的基本概念负反馈对放大器性能的影响,一、反馈的基本概念,正反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变大。,负反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变小。,反馈：指将输出量的一部分或全部按一定方式送回到输入回路来影响输入量的一种连接方式。,负反馈的分类,电压负反馈-反馈信号取自输出电压,反馈信号与输出电压成比例;电流负反馈-反馈信号取自输出电流,反馈信号与输出电流成比例;串联负反馈-反馈信号与输入信号以串联的形式作用与输入端；并联负反馈-反馈信号与输入信号以并联的形式作用与输入端。,串联,电流,负反馈,电压,并联,二、负反馈对放大器性能的影响,电压放大倍数被降低,电路加入负反馈，使净输入信号减小，等于削弱了输入信号，使得放大倍数减小。,增加放大倍数的稳定性,电路加入负反馈，放大倍数被降低的同时，也使由于温度、负载、元器件等条件变化而引起的放大倍数的变化大大减小，放大倍数的稳定性得到提高。,扩展通频带,BO,BF,电路加入负反馈，通频带由BO加宽到BF。,减小非线性失真,电路加入负反馈，使净输入信号减小，iC减小，改善了非线性失真。,串联负反馈增加输入电阻，并联负反馈减小输入电阻。电压反馈能稳定输出电压，减小输出电阻；电流反馈能稳定输出电流，增加输出电阻。,抑制干扰和噪声,加入负反馈的电路，以降低放大倍数为代价，换来了放大器诸多方面性能的改善。,第六节集成运放在信号处理方面的应用,电压比较器,运放的非线性应用非线性应用电路具有两种类型，一类是运放本身工作在非线性状态，如开环或正反馈状态。另一类是运放本身工作在线性状态，由外部电路中引入了非线性元件，使输出与输入不再是线性关系。,一、电压比较器,过零比较器,比较器是一种用来比较输入信号Ui和参考电压UR的电路。,u+u时，即ui0，uOUOM,ui0负饱和uOUOM,+UOM,UOM,若ui为正弦波,UOM,+UOM,u0为方波,关于UOM饱和电压UOMUCC,任意电平比较器,限幅措施,ui,R,RP,uo,UZ,ui0负饱和uO(UZ+UD),uiUR负饱和uOUZ,+UZ,UZ,UR,常用集成比较器,LM311电压比较器,比较器的特点及分析方法,比较器中运放处于开环或正反馈状态，输入与输