16 集成运算放大器2.ppt

,第16章集成运算放大器,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16.6使用集成运算放大器应注意的几个问题,集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；,16.1集成运算放大器的简单介绍,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。,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,16.1.1集成运算放大器的特点,1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3.只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。,5.二极管一般用三极管的发射结构成。,4.不能制造电感，如需电感，也只能外接。,6.集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。,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。,16.1.2电路的简单说明,偏置电路是为各级电路提供稳定和合适的静态工作点，一般由恒流源构成。,2.简单集成运放结构原理图,简单运算放大器的结构原理图,3.集成运放输入与输出的相位关系,4.F007（5G24）外引线图,顶视图,3.输入失调电UIO,16.1.3主要参数,2.开环电压放大倍数Auo,无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105107之间。理想运放的Auo为。,1.最大输出电压Uopp,能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最大输出电压。,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,6.输入失调电流IIO,5.输入偏置电流IIB,输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,7.最大共模输入电压Vicmax,8.共模抑制比KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,运放的特点,理想运放：,rid,KCMRR,ro0,Auo,运放符号：,16.1.4理想运算放大器及其分析依据,国内符号：,同相输入端,反相输入端,输出端,国际符号：,运放的电压传输特性：,设：电源电压VCC=10V。运放的Auo=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,Auo越大，线性区越小，当Auo时，线性区0,Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,理想特性,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。,2.开环电压放大倍数输出电压是一个有限值，,即虚短。,运算放大器在饱和区时的情况当时，,例题,注意：此时输入端的输入电流也等于零,例F007运算放大器的正、负电源电压为15V，开环电压放大倍数Auo=2105,输出最大电压（即Uo(sat)为13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：,解,只要两个输入端之间的电压绝对值超过65V，输出电压就达到正或负的饱和值。,输出电压,输出电压,输出电压,输出电压,返回目录,16.2运算放大器在信号运算方面的应用,虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。,i1=if,虚短,虚断,1、反相输入,16.2.1比例运算,当RF=R1时，,反相器,RP=R1/RF,平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。,特点：共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：输入电阻小（Ri=R1）,2、同相输入,u-=u+=ui,虚短,虚断,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,特点：输入电阻高缺点：共模输入电压0（u=u+=ui）,此电路的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,3、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,当(开路)或时,称为电压跟随器。,例：图中同相比例运算电路，,求：,需要帮忙吗？点击我会有新发现。,解：,此电路为同相比例运算电路，,于是,1、反相求和运算,16.2.2加法运算,平衡电阻：,调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,(虚短),(虚断),2、同相求和运算,此电路如果以u+为输入，则输出为：,u+与ui1和ui2的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？,解出：,16.2.3减法运算,用叠加原理求解：,ui1单独作用时为反相输入比例运算电路，其输出电压为：,ui2单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为：,ui1和ui2共同作用时，输出电压为：,由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。,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。,则:,则:,例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。,解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。,例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压uo。,解：,想一想：为什么要加A1？,返回目录,16.2.4积分运算,由于反相输入端虚地，由图可得：,+uc-,U,积分时限,反相积分器：如果ui=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。,设Uom=15V,ui=+3V,R=10k,C=1F,求积到饱和值的时间：,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-积分运算,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。,练习:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,+uc-,其中：R=10K,C=0.1F,u=u+=0,若输入：,则：,16.2.5微分运算,作业：,16.2.216.2.516.2.716.2.916.2.1316.2.20,16.3.3电压比较器,运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压uo达到最大值Uo(sat)。,基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。,电压比较器广泛应用在模-数接口、电平检测及波形变换等领域。如图所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子.,输出端接双向稳压管进行双向限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通,uo=UZ；uiUT+,就有u-u+,uo立即由UZ变成UZ。,在ucUT+时，,u-u+,设uC初始值uC(0+)=0,uo保持+UZ不变,此时，C向uO放电,再反向充电,(2)当uo=-U