电工学简明教程第十一章第二版.ppt

第11章运算放大器,11.1运算放大器的简单介绍,11.3运算放大器在信号运算方面的应用,11.2放大电路中的负反馈,11.4运算放大器在信号处理方面的应用,11.5运算放大器在波形产生方面的应用,11.6使用运算放大器应注意的几个问题,第11章运算放大器,分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。,集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。,集成电路分类,集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。,按集成度,按导电类型,按功能,小、中、大和超大规模,双、单极性和两种兼容,数字和模拟,各类型号集成芯片,用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。,集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。,第11章运算放大器,本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。,输出端,11.1.1集成运放的组成,输入级差动放大器,输出级射极输出器或互补对称功率放大器,偏置电路由镜像恒流源等电路组成,11.1运算放大器简单介绍,输入端,11.1.1运算放大器的组成,输入级,中间级,输出级,同相输入端,输出端,反相输入端,输入级：采用带恒流源的差分放大电路，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。提高放大器质量的关键部分。,偏置电路：恒流源电路构成，提供合适的偏流，决定各级Q。,中间级：主要进行电压放大，常用带恒流源的共发射极放大电路构成，电压放大倍数高。,输出级：一般由互补对称电路或射极输出器构成，输出电阻低，带负载能力强，能够输出足够大的电压和电流。,集成运算放大器的管脚和符号,反相输入端,同相输入端,信号传输方向,输出端,实际运放开环电压放大倍数,11.1.2主要参数,1.最大输出电压UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2.开环电压放大倍数Auo运放没有外接电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6.共模输入电压范围UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB,理想的运算放大器。理想化的主要条件：,1.开环电压放大倍数,2.差模输入电阻,3.开环输出电阻,4.共模抑制比,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，,在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,11.1.3理想运算放大器及其分析依据,11.1.3理想运算放大器及其分析依据,1.理想运算放大器的条件,Auo，rid，ro0，KCMR,2.电压传输特性uo=f(ui),线性区：uo=Auo(u+u),非线性区（饱和区）：u+u时，uo=+Uo(sat)u+u时，uo=+Uo(sat)u+UR时，uo=Uo(sat),uiUR时，uo=+Uo(sat),ui=UR时，uo发生跃变,UO(sat),UO(sat),uR,+,当UR=0时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。,电压传输特性,11.4.2电压比较器,UO(sat),UO(sat),uo,若图中ui为正弦波，画出uo的波形。,R1,R2,ui,+,UR,+,+,+,电压传输特性,UO(sat),UO(sat),例2电路如图所示，ui是一正弦电压，画出uo的波形。,UO(sat),UO(sat),R1,R2,ui,uo,+,+,C,D,RL,R,解运放为同相输入过零电压比较器,UO(sat),UO(sat),各电压波形如右图所示。,返回,在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把输出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。,电压传输特性,11.4.2电压比较器,UO(sat),UO(sat),UZ,UZ,限幅电压比较器,正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。,常用的正弦波振荡器,LC振荡电路:输出功率大、频率高。,RC振荡电路:输出功率小、频率低。,石英晶体振荡电路：频率稳定度高。,应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。,11.5运算放大器在波形产生方面的应用,11.5.1RC正弦波振荡电路,1.自激振荡的条件,11.5.1RC正弦波振荡电路,电路中无外加输入电压，而在输出端有一定频率和幅度的信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。,S,当无反馈网络时，,开环电压放大倍数,则输出电压保持不变。,反馈系数,又,所以自激振荡的条件是：,若,当有反馈网络时，,11.5.1RC正弦波振荡电路,(1)相位条件：反馈电压,与输入电压,同相,为正反馈；,即,(2)幅度条件：,即,自激振荡的条件：,反馈电压与输入电压的大小相等；,正弦波振荡电路的组成,(1)放大电路:放大信号,(2)反馈网络:必须是正反馈，反馈信号即是放大电路的输入信号,(3)选频网络:保证输出为单一频率的正弦波即使电路只在某一特定频率下满足自激振荡条件,(4)稳幅环节:使电路能从AuF1，过渡到AuF=1，从而达到稳幅振荡。,(2)选频电路,选频电路,其电压放大倍数为,(1)放大电路,由集成运放构成的同相比例运算电路。,由RC串并联电路组成，它也是正反馈电路。,u+,3RC正弦波振荡电路,uo,+,+,+,RF,R1,u+,3RC正弦波振荡电路,C,R,R,C,若要与同相，上式分母的虚部应为零,这时,同相比例运算的电压放大倍数为,可见，当,时，,即,工作原理,输出电压uo经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf作为同相比例电路的输入信号ui。,起振过程,uo,+,+,+,RF,R1,u+,3RC正弦波振荡电路,C,R,R,C,在特定频率,ui和uo同相，即RC串并联电路具有正反馈和选频作用，ui和uo为正弦波。,时，,，则,电路将等幅振荡；,若,，则,电路将不能幅振荡；,若,，则,电路起振后，振幅越来至饱和；,所以，振荡时应满足,即RF2R1,RF=2R1,起振时应满足,若,uo,+,+,+,RF,R1,4RC正弦波振荡电路稳幅措施,C,R,R,C,(1)用热敏电阻稳幅,起振时由于温度低，RT2R1，,振荡后温度增加RT减少到等于2R1。,(2)用二极管稳幅,用具有负温度系数的热敏电阻RT代替RF。,5振荡频率的改变,由,可知,改变R、C或同时改变RC都可改变振荡频率。,RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。,11.5.2矩形波发生器,11.5运算放大器在波形产生方面的应用,RF,R1,C,uo,+,+,uC,+,+,+,.,uR,R2,R3,+,uZ,DZ,图示电路中,uC和uo的波形,返回,集成功率放大器,LM386构成的功率放大电路如下图所示。,图中，R2C4组成电源滤波电路；R3C3是相位补偿电路，以消除自激振荡，并改变高频时的负载特性；C2也是防止自