电工电子技术第6章.ppt

第6章集成运算放大器,太原理工大学电工基础教学部,第6章集成运算放大器,6.1集成运算放大器简介,6.2放大电路中的反馈,6.4集成运放的非线性应用,6.3集成运放的线性应用,6.5正弦波发生器,第6章集成运算放大器,1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，掌握理想运算放大器的基本分析方法。理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响。4.理解用集成运放组成的基本运算电路的工作原理，5.理解电压比较器的工作原理和应用。6.了解振荡电路自激振荡的条件和RC振荡电路的工作原理。,本章要求:,6.1集成运算放大器简介,6.1.1集成运放的结构和符号,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,输入级,中间级,输出级,同相输入端,输出端,反相输入端,中间级：多采用共射放大电路；电压放大倍数高。,输出级：一般采用射极输出器或互补对称电路；输出电阻小，带负载能力强。,偏置电路：给各级电路提供稳定和合适的静态工作点,1.结构,输入级：采用差动放大器，有同相输入和反相两个输入端；输入电阻大；抗干扰能力强。,2.特点,电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差一致，温度均一性好。,电阻元件的阻值范围在10030k，且精度低。大电阻用晶体管恒流源代替或采用外接。,电容元件为200PF以下的小电容。大电容一般采用外接。,二极管一般用三极管的发射结构成。,高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,Auo高:80dB140dB;rid高:1051011ro低:几十几百;KCMR高:70dB130dB,集成运放的常用符号,3.符号,uo,输出端,u-,反相输入端；,u+,同相输入端；,uo与u-反相,uo与u+同相,LM741,6.1.2集成运放的主要技术指标,1.开环差模电压放大倍数Aod,一般约为80140dB，即104107倍。,无外加反馈的情况下的差模电压放大倍数（增益）。通常用分贝（dB)表示。,2.共模抑制比KCMR,一般KCMR的值为80dB以上，越大越好。,衡量差动管向输入信号索取电流大小的标志。,3.差模输入电阻rid,一般rid的值为2M以上，越大越好(高达106M)。,4.开环输出电阻ro,反映集成运放的带负载能力,一般ro为几百，性能较高的集成运放的ro可小于100。,UIO是为了使输出电压为0，在输入端加的补偿电压。反映了运放输入端两管的对称度。,5.输入失调电压UIO,一般UIO的值为1V20mV，越小越好。,7.最大输出电压UoppF007为12V13V，略低于UCC,两个输入端静态电流IB1、IB2之差。,6.输入失调电流IIO,一般IIO的值为1nA0.1A，越小越好。,运放选择与使用的注意事项：,尽量选择通用的运放,学会辨认管脚,搞清主要参数UCC、ri、ro、Io等,搞清是否需要加直流偏置,搞清是否需要加调零电路及输入、输出的保护电路。,6.1.3集成运放的电压传输特性与理想化模型,1.理想运算放大器的条件和符号,开环差模输入电阻rid,共模抑制比KCMR,开环输出电阻ro0,开环差模电压放大倍数Aod,理想运算放大器的符号,2.电压传输特性,实际特性,理想特性,负反馈特性,线性区（放大区）,非线性区（饱和区）,线性区内,Ao，线性区间太窄,使用时必须加深度负反馈,使Ao降低，增宽线性区间,输出两种状态,u+u-时，uo=+UOM,u+u-时，uo=-UOM,UOM=（1213）V,6.2放大电路中的反馈,反馈将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部反送到输入端，控制输入信号。这一过程称为反馈。,正反馈反馈信号使净输入信号增大，放大倍数升高，称为正反馈。,6.2.1反馈的基本概念,1.什么是反馈,负反馈反馈信号使净输入信号减小，放大倍数降低，称为负反馈。,实际放大电路中，总要引入反馈，以改善电路的性能,2.反馈的框图表示,开环系统（无反馈系统）,净输入信号：,开环放大倍数：,闭环系统（有反馈系统）,开环放大倍数：,反馈系数：,净输入信号：,闭环放大倍数：,其中：,净输入信号,3.反馈深度分析,称为深度负反馈,4.反馈的类型,电压反馈和电流反馈,电压、电流看输出,故称为电压反馈,故称为电流反馈,从输出看，反馈量取自输出电压，并与之成比例，为电压反馈；反馈量取自输出电流，并与之成比例，为电流反馈。,判别电压、电流反馈的方法：短接输出法,将输出端短接，反馈信号消失，称为电压反馈,将输出端短接，反馈信号仍存在，称为电流反馈,串联反馈和并联反馈,串联、并联看输入,故称为串联反馈,故称为并联反馈,判别串联、并联反馈的方法：短接输入法,将输入端短接，反馈信号消失，称为并联反馈,将输入端短接，反馈信号仍存在，称为串联反馈,反馈的类型,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,6.2.2反馈类型的判别,1.判别有无反馈找反馈元件,(a),(c),(d),(b),(e),(f),2.判别正、负反馈,瞬时极性法：,标出反馈元件所接的输入端和输出端的瞬时极性，找出反馈信号，列出净输入信号的表达式进行判别，若净输入信号减弱为负反馈，若净输入信号增强为正反馈。,ui,uo,RL,R2,R1,RF,(a),if,ii,id,ud,uf,if,ii,id,ud,uf,在单级运算放大器中，将反馈信号接到反相输入端为负反馈,3.判别电压、电流反馈,电压、电流看输出,反馈信号与输出电压从输出同一端引出时，为电压反馈。,（同出为压）,反馈信号与输出电压不是从输出同一端引出时，为电流反馈。,（异出为流）,RL不是直接接地,RL不是直接接地,4.判别串联、并联反馈,串联、并联看输入,反馈信号与输入电压从输入同一端引入时，为并联反馈。,（同入为并）,反馈信号与输入电压不是从输入同一端引入时，为串联反馈。,（异入为串）,电压并联负反馈,电压串联负反馈,电流并联负反馈,电流串联负反馈,ube,uf,异出为流,异入为串,电流串联负反馈,ic,uf,ube=ui-uf,ib,ic,可见，电流负反馈稳定输出电流,（流稳流）,ic,ib,uf,ube,同出为压,异入为串,电压串联负反馈,if,ii,ib,同出为压,同入为并,电压并联负反馈,uo,if,ib=ii-if,uo,可见电压负反馈，稳定输出电压,ic,（压稳压）,ic,如：Rf只对交流起反馈作用，,5.交流反馈与直流反馈,在反馈支路中串入隔直电容，为交流反馈。,在反馈支路两端并联旁路电容，为直流反馈。,如：RE2只有直流反馈。起稳定静态工作点的作用。,反馈支路无电容时即有交流反馈也有直流反馈。如：RE1,为电压串联负反馈,为电流串联负反馈,为电流串联负反馈,例1：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反馈；,因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以是串联反馈；因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈。,串联电压负反馈,先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,ud,例2：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是电流反馈；,因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈;,因净输入电流id等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。,并联电流负反馈,运算放大器电路反馈类型的判别方法：,1.反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈；2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈；3.对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈；4.对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，是负反馈；否则是正反馈。,同出为压,异出为流,异入为串,同入为并,6.2.3负反馈对放大电路性能的影响,1.降低放大倍数,2.提高放大倍数的稳定性,用相对变化率判稳,负反馈时,或者,3.改善非线性失真,有负反馈时的波形,4.展宽通频带,在BW内，|AXO|高，反馈强，使|AXf|下降多，在BW外，|AXO|低，反馈弱，使|AXf|下降少，这样使特性曲线的两端较平缓，所以通频带展宽。,5.改变输入电阻和输出电阻,对输入电阻ri的影响,串联反馈使放大电路的输入电阻ri增大；,深度负反馈：,并联反馈使放大电路的输入电阻ri减小。,深度负反馈：,对输出电阻ro的影响,电压负反馈稳定输出电压，使输出电阻ro减小；,A为负载开路时的源电压放大倍数。,深度负反馈：,电流负反馈稳定输出电流，使输出电阻ro增大。,A为负载短路时的源电压放大倍数。,深度负反馈：,6.2.4放大电路引入负反馈的一般原则,1.欲稳定某个量，则引该量的负反馈,稳定直流，,引直流反馈；,稳定交流，,引交流反馈；,稳定输出电压，,引电压反馈；,稳定输出电流，,引电流反馈。,2.根据对输入、输出电阻的要求选择反馈类型,欲提高输入电阻，,采用串联反馈；,欲降低输入电阻，,采用并联反馈；,要求高内阻输出，,采用电流反馈；,要求低内阻输出，,采用电压反馈。,3、为使反馈效果强，根据信号源及负载确定反馈类型,信号源为恒压源，,采用串联反馈；,信号源为恒流源，,采用并联反馈；,要求负载能力强，,采用电压反馈；,要求恒流源输出，,采用电流反馈。,填空：,直流负反馈,交流负反馈,交流正反馈,直流负反馈,交流负反馈,交流负反馈,(2)如希望减小放大电路从信号源索取的电流，则可采用；如希望取得较强的反馈作用而信号源内阻很大，则宜采用；如希望负载变化时输出电流稳定，则应引入；如希望输出电压稳定，则应引入。,串联负反馈,并联负反馈,电流负反馈,电压负反馈,如果需要实现下列要求，在交流放大电路中应引入哪种类型的负反馈？,(1)要求输出电压Uo基本稳定，并能提高输入电阻。,(2)要求输出电流Io基本稳定，并能减小输入电阻。,(3)要求输出电流Io基本稳定，并能提高输入电阻。,答：电压串联负反馈,答：电流并联负反馈,答：电流串联负反馈,6.3集成运放的线性应用,6.3.1理想运放线性应用的分析依据,1.净输入端的电流近似为零,由rid,i=i+=0,入端电流为零“虚断”,2.净输入端的电位近似相等,由Aod,u=u+,入端电位相等“虚短”,6.3.2比例运算电路,1.反相比例运算器,输入电阻：,反馈类型：,电压并联负反馈,平衡电阻：,R2=R1/RF,共模电压：,2.同相比例运算器,输入电阻：,反馈类型：,电压串联负反馈,平衡电阻：,R2=R1/RF；,共模电压：,1.反相加法运算器,6.3.3加、减运算电路,2.同相加法运算器,3.减法运算器,解得：,1.积分运算器,输入方波，输出是三角波,6.3.4积分、微分运算电路,如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,积分时限,2.微分运算器,u-=u+=0,解得：,3.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,6.3.5测量放大电路,uo1,uo2,求图示电路的uo与ui的运算关系。,求图示电路的uo与ui1和ui2的运算关系。,作业：184页,6-96-136-146-16,6.3.5有源滤波器,1.滤波电路的分类:,按信号分类:模拟滤波器和数字滤波器,按功能分类:,按元件分类:无源滤波器和有源滤波器,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,传递函数：,幅频特性,相频特性,其中：,2.一阶低通滤波器,截止频率：,无源滤波器,一阶有源低通滤波器,电路为电压串联负反馈,输入电阻大，减轻信号源负担，有隔离作用。,输出电阻小，具有较强的带负载能力。,幅频特性：,有放大作用，带负载能力强。,截止频率：,为了改善滤波效果可采用二阶有源低通滤波器,3.一阶有源高通滤波器,幅频特性：,截止频率：,4.带通与带阻滤波器,带通滤波器,低通的截止频率大于高通的截止频率,带阻滤波器,模拟开关,模拟输入信号,1.电路,6.3.6采样保持电路,采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间，所以在进行A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储电容,控制信号,电压跟随器,2.工作原理,采样阶段：uG为高电平，S闭合(场效应管导通)，ui对存储电容C充电，uo=uC=ui。,保持阶段：uG为0，S断开(场效应管截止)，输出保持该阶段开始瞬间的值不变。,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,6.4集成运放的非线性应用,运放处于开环状态或正反馈状态，工作在非线性区（饱和区）。,运放的输出有两种状态：,u+u-时，uo=+UOM（高电平）,u+u-时，uo=-UOM（低电平）,6.4.1理想运放非线性应用的分析依据,6.4.2电压比较器,1.过零电压比较器,(2)电压传输特性,uo=f(ui),电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。,UR=0,(2)电压传输特性,UR=0,2.任意电压比较