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集成运算放大器,集成运算放大器,集成运放的应用,了解集成运算放大器的一般概况；熟悉集成运算放大器的基本类型及其应用；掌握集成运算放大器的理想化条件，并能运用理想化条件对集成运放电路进行分析；理解运放的基本结构、组成、符号及主要参数，了解其常用的非线性应用。,学习目的与要求,一、集成运算放大器,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路(英文简称IC)。集成电路的体积很小，但性能却很好。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路是工业的“食粮”和“原油”。,1.集成运算放大器概述,集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。,常见集成电路的封装形式,圆壳式,双列直插式,扁平式,单列直插式,直插式,单列扁平式,集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：,运放的输入级。利用差分电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。,中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。,输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。,集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流。,(1)开环电压放大倍数Au0,其数值很高，一般约为104107。该值反映了输出电压U0与输入电压U和U之间的关系。,(2)差模输入电阻ri,运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。,(3)闭环输出电阻r0,由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。,指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。,(4)最大共模输入电压Uicmax,2.集成运放的主要技术指标,为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：,开环电压放大倍数Au0=,差模输入电阻ri=,输出电阻r0=0,共模抑制比KCMR=,3.集成运算放大器的理想特性,4、集成运放工作在线性区的特点,由,可知，理想运放工作在线性区时，输,出电压U0与输入电压Ui之间是线性放大关系。,因Au0=，所以可导出,运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明，,即理想运放的两个输入端电位相等。,1、两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。,2、又由于理想运放的差模输入电阻ri=，所以可近似地认为两个输入端均无电流流入。这种现象称为“虚断”。,“虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结论。,集成运放的线性应用的必要条件：接成负反馈。,负号说明输入输出反相,由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”,由图可知,所以,u+,u,可得,根据“虚短”又可推出：u=u+=0,整理后可得,输出与输入的比例值,二、集成运放的线性应用,1、反相比例运算电路,集成运放的线性应用,反相比例运算电路中，R2是平衡电阻，其值应选择符合,2、同相比例运算电路,由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=ui,由图可知,所以,u+,u,可得,根据“虚短”又可推出：u=u+=ui,整理后可得,输出与输入的比例值,显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。为提高电路的对称性，与反相比例运算电路相同，R2=R1/RF,3、差分减法运算电路,若R2=R3，则,因为,不存在“虚地”现象,所以,整理得,若R1=RF，则,实现了输出对输入的减法运算。,集成运放工作于非线性区的显著特点就是运行在开环或正反馈状态下；因运放的开环电压放大倍数Au极高，所以只要输入一个很小的信号电压，即可使运放进入非线性区。运放工作在非线性区时，输入和输出不成线性关系。,(1)单门限电压比较器,单门限电压比较器只有一个门限电平，当输入电压达到此门限值时，输出状态立即发生跳变。,电压比较器广泛应用于模/数接口、电平检测及波形变换等领域中。,U0M,U0M,UR,门限电平值,电压比较器应用实例,利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。,UR=0,由于门限电压等于0，因此为过零电压比较器。,UCM,UCM,输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生跳变。,滞回比较器,滞回比较器又称施密特触发器，传输过程中：当输入电压ui从小逐渐增大，或者ui从大逐渐减小时，两种情况下的门限电平是不相同的，由此电压传输特性呈现“滞回”曲线的形状。电路及曲线图如下所示：,UB,UOM,+U0M,UB1,UB2,当ui等于或大于UB1时,a,b,c,d,e,f,门限电平值,当ui小等于或小于UB2时,滞回比较器可构成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生器电路，也可以实现波形变换。,滞回比较器的特点,1、具有双门限UB1和UB2；,2、电路具有正反馈环节；,3、电路的抗干扰能力强。,滞回比较器应用实例,当门限电压为0.7V时,输入波形,输出波形,实现了波形的整形与变换,放大电路输入信号本身就是一个已产生了失真的信号，引入负反馈后能否使失真消除？,上述问题希望课后认真归纳总结,滞回特性指的是什么？如何理解？,检验学习结果,放大电路引入负反馈后，对电路的工作性能带来什么改善？,5、比较器可以输出方波、但它与方波发生器相比较，有什么不同？,检验学习结果,检验题解答1,电压比较器电路图可简单的用下图来表示。,滞回比较器的电压传输特性：输入电压ui由小往大变化的过程中，未到达门限电压UB1时，输出电压u0保持不变，到达UB1瞬间，输出电压从+UOM值跳变到UOM值；当输入电压由大往小变化的过程中，未到达门限电压UB2时，u0保持不变，到达UB2瞬间，输出电压从UOM值跳变到+UOM值，即具有回差特性。回差电压U=UB1UB2,UOM,+U0M,UB1,UB2,检验题解答2,利用理想集成运放“虚断”和“虚短”两个重要结论，无论是运放的线性分析还是非线性分析，都带来很大方便。例如反相比例运算电路的分析：,由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”,由图可知,所以,u+,u,可得,根据“虚短”又可推出：u=u+=0,整理后可得,输出与输入的比例值,检验题解答3,u0,Ri=,ii=0,虚断,运放近似符合理想条件即：Ri,虚短,u0,输出电压u0为有限值。运放近似符合理想条件。即：Au，,“虚地”是指并未真正接地，但具有“地”的电位。虚地点若真的接地，电路结构将发生变化，因此不行。,检验题解答4,工作在线性区的集成运放，实际上就是一个高增益、直接耦合的多级放大器，其主要任务就是实现对传输信号不失真地放大。引入负反馈，可以改善放大电路的性能，提高放大电路的稳定性，减少电路的非线性失真，抑制噪声，扩展频带，改变输入、输出电阻。由于集成运放的输出信号是通过反馈网络反馈到反相输入端的，因此实现了深度负反馈；深度负反馈的运放，其闭环放大倍数主要由反馈系数决定，与其内部参数无关。而且运放采用的电压负反馈方式，还能使其输出电阻减小，从而增强了运放的带负载能力。,检验题解答5,电压比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较，并输出高低电平来表示比较结果的电路。电压比较器的特点是工作在开环或正反馈状态，具有开关特性且输出和输入之间不成线性关系。常用的有过零比较器、非零电压比较器和滞回比较器。这些比较器的阈值(门限电压)是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个