工学合肥工业大学模电二下

1、33 MHz Analog Electronics 2 集成运放及其基本运用 本章重点 1.各种基本单元运算电路及综合运算 。 2.电压比较器的传输特性 本章讨论的问题： 1.什么是理想运放？指标参数有哪些？ 2.为什么在运算放大电路中集成运放必须工作在线性区？ 为什么理想运放工作在线性区时会有虚短和虚断？ 3. 有哪些基本运算电路？怎样分析运算电路的运算关 系？ 4.电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电 压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？ 33 MHz Analog Electronics 2.1 放大的概念和电路主要指标 2.1.1 放大的概念 ?放大的对象：模拟量。常用正

2、弦波作测试信号。 ?放大的本质：能量的控制和转换能量的控制和转换。在输入信号 的作用下，通过放大电路，将直流电源的能量转换成 负载所获得的能量，使负载上获得的能量大于信号源 提供的能量。 第2章 集成运放及其基本运用 33 MHz Analog Electronics ?放大电路的核心元件：有源元件。用于能 量的控制和转换。 ?放大的特征：功率放大。负载上获得比输 入信号大得多的电压或电流，或者兼而有之。 ?放大的基本要求：不失真。这是放大的前 提，要求放大电路中的有源元件工作在合适的 区域，使输入量与输出量始终保持线性关系。 33 MHz Analog Electronics 2.1.2.放

3、大电路的性能指标 1.放大电路的框图 图2.1.2放大电路示意图 33 MHz Analog Electronics 2、性能指标 （1）放大倍数 放大电路示意图放大电路示意图 i o U U AA uuu ? ? ? ?电压放大倍数 i o I I AA iii ? ? ? ?电流放大倍数 i o I U A ui ? ? ? ?互阻放大倍数 i o U I A iu ? ? ? ? 互导放大倍数 放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标 33 MHz Analog Electronics （2）输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 输入电阻输入电阻Ri 放大电路一定要有前级（信号源）为其提

4、供信号， 那么就要从信号源索取电流。 输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的 参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小。 Au Ii US Ui R i=Ui / Ii 电压放大的情况下， Ri越大越好。Why？ 33 MHz Analog Electronics 输出电阻 对负载来说, ,放大器的输出端口等效为一个信 号源，其内阻就是放大电路的输出电阻，也就是从 放大电路输出端看进去的等效电阻。 L o o L o o o o ) 1(R U U R U UU R? ? ? o U? 计算输出电阻的方法之一：测出空载输出 电压 和有载(负载为RL)输出电压Uo，则： 33 MHz An

5、alog Electronics 输出电阻R0 0的大小反映了放大电路带负载的能力 。 R0愈小，负载电阻变化时， Uo的变化愈小，放大电路 带负载的能力愈强。 33 MHz Analog Electronics 3.通频带(衡量放大电路对不同频率信号的适应能力 ) 一般宽频带放大器的幅频特性如图所示，一般情况下， 放大电路只适用于放大某一特定频率范围的信号，在输入信号 频率太高或太低时，放大倍数的值会下降并产生相移。 在信号频率下降到使放大倍数的值等 于0.707 的频率。 L f下限频率 m A ? 在信号频率上升到使放大倍数的值等 于0.707 的频率。 H f上限频率 m A ? HL

6、 ff 与 之间的频率范围。 通频带 bw f LHbw fff? 33 MHz Analog Electronics （4）最大不失真输出电压 在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供 给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值 (UOPP 、IOPP)表示，或有效值表示(Uo 、I o)。 （5）最大输出功率与效率 在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功 率称为最大输出功率最大输出功率Pom。 直流电源能量的利用率称为效率。 V om P P ? ? ：效率 PV：直流电源消耗的功率 33 MHz Analog Electronics 2.2 集成运算放大电路 2.2

7、.1 差分放大的概念 输入级均采用差分放大电路,具有很强的抑制零点漂移的能力； 中间级一般采用有源负载的复合管共射电路，以获得高的 电压放大倍数； 输出级通常采用互补对称输出电路，以提高电路的带负载能力； 且电路的不失真输出电压高，效率高。 偏置电路一般采用恒流源电路，其特点是直流电阻小，交流 电阻大，常用来作有源负载和为各级提供合理而稳 定的偏置电流。 33 MHz Analog Electronics 2.2.2 集成运放的符号及其电压传输特性 图 2.2.3 集成运放的符号和电压传输特性 uO=f(u P-uN) + Aod uP uN uO 集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反

8、相输入端uN。 电压传输特性 uO uP-uN O 33 MHz Analog Electronics 输出电压与其两个输入端的电压 之间存在线性放大关系，即 )( od O NP uuAu? 集成运放的工作区域 线性区域： Aod为差模开环放大倍数 非线性区域： 输出电压只有两种可能的情况： +UOM或-UOM UOM为输出电压的饱和电压、其数值接近电源值。 uO uP-uN +UOM -UOM O 33 MHz Analog Electronics 2.2.3 理想集成运放 理想运放的性能指标 1、开环电压增益 Aod= 2、差模输入电阻 Rid= 3、输出电阻 R0=0 4、共模抑制比

9、KCMR= 5、上限截止频率 fH= 6、输入失调电压UOI及其温漂dUOI/dT 、输入失调电流IOI 及其温漂dIOI/dT为零；无内部噪声。 在实际应用中，一般情况下，可用理想运 放代替实际运放 33 MHz Analog Electronics 2.2.4 理想运放两个工作区域的特点 1。工作在线性区 它的输出电压和输入差模电压满足如下 的线性关系: u o=Aod （u P-uN） 通常，集成运放的Aod很大，为了使其工作在线性区，大都引 入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超出线性 范围。集成运放工作在线性区的特征是电路引入了负反馈。 特点: （1） 称两输入端“虚短路

10、”（指运放两输入端的电位无限接近， 但又不是真正的短路）。 （2） 称两输入端“虚断路”（指运放两输入端的电流趋于零， 但 又不是真正的断路）。 NP O od O NP uu u A u uu? ? ? : 0即 0 : 0? ? ? NP id NP I ii R uu i即 33 MHz Analog Electronics 在电路中，若运放处于开环状态，或引入了正 反馈，则运放工作在非线性区，输出电压与输入电 压之间 u oAod（uP-uN） 特点 （1） 输出电压只有两种可能的状态： UOM。 当 u PuN 时 uo=+UOM u PuN 时 uo=UOM （2） 运放的输入电流

11、等于零，即 iP=iN=0 uO u+ ?u ? O +UOM ?UOM 理想特性 图2.2.6 理想运放工作在非线性区的电压传输特性 2。工作在非线性区 33 MHz Analog Electronics 虚地 虚断 0 0 PN PN ? ? uu ii f ONNI R R uu R uu ii ? ? ? ? N F 即：在节点 I f O u R R u? 2.3 理想运放组成的基本运算电路 2.3.1比例运算电路 1.反相比例运算电路 基本电路 特点 电路引入了电压并联负反馈， 输入电阻Ri=R低,输出电阻Ro=0. 存在虚地uP=uN=0. 共模输入信号uIC=0，对于集成 运放

12、的共模抑制比要求不高. (R=R/Rf ，使两输入端对地的 电阻一致,使静态偏置电流IIB 流过它们时产生的压降相等,因 而对输出没有影响.) 33 MHz Analog Electronics T 型反馈网络反相比例运算电路 )( : 432MO 1 I 12 31 2 3 3 I 1 2 M 21 Riiuu R u ii u RR R R u i u R R u R u R u N I M MI ? ? ? ? ? ?的电流方程为节点 ？，则，若比例系数为 ？，则若要求 ? ? 342 1i k100100 k100 RRR RR 1 i I 3 42 1 42 O )1 (u R RR

13、 R RR u? ? ? 33 MHz Analog Electronics 2.同相比例运算电路同相比例运算电路 I f O N f O IPN )1( )1( 0 :”“ 0 :”“ u R R u u R R u R uu R u uuu ii f NON PN ? ? ? ? ? ? ? 的概念虚短根据 的概念虚断根据 特点 电路引入了电压串联 负反馈，输入电阻很大， 输出电阻很小，可以认为 Ri=,Ro=0. 共模输入信号 uIc=uI， 对于集成运放的共模抑制 比要求较高。 R = R / Rf 33 MHz Analog Electronics 运算关系的分析方法： 列出关键节点

14、（如同相输入端、反相输入端）的电 流方程，利用集成运放工作在线性区所具有的“虚短” 和“虚断”的特点，求解输出电压和输入电压的关系式。 电压跟随器 IO uu? 当 Rf = 0 或 R1 = ? ? 时，如下图所示 33 MHz Analog Electronics 2.3.2 加减运算电路 1.反相求和运算电路反相求和运算电路 )( 0 3 I3 2 I2 1 1I ffFO 3 I3 2 I2 1 1I 321F PN R u R u R u RRiu R u R u R u iiii uu RRR ? ? ? 方法一：节点电流法 电压。信号同时作用时的输出结果相加，即得到所有 后将所有

15、作用时的输出电压，然首先求解每个信号单独 方法二：利用叠加原理 I3 3 f I2 2 f I1 1 f O u R R u R R u R R u? 33 MHz Analog Electronics 2.同相求和运算电路 设 R1 R2 R3 R4 R Rf 烦。物理意义清楚，运算麻 单独作用： 1I 4321 432f 1O 1 I )1 ( u RRRR RRR R R u u ? ? ? 4321P 3 I3 2 I2 1 I1 PP P 43213 I3 2 I2 1 I1 4 P 3 PI3 2 PI2 1 PI1 4321 )( ) 1111 ( RRRRR R u R u R

16、 u Ru u RRRRR u R u R u R u R uu R uu R uu iiii ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )( )( )1 ( 3 I3 2 I2 1 1 I f f 3 I3 2 I2 1 1 I P f P f O R u R u R u R R R R R R u R u R u R R RR u R R u N P f ? ? ? ? ? )(:, 3 I3 2 I2 1 1I fO R u R u R u RuRR NP ?则若 方法一:叠加原理 方法二:节点电流法 33 MHz Analog Electronics 3 加减运算电路 (1).差分比例运

17、算电路 在理想条件下，由于 “虚断”，i+ = i? = 0 2 f I f u RR R u ? ? ? OI1 f u RR R u RR R u f f ? ? ? ? ? 由于“虚短”， u + = u? ，所以： I2 f f O f I1 f f u RR R u RR R u RR R ? ? ? ? ? R R uu u A f u ? ? ? I2I1 O f 电压放大倍数 )( I1I2 f O uu R R u? 33 MHz Analog Electronics (2)加减运算电路 利用叠加原理求解 图(a)为反相求和运算电路 )( I2 2 f I1 1 f O1 u

18、 R R u R R u? 33 MHz Analog Electronics )( I4 4 f I3 3 f O2 u R R u R R u? 图(b)为同相求和运算电路 )( 2 I2 1 I1 4 I4 3 I3 fO R u R u R u R u Ru? 若电路只有二个输入，且参数 对称，电路如图 )( I1I2 f O uu R R u? 上式则为 图 差分比例运算电路 电路实现了对输入差模信号的比例运算 若R 1/R2/RfR3/R4/R5 33 MHz Analog Electronics 改进电路图：高输入电阻差分比例运算电路 I1 1 F1 o1 )1 (u R R u

19、?I2 3 F2 o1 3 F2 o )1 (u R R u R R u? 若R1 = RF2，R3 = RF1 )(1 ( I1I2 3 F2 o uu R R u? 33 MHz Analog Electronics 2.3.3 积分运算电路和微分运算电路 1、积分运算电路 RR ? 由于“虚地”，u ? = 0，故 uO = ?uC 由于“虚断”，iI = iC ，故 uI = = iIR = iCR 得： ? ?tu RC ti C uu CC d 1 d 1 IO = RC 积分时间常数 图 2.3.12 33 MHz Analog Electronics 积分电路的输入、输出波形

20、(一)输入电压为阶跃信号 t0 t1 t uI O t uO O UI )(d 1 0 I IO tt RC U tu RC u? ? 当 t t0 时，uI = 0， uO = 0； 当 t0 t1 时， u I = 0，uo 保持 t = t1 时的输出电压值不变。 即输出电压随时间而向负方向直线增长。 33 MHz Analog Electronics (二)输入电压为正弦波 tUu?sin mI ? t RC U ttU RC u ? ? ? cos dsin 1 m mO ? ? ? ?t uO O RC U ? m 可见，输出电压的相位比输入电压的相位领 先 90? 。因此，此时积

21、分电路的作用是移相。 ?t uI O Um ? 2?3 图 7.2.17 33 MHz Analog Electronics 积分运算电路在不同输入情况下的波形 1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形？ 2) 输入为方波时的输出电压波形？ 3) 输入为正弦波时的输出电压波形？ (Rf用于限制低频电压增益) 33 MHz Analog Electronics 图 7.2.18 基本微分电路 由于“虚断”，i ? = 0，故iC = iR 又由于“虚地”， u + = u- = 0 t u RCRiRiu CR d d C O ? 可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。 实现波形变换，如将方波变

22、成双向尖顶波。 2. 微分运算电路 微分电路的作用： 微分电路的作用有移相功能。 33 MHz Analog Electronics 实用微分运算电路 基本微分运算电路在输入信号时，集成运放内部的放大管 会进入饱和或截止状态，以致于即使信号消失，管子还不 能脱离原状态回到放大区，出现阻塞现象。为了克服集成 运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。 实用微分运算电路 微分电路输入、输出波形分析 限制输出 电压幅值 滞后补偿 限制输 入电流 33 MHz Analog Electronics 2.4 电压比较器 电压比较器是集成运放基本应用电路之一，其输入 为模拟量，输出只有两种可能的状态：

23、高电平或低电平， 工作区域在非线性区。 1。电压比较器的用途 将一个模拟输入电压和参考电压进行比较，根据 比较结果输出两个不同的电平：高电平UOH或低电平UOL. 用于报警、自动控制、电子测量、鉴幅、波形的 产生和变换等电路中。 2.4.1电压比较器概述 33 MHz Analog Electronics 2. 电压比较器电路的特点 在电压比较器中，集成运放不是工作在开环 状态，就是工作在正反馈。 输出只有两种状态。 u PuN时,uO=+UOM u PuN时,uO=-UOM 发生跳变的时刻：uP=uN 虚断，iP=iN=0 集成运放的电压传输特性 33 MHz Analog Electron

24、ics 3. 电压比较器的传输特性 1).电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系 )( O I ufu? 2).阈值电压： UT 当比较器的输出电压由一种状态跳变为 另一种状态所对应的输入电压。 3).电压传输特性的三要素 (1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。（一般 由运放输出限幅电路求出） (2)阈值电压的数值UT。（写出uP和uN的表达式并令其相 等，求出的输入电压即为UT） (3)当uI变化且经过UT时， uO跃变的方向。（看输入信 号是作用于反相端还是同相端，另外看uiUT ） 。 33 MHz Analog Electronics 4.电压比较器的种类 (1)单

25、限比较器 电路只有一个阈值电压,在输入电压变 化过程中,当通过UT时,输出电压发生一次跃变.图(a) (2)滞回比较器 电路具有两个阈值电压, 输入电压沿 不同的方向变化时,输出电压只发生一次跃变,但发生跃 变时的阈值电压不同,具有滞回特性.图(b) (3)窗口比较器 电路具有两个阈值电压, 输入电压沿 不同的方向变化时,输出电压发生两次跃变.图(c) 33 MHz Analog Electronics 2.4.2 单限比较器 1、过零比较器将一个输入端接地,另一个 输入端接输 入信号,则可得到过零比较器。 由于理想运放的开环差模 增益为无穷大，所以 当 u I 0 时，uO = - UOM

26、； 过零比较器的传输特性为： uI uO +UOM -UOM O UOM 为集成运放的最大输出电压。 传输特性 33 MHz Analog Electronics 利用稳压管限幅的过零比较器(一) 电路图 传输特性 uI uO +UOpp -UOpp O +UZ -UZ 问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？ 33 MHz Analog Electronics 问题：过零比较器如图所示， 输入为正负对称的正弦波时， 输出波形是怎样的？ vI O T ? 2? 3? 4? ?t t vO VOH O VOL 传输特性 uI uO +UOpp -UOpp O +UZ -UZ 将正弦波变为矩

27、形波 33 MHz Analog Electronics 利用稳压管限幅的过零比较器（二） 设任何一个稳压管被反向 击穿时，两个稳压管两端总的 的稳定电压为 UZ UOM uI uO +UOM -UOM O +UZ -UZ 当 u I 0 时，右边的稳压管 被反向击穿，u O = - UZ ； 图 8.2.6 33 MHz Analog Electronics 2.一般单限比较器 (1)确定输出电压的值 UOH=+UZ UOL=-UZ (2)确定阈值电压 REFTI PN REFIN U R R Uu uu U RR R u RR R u 1 2 21 2 21 1 , 0 : ? ? ? ?

28、 ? ? 求出阈值电压令 根据叠加原理 (3)确定跃变方向 当uIUT时,uNUT时,uNuP,uO=UOL=-UZ 一般:当从反相端输入时, uIUT则uO=UOL 当从同相端输入时, uIUT则uO=UOH 33 MHz Analog Electronics 存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形 单限比较器的 作用：检测输入的模拟信号是否达到 某一给定电平。 优点：灵敏度高 缺点：抗干扰能力差。 解决办法： 采用具有滞回 传输特性的比较器。 33 MHz Analog Electronics 2.4.3 滞回比较器 1 工作原理 (1)确定输出电压的值 UOH=+UZ UOL=-UZ ZTI PN ZP IN U RR R Uu uu U RR R u uu ? ? ? ? ? ? ? ? 21 1 21 1 ,求出阈值电压令 (2)确定阈值电压 33 MHz Analog Electronics (3)确定跃变方向 当uI-UT时,必然有uN+UT时,必然有uNuP,uO=UOL=-UZ，所以uP=-UT当uI 减小到-UT时,再减小一个无穷小量，uO才从-UZ跃变为+UZ。 2 正反馈的作用: 使滞回比较器 工作在非线性区; 加快状态转变 的过程,缩短状态转 换的时间。 uI=UT时,uIuOu PuO,使uO迅速由+UZ跃变为-UZ uI=-UT时,uIuO