[工学]第一讲 集成运算放大器的基本应用ppt课件

1、 放大电路模型放大电路是最根本的模拟信号处置电路。放大电路是最根本的模拟信号处置电路。Rs放大电路放大电路IoIi+Vo+Vs+ViRL信号源信号源负载负载直流电源直流电源微弱的电压流微弱的电压流放大的电压流放大的电压流放大电路是一个双口网络。从端口特性来研讨放大电路，可将放大电路是一个双口网络。从端口特性来研讨放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。其等效成具有某种端口特性的等效电路。Rs放大电路放大电路IoIi+Vo+Vs+ViRL信号源信号源负载负载直流电源直流电源F 输入端口特性可以等效为一个输入电阻输入端口特性可以等效为一个输入电阻F 输出端口可以根据不同情况等效成不同的电

2、路方式：输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路方式：F 受控电压源或受控电流源受控电压源或受控电流源电压增益电压放大倍数电压增益电压放大倍数iovvv A电流增益电流增益ioiiAi 跨阻增益跨阻增益)(io iArv跨导增益跨导增益)S(ioviAg 放大电路的符号及模拟信号放大放大电路的符号及模拟信号放大负载开路时的负载开路时的 电压增益电压增益A. 电压放大模型电压放大模型ovAiR输入电阻输入电阻oR输出电阻输出电阻由输出回路得由输出回路得LoLiooRRRA vvv那么电压增益为那么电压增益为iovvv ALoLoRRRA v由此可见由此可见 LR vA即负载的大小会影响增益的大小

3、即负载的大小会影响增益的大小要想减小负载的影响，那么希望要想减小负载的影响，那么希望？ 思索改动放大电路的参数思索改动放大电路的参数LoRR 理想情况理想情况0o R放大电路模型放大电路模型 另一方面，思索到输入回路对信号源的衰减另一方面，思索到输入回路对信号源的衰减siRR 理想情况理想情况有有sisiivvRRR 要想减小衰减，那么希望要想减小衰减，那么希望？ iR负载短路时的负载短路时的 电流增益电流增益B. 电流放大模型电流放大模型s iA由输出回路得由输出回路得LooisoRRRiAii 那么电流增益为那么电流增益为ioiiAi LoosRRRAi 由此可见由此可见 LR iA要想减

4、小负载的影响，那么希望要想减小负载的影响，那么希望？LoRR 理想情况理想情况 oR由输入回路得由输入回路得isssiRRRii 要想减小对信号源的衰减，那么希望要想减小对信号源的衰减，那么希望？siRR 理想情况理想情况0i RC. 互阻放大模型：输入电流，输出电压互阻放大模型：输入电流，输出电压输入输出回路没有公共端输入输出回路没有公共端D. 互导放大模型：输入电压，输出电流互导放大模型：输入电压，输出电流E. 隔离放大电路模型隔离放大电路模型 四种电路模型可以相互转换，实践放大电路根据信号源四种电路模型可以相互转换，实践放大电路根据信号源的性质和负载的要求来确定模型。的性质和负载的要求来

5、确定模型。放大电路的主要技术目的放大电路的主要技术目的放大倍数放大倍数输入电阻输入电阻Ri 输出电阻输出电阻Ro通频带通频带BW放大倍数放大倍数 在放大电路中，输出信号的电压和电流幅度得到放大，所以输出功率也会有所放大。 放大倍数可分为：电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。放大倍数定义电压放大倍数电压放大倍数iouUUA电流放大倍数电流放大倍数ioiIIA源电压放大倍数源电压放大倍数sousUUA源电流放大倍数源电流放大倍数soisIIA功率放大倍数功率放大倍数iopPPA 其中其中iAA 、v常用分贝常用分贝dBdB表示。表示。(dB)lg20vA 电电压压

6、增增益益(dB)lg20iA 电流增益电流增益(dB)lg10PA 功功率率增增益益输入电阻输入电阻 Ri RiiiiIUR 输入电阻：阐明放大电路从信号源汲取电流大小的参数，Ri越大，那么放大电路从信号源汲取的电流越小。输出电阻输出电阻RoRo 输出电阻：阐明放大电路带负载的才干，Ro越大那么阐明放大电路带负载的才干越差。0,.oSL=URIUR也经过放大电路的负载特性曲线求也经过放大电路的负载特性曲线求Ro实验法实验法Ro =Uo / Io=( UoUo)/ Io =( UoUo) RL / Uo =( Uo/ Uo) 1 RLooLIURUo、为，测得时，带开路时的输出为 留意：放大倍数

7、、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只需在放大电路处于放大形状且输出不失真的条件下才有意义。通频带通频带BWBW00HL7.02)()(AAfAfAfL称为下限截止频率，称为下限截止频率，fH称为上限截止频率。称为上限截止频率。 放大电路的增益A(f) 是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的 1/ 时，即：2LHffBW第一讲第一讲 集成运算放大器的根本运用集成运算放大器的根本运用目录1.1 集成运算放大器集成运算放大器 1.1.1 集成运放的根本特性集成运放的根本特性1.1.2 理想运放理想运放1.2 集成运放运算电路集成运放运

8、算电路 1.2.1 比例运算电路比例运算电路1.2.2 加减运算电路加减运算电路1.2.3 微分与积分电路微分与积分电路1.3 有源滤波器有源滤波器 1.3.1 滤波器的根本概念滤波器的根本概念 1.3.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 1.3.3 二阶有源滤波电路二阶有源滤波电路1.4 波形整形电路波形整形电路 1.4.1 电压比较器电压比较器1.4.2 555集成定时器集成定时器1.4.3 施密特触发器电路施密特触发器电路1.4.4 单稳态触发器电路单稳态触发器电路1.5 非正弦振荡电路非正弦振荡电路 1.5.1 矩形波振荡电路矩形波振荡电路1.5.2 三角波振荡电路三角波振荡电路1.

9、1 1.1 集成运算放大器集成运算放大器 1.1.1 集成运放的根本特性1.1.2 理想运放1.集成电路分类数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路运算放大器运算放大器宽频带放大器宽频带放大器功率放大器功率放大器模拟乘法器模拟乘法器模拟锁相环模拟锁相环集成稳压器集成稳压器.1.1.1 1.1.1 集成电路的根本特性集成电路的根本特性2. 运算放大器的根本构造 集成运算放大器运放 高增益直接耦合放大电路运用高性能的差分放大电路，它必需对共模信号有很强的抑制力提供高的电压增益，保证运放的运算精度由PNP和NPN三极管组成，获得正负极性的输出提供稳定的几乎不随温度变化的偏置电流，以稳定任务点

10、 3. 运算放大器的符号NoImage同相输入端反相输入端输出端4. 差模信号和共模信号差模信号差模信号共模信号共模信号大小相等，极性相反大小相等，极性相反2/iduuuicuuu大小相等，极性一样大小相等，极性一样恣意信号分解为共模信号和差模信号恣意信号分解为共模信号和差模信号idicuuu21idicuuu21uuuiduuuic215.运放主要目的运放主要目的LRidoduuA0(1)(1)开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 指输入差模分量时输出电压与输入差模电压之比，指输入差模分量时输出电压与输入差模电压之比，表示运放对表示运放对“差模分量的放大才干差模分量的放大才干LRidod

11、uudBA0lg20)(icocuuA0(2)(2)开环共模电压放大倍数开环共模电压放大倍数 指输入共模分量时输出电压与输入共模信号电压之指输入共模分量时输出电压与输入共模信号电压之比，表示运放对共模信号的放大才干比，表示运放对共模信号的放大才干ocodCMRAAKocodCMRAAdBKlg20)(3) (3) 共模抑制比共模抑制比 开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比，综合评价运放的放大才干倍数之比，综合评价运放的放大才干odAidr0orCMRK共模抑制比共模抑制比.1.1. 理想运放理想运放1.1.理想运放的技术目的理想运放的技术目的 理

12、想运放就是将集成运放的各项技术目理想运放就是将集成运放的各项技术目的理想化，理想运放的主要技术目的为：的理想化，理想运放的主要技术目的为：实践上Aod80dB实践上rid比输入端外电路的 电阻大23个量级开环差模增益开环差模增益差模输入电阻差模输入电阻输出电阻输出电阻实践上ro比输出端外电路的电阻小12个量级在做普通原理性分析时，运算放大器都可以视为理想的在做普通原理性分析时，运算放大器都可以视为理想的. .理想运放在线性区任务时的特点理想运放在线性区任务时的特点)(uuAuodo “虚短是指在分析运算放大器处于线性形状时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚伪短路，简称虚短。(1)虚短od

13、A两输入端近似等电位，相当于 “短路虚短 uu (2)虚断动画8-2 “虚断是指在分析理想运放处于线性形状时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚伪开路，简称虚断。idr运放的两输入端视为断路虚断0ii. .理想运放在非线性区任务时的特点理想运放在非线性区任务时的特点其中其中UoppUopp的值由运放所加电的值由运放所加电源电压及运放内部输出管的源电压及运放内部输出管的饱和压降来确定，有时也直饱和压降来确定，有时也直接运用接运用Uopp=VccUopp=Vcc。在非线性区域内，在非线性区域内，“虚短景象已不存在虚短景象已不存在OPPoUuuu时，OPPoUuuu时，4 负反响的根本概念负

14、反响的根本概念 开环开环 闭环闭环 反响：将放大电路输出量，反响：将放大电路输出量，经过某种方式送回到输入回路经过某种方式送回到输入回路的过程。的过程。 瞬时电位变化极性瞬时电位变化极性某时辰电位的斜率某时辰电位的斜率对于运算放大器有对于运算放大器有 vo Avo (vpvn)引入反响后引入反响后 vn 0，vp(vi)不变不变 (vp (vpvn)vn) vo vo 使输出减小了，增益使输出减小了，增益Avvo/vi下降了，这时的反响称为负反响。下降了，这时的反响称为负反响。附录：集成运算放大器的型号命名附录：集成运算放大器的型号命名 数字序号数字序号 (与世界上其它厂家同类型产与世界上其它

15、厂家同类型产品的序号一样。品的序号一样。) 其它例如其它例如:集胜利率放大器的型号集胜利率放大器的型号命名命名CD 集成稳压器的型号命名集成稳压器的型号命名CW集成运算放大器外形图集成运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图1.2 集成运放运算电路1.2.1 比例运算电路1.2.2 加法与减法电路1.2.3 积分与微分电路1.2.4 对数与指数电路1.2.5 根本运用电路1.2.1 比例运算电路比例运算电路1.反相比例运算电反相比例运算电路路IFoFoIuRRuuuRuuRuu110“虚短与虚短与“虚断虚断IoFuuRR时当1倒相器倒相器2.同相比例运算电路同相比例运算电路11111:

16、)1 (0RRuuuRRuuuuuRRRuiiFIoIFoIoF或“虚短与虚短与“虚断虚断IoFuuRR10:或当电压跟随器电压跟随器1.加法电路加法电路(1)反相加法器反相加法器方法一：方法一：“虚短虚短+ “+ “虚断虚断平衡电阻：平衡电阻：f21RRRR 1.2.2 加法和减法电路33221133221132100uRRuRRuRRuRuRuRuRuuuiiiiiFFFoFoF方法二：叠加定理方法二：叠加定理332211uRRuRRuRRuFFFo)(321321uuuRRuRRRRFo当uRRuFo11由同相比例运算电路得：由同相比例运算电路得：由由“虚断得：虚断得：332211RuR

17、uuRuuRuu332211uRRuRRuRRuPPP321RRRRRP其中33221111uRRuRRuRRRRuPPPFo2同相加法电路同相加法电路二减法器二减法器1、利用加法器、利用加法器ui2-ui1 = ui2+(-ui1)(i22fi11fuRRuRRuo倒相器倒相器-1i11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo叠加定理叠加定理二减法器二减法器2、差动减法器、差动减法器 ui1作用i11f1uRRuo ui2作用i221f2)1 (uRRRRRuo 综合：i221fi11f)1 (uRRRRRuRRuo)()(i1i21fi2i11fuuRRuuRRuo21f

18、RRRR若1. 积分运算电路积分运算电路积分运算电路1.2.3 积分和微分电路积分和微分电路，于是根据虚地有Ruii tuRCtiCuud1d1iCCO当输入信号是阶跃直流电压UI时，即tRCUtuRCuuIiCOd1动画12-1例例: :画出在给定输入波形作画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。用下积分器的输出波形。(a) 阶跃输入信号(b)方波输入信号tuRCud1iO2. 2. 微分运算电路微分运算电路tuRCtuRCRiRiuddddICCRO1. 1. 对数运算电路对数运算电路1.2.4 1.2.4 对数和指数电路对数和指数电路DOuuDRii TDUuSDeIi SITSDTO

19、lnlnRIuUIiUu2. 2. 指数运算电路指数运算电路TI1S/SDROlneTIUuRIRIRiRiuUu指数运算电路相当反对数运算电路指数运算电路相当反对数运算电路一、数据放大器二、电压和电流转换电路1.2.5 根本运用电路 一、数据放大器一、数据放大器 仪表放大器、丈量放大器仪表放大器、丈量放大器特点：高共模抑制比特点：高共模抑制比 高输入阻抗高输入阻抗 高放大倍数高放大倍数)(21 ()( S1S21234o1o234ouuRRRRuuRRuS2122oS112o1)2/1 ()2/1 (uRRuuRRu如AD624等， R1有引线连出，同时有一组R1接成分压器方式，可选择连线，

20、接成多种R1阻值解：R1的中点为交流零电位，那么：R1作用：调理增益作用：调理增益产产品：品：二、电压和电流转换电路二、电压和电流转换电路1 1、电流、电流- -电压变换器电压变换器2 2、电压、电压- -电流变换器电流变换器电压电压- -电流和电流电流和电流- -电压变换器广泛运用于电压变换器广泛运用于放大电路和传感器的衔接处，是很有用的放大电路和传感器的衔接处，是很有用的电子电路。电子电路。1 、电流、电流-电压变换器电压变换器 I/U fSO=Riu输出端的负载电流输出端的负载电流SLfLfSLOO=iRRRRiRui此时该电路也可视为电流放大电路。若LR固定，则输出电流与输入电流成比例

21、，2 2、 电压电压- -电流变换器电流变换器 U / U / I I SO1uRi (a)负载不接地(b)负载接地)(L12L433S12ORRRRRRRuRRi讨论：1. 当分母为零时， iO ，电路自激。2. 当R2 /R1 =R3 /R4时, 那么S4O1uRi1.3 有源滤波器有源滤波器1.3.1 滤波器的根本概念滤波器的根本概念1.3.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1.3.3 二阶有源滤波电路二阶有源滤波电路* 1.3.4 形状变量滤波器形状变量滤波器 有源滤波器是具有特定频率呼应的放大器有源滤波器是具有特定频率呼应的放大器 通常有源滤波器分为：通常有源滤波器分为： 低通滤波

22、器低通滤波器LPF 高通滤波器高通滤波器HPF 带通滤波器带通滤波器BPF 带阻滤波器带阻滤波器BEF 1. 滤波器的分类1.3.1 滤波器的根本概念滤波器的根本概念2. 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分3. 滤波器的传送函数滤波器的传送函数11( )1( )11( )1oiUssCRCA sU ssRCRssCRC11( )1 ()ooooA ssRCs一阶低通网络一阶低通网络11( )1 ()oooRCsA sss1( )( )11( )oiUssRA sU sRssCRC一阶高通网络一阶高通网络二阶低通网络二阶低通网络2oo222o11( )( )111( )1,QR

23、CLC( )QoiooRUssCLCA sU ssLRsssCRCLCA sss令1111( )mmmmonnnoa sasaA ssbsbmn高阶网络特性高阶网络特性n阶阶 普通而言，实践高阶滤波电路可由假设干一阶，二阶滤波电路级联而成。4. 低通滤波器的主要技术目的1通带增益Auf 通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数根本为零。 2通带截止频率fo与放大电路的截止频率一样。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，阐明滤波器的选择性越好。1.3.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路特点：电路简单 但阻带衰减太慢，选择性较

24、差NoImage理想情况实践情况当当 f = 0时，通带内的增益为时，通带内的增益为11FufRAR Oi01 ()ufAUsA ssUsRC10一阶低通滤波器的传送函数一阶低通滤波器的传送函数其中其中1( )1 ()oooA sss一阶低通有源滤波器的传送函数一阶低通有源滤波器的传送函数1. 二阶低通有源滤波电路二阶低通有源滤波电路简单的二阶有源低通滤波电路1.3.3 二阶有源滤波电路二阶有源滤波电路2 2传送函数传送函数o( )( )N2( )( )1( )( )1ufUsA UsUsUssC R 12NI1211()( )11()RsCsCUsU sRRsCsC设C1=C2=C O2I1

25、 3ufuAUsAsUssCRsCR1 1通带增益通带增益f1ufRAR 电容器C1由接地改接到输出端C1的改接不影响通带增益 二阶压控型低通滤波器二阶压控型低通滤波器1二阶压控二阶压控LPF 2 2传送函数传送函数o1( )( )1( )( )1ufUsA UsUsUssCR该滤波器的通带增益应小于该滤波器的通带增益应小于3 3，才干保证电路，才干保证电路稳定任务。稳定任务。i11+1o( )( )( )( )( )( )U sU sU sUsU sUs sCRR o2i1 (3)ufuufAUsAsUsAsCRsCR得得LPFLPF的传送函数的传送函数(3频率呼应频率呼应2001 ()j(

26、3)ufuufAAffAff()j(3)oufu ffufAAA当当 时时0ff 定义有源滤波器的等效质量因数定义有源滤波器的等效质量因数Q值值13ufQA20011 ()jQufuAAffff o2i1 (3)ufuufAUsAsUsAsCRsCR0()13uufffufQAQAAufA 当 3时，Q =，有源滤波器自激。由于将 接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反响，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至能够引起自激。1C当 时，Q1，在 处的电压增益将大于 ，幅频特性将抬高23ufAufA0ff 二阶压控型有源高通滤波器的电路图及特性2. 二阶高通有源滤波器(HPF) (1)通带增

27、益F1=1+ufRAR(2)传送函数2o2i()U ( )( )=U ( )1 (3)()ufufsCRAsA ssAsCRsCR (3)频率呼应 令 那么可得出频响表达式011,23uffQRCA，20011 ()j()ufuAAfffQf3. 二阶带通有源滤波器(BPF)带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率21()oooooAfABWQQjQ1133ufooufufAQARCAA其中4. 二阶带阻有源滤波器(BEF)22111ufooojAAjjQ111142FufoufRARRCQA 其中1.4.1 电压比较器电压比较器1

28、.4.2 555集成定时器集成定时器1.4.3 施密特触发器电路施密特触发器电路1.4.4 单稳态触发器电路单稳态触发器电路1.4.1 电压比较器 参考电压参考电压UT ：使输出电压发生跳变时使输出电压发生跳变时的输入电压的输入电压(Threshold)阈值电压阈值电压门限电压门限电压 1. 概述概述 将一个模拟电压信号与一个参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：功能：特性：特性： 非线性开关特性高低电平1电路2传输特性曲线 2. 根本比较器电路o()uduAuu理想实践(1)iREFoZuUuuuU 理想实践(2)iREFoZuUuuuU 12120IREFIREFuURRRuUR 12

29、12IREFoZIREFoZRuUuURRuUuUR 理想实践单门限比较器的抗干扰才干差单门限比较器的抗干扰才干差应为高电平应为高电平错误电平错误电平3. 集成电压比较器LM311LM311电路接法4.窗口比较器窗口比较器 1、电路、电路设R1 =R2，那么两门限：CCD2L12(2)=1(2)2CCDVURURRVU 2、传输特性、传输特性HLD=2UUU1.4.2 施密特触发器电路施密特触发器电路OZuU 设 1T+T-122TZRUUUURR回差电压1T12ZRUURR1T-12ZRUURR 上限阈值下限阈值122112122112|0|15()64210IREFooZIToZITREF

30、ZIREFZTTTTTZRRRRRRuUuRRRRR RRRRuUuUuUuURRRUVUVuUUUVUVUUUUV 设解：解：1门限电压门限电压例例电路如下图，试求门限电压，画出传输特性和图电路如下图，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。所示输入信号下的输出电压波形。V521OH2TRRVRVV521OL2TRRVRV0V 1O V稳压管双稳压管双向限幅向限幅3输出电压波形输出电压波形2传输特性传输特性抗干扰才干加强抗干扰才干加强比较器的运用比较器的运用主要用于：对输入波形进展整形总结：总结：1用于电压比较器的运放，通常任务在开环或正反响形状和用于电压比较器的运放，通常任务在开环或正反响形状和非线性区，其输出电压只需高电平非线性区，其输出电压只需高电平VOH和低电平和低电平VOL两种情况。两种情况。2普通用电压传输特性来描画输出电压与输入电压的函数普通用电压传输特性来描画输出电压与输入电压的函数关系。关系。3电压传输特性的关键要素电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向令令vP