序运算放大器 演示文稿

序运算放大器演示文稿1第一页，共八十九页，编辑于2023年，星期三序一、试题(共15题)1、定数加2、定数减3、循环加4、循环减2第二页，共八十九页，编辑于2023年，星期三5、输入DCBA小于等于6移位寄存器6、输入DCBA小于等于8移位寄存器7、电平扦测同相3V---3.7V8、电平扦测反相2V---3.8V9、定时计数文氏桥做振荡器10、定时计数555做振荡器3第三页，共八十九页，编辑于2023年，星期三11、电平平移12、四人抢答电路13、四声电路14、A/D转换（数/模）15、D/A转换（模/数）4第四页，共八十九页，编辑于2023年，星期三二、集成电路(共16块芯片)3585554011401240134016401754027401924019340194406945470809083216C54C5第五页，共八十九页，编辑于2023年，星期三三、数字电子技术与模拟电子技术数字电子技术:被处理的信号不是连续变化的,仅为信号高低之分:或有无之分灯亮--灯灭;开关闭合--开关断开等。电路特点1被处理的信号是二进制数字信号2数字电路中的晶体管工作于开关状态,只有饱和与截止二种状态3数字电路中的输入与输出有着一定的逻辑运算关系6第六页，共八十九页，编辑于2023年，星期三模拟电子技术:被处理的信号在时间上是连续变化的。压力信号子温度信号以运算放大器为基本单元电路7第七页，共八十九页，编辑于2023年，星期三四、电平的概念:一种表示电量(电压;电流;或功率等)相对大小的参数通常指定某一电量值作为基准值,以其它参数值和基准值相比的对数值耒表示电平值。常用单位分贝,自然对数奈培。在学习过程中常会听到高低电平之说,通俗一点讲以直流电源0V作为基准值:量得出电压称高电平,用“1”表示(接近VDD)量不出电压称低电平,用“0”表示(接近VSS)8第八页，共八十九页，编辑于2023年，星期三9第九页，共八十九页，编辑于2023年，星期三

运算放大器及其应用运算放大器的结构及其主要技术指标

集成电路是20世纪60年代发展起来的一种新型的电子器件，它是把三极管、电阻、电容等许多元件集成在一块半导体；硅片上制作出来的。用集成电路来代替分立元件电路不仅使得电路的尺寸大大缩小了，使电子设备做到微型化，而且极大地提高了电子设备的各项技术经济指标及可靠性，因此，在计算机技术、自动控制、无线电技术及信息技术等各个领域中得到了广泛的应用。集成电路种类繁多，在模拟电子技术中用得最多的集成电路是集成运算放大器。

10第十页，共八十九页，编辑于2023年，星期三集成运算放大器实际上是一种直接合的多级放大器，具有极高的电压放大倍数。其输入级都是用差动放大器组成的，中间级电路一般具有很大的放大倍数，输出级一般用射极跟随器。为了改善电路的性能，目前的集成运算放大器内部电路已做得越来越复杂，对于我们来说去花大量的时间把它搞清楚是不必要的，作为集成运放的使用者，对集成运放的内部结构及技术指标有了一个大致的了解之后，重点应该是掌握它的使用方法。11第十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期三12第十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期三输入级:输入阻抗高能减小零点漂移抑制干扰信号常采用差动放大它有同相与反相二个输入端中间级:电压放大倍数高由共发射极与路组成13第十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期三输出级:输出电阻小荷载能力强能输出足大的电压和电流偏置电路:为上述各级提供合适的偏置电流决定各级的静态工作点,一般有各种恒流源构成14第十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期三15第十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期三二、运算放大器的主要技术指标

1.开环差模放大倍数A0d指运放在没有反馈时的差模屯压放大倍数。习惯上运放的A0d

值是用分贝数(dB)来表示的，表1为人分贝数与倍数的对照表，换算公式如下。

分贝数(dB)=20lg倍数16第十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期三表1倍数0.1110100100010000分贝数-2002040608017第十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期三运放的开环差模放大倍数都很高，典型的运放FOO7开环差模放大倍数约在100dB以上，好的运放A0d可达140dB。80dB放大倍数为10000倍2.共模抑制比CMRR习惯上也用分贝数表示，F007一般在80dB以上。18第十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期三3.输入失调电压Uio由于运放的放大倍数A0d极大，开环工作时即使输入为0，输出端的零漂还是十分严重的，输出级通常就工作在饱和区或截止区，输出电压接近为电源电压。此时为了使输出电压为0，需要在输入端加入一个微小的电压。调整这一电压的大小可以使输出电压为0，这一电压就称为“输入失调电压”，以符号Uio表示，显然Ui0越小就说明运放的零漂越小。F007的Ui0大约为2∽10mV左右，低零漂的运放Ui0可达1mV以下。19第十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期三4.输入偏置电流IB与输入失调电流Ii0运放的输入端是差动放大器的基极，静态时两个输人端有一定的偏置电流，这两个偏置电流的平均值就是运放的输入偏置电流IB，两个偏置电流之差就是运放的输入失调电流Ii0。输入失调电流太大会增大运放的零漂，FO07的输入偏置电流IB约为0.2μA，输入失调电流与约为0.05∽0.1μA。20第二十页，共八十九页，编辑于2023年，星期三5.失调电压的温度漂移△Ui0/△T与失调电流的温度漂移△Ii0/△T失调电压Ui0与失调电流Ii0是随着温度T的升高而增大的，温度每升高1℃，失调电压或失调电流的增大值就是失调电压或失调电流的温漂。FOO7的失调电压温漂△Ui0/△T约为20∽30μV/℃。温漂值当然是越小越好。21第二十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期三6.输入电阻ri由于运放输入信号极其微小，所以输入级一般都可用微电流源作为偏置以提高输入电阻。输入电阻一般都很大，F07的输入电阻约为2MΩ。22第二十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期三7.最大差模输入电压Uidmax指两个输入端之间所能承受的最大电压，超过这一电压将可能使运放的输入端击穿，FO07约为30V。23第二十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期三8.最大共模输入电压Uicmax指运放所能承受的最大共模电压，超过这一电压将使运放的共模抑制比显著下降，FOO7约为±13V。24第二十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期三理想运算放大器的理想化条件1、开环放大倍数A0d∞2、输入电阻ri∞3、输出电阻ro≈04，共模抑制比CMRR∞25第二十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期三运算放大器的两种应用方式运算放大器的应用方式有线性应用与非线性应用两种。线性应用是指运算放文器工作在其特性的线性区，运放内部的三极管都工作在放大区，运放的输入输出关系成线性关系。这种应用方式的基本电路有反相比例、同相比例、加法、差动、积分、26第二十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期三微分等各种运算电路。运放的非线性应用是指运算放大器工作在其特性的非线性区，运放内部的三极管都工作在饱和区或截止区，运放的输入输出关系为非线性关系。27第二十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期三这种应用方式的基本电路是比较器，用比较器可以组成电平比较、波形变换以及波形发生等各种应用电路。由于运放具有极大的放大倍数，为了使它能工作在线性区，电路必须具有很深的负反馈才能正常工作，因此电路是否具有负反馈可以作为判别运放是线性应用还是非线性应用的依据。28第二十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期三运算放大器的线性应用在分析线性应用的运放电路时，按照深度负反馈电路的分析方法，可以遵循两个原则：一是运放的两个输入端的电位相等。这是因为运放本身的放大倍数极大，有限的输出量除以放大倍数得到的净输入量是极其微小的，因此可以认为运放两个输入端之间的净输入电压为0，或者说可以认为运放的两个输入端的电位是相等的。

29第二十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期三反相比例放大电路，如果以U-表示反相端的电位、以U+表示同相端的电位，可以得出：U-=U+

反相比例放大电路这种情况称为“虚短”，意思是两个输入端犹如短路一样，其电位是相等的。当然这不是真正的短路，所以称为“虚短”。30第三十页，共八十九页，编辑于2023年，星期三31第三十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期三二是运放两个输入端的输入电流为0。这是因为运放的输入电阻很大，在极小的静输入电压作用下，可以认为运放两个输人端的输入电流为0。以图所示的反相比例放大电路为例，可以认为：Ii=0按照这两个原则去分析以下所有的运放线性应用电路，就很容易得出其输入输出的运算关系了。32第三十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期三一、反向比例放大电路输入信号Ui经过电阻R1输入到运放的反相输入端，输出信号通过反馈电阻Rf反馈到反相输入端，运放的同相端通过电阻R2接地。这一电路的反馈组态按第一单元的方法判别可以确定是电压并联负反馈,按照运算放大器工作在线性区时的两个特点，运放的同相输入端接地，电阻R2上又没有电流，因此同相输入端的电位U+为0，按照“虚短”的原则，反相输入端的电位U-也应为0。由于0电位就是地电位。因此对于这一特殊情况。33第三十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期三反向比例放大电路34第三十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期三可以把反相端的电位称之为“虚地”。同时，由于输入端的电流为0，可以得出以下结论：I1=If由此可得电路的闭环电压放大倍数：35第三十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期三由上式可见电路的放大倍数与运放本身的参数无关，仅仅取决于外接的反馈电路的元件参数。由于电路是深度电压负反馈，其输出电阻近似为零，从公式中也可以看出，无论电路是否带上负载，其电压放大倍数不变。36第三十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期三同相比例放大电路37第三十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期三三、加法运算电路38第三十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期三四、差动放大电路39第三十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期三五、PID运算电路P(英比例P当头)I(英积分I当头)D(英微分D当头)40第四十页，共八十九页，编辑于2023年，星期三积分电路电路的输出电压与输入电压对时间积分成正比41第四十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期三2)微分电路

仅在ui电压变化时才有输出，变化越快、则输出越大，电压极性取决于变化的方向。42第四十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期三3)PI调节器在直流调速系统中的应用43第四十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期三2.积分器的应用举例在自动控制系统中，积分器往往有两个输入端，两个输入端的电阻一般是相等的，其中一个接输入电压ui，另一个接反馈电压uf，如图所示。在负反馈情况下，这两个电压的极性总是相反的，因此电流Ii与If

的实际方向也总是相反的。当系统稳定时，反馈电压uf

与输入电压uf的绝对值相等，两个输入端的电流Ii与If也相等，积分电容上没有电流流过，44第四十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期三积分器的输出电压就会维持在一个固定的数值上，系统就工作在某一稳定状态下。当改变输入电压uf或系统由于外界的扰动(例如负载的变化)使得系统的输出产生变动时，对应的反馈电压uf也会随之变化。这两个电压的绝对值不相等，Ii与If也不等，电容上就有电流流过，积分器的输出电压就会变动，使得积分器后级的控制电路(图中没有画出)也随之产生相应的变动，以调整系统的输出。45第四十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期三例如在输出减小时，将使<，积分电容上有电流流过，积分器的输出会增大，使得系统的输出也随之增大，反馈电压也会相应增大，直至

与

再次达到平衡，电容上就没有电流流过，积分器的输出就维持不变，电路就将工作在一个新的稳定状态下；在输出增大时，将使

>，46第四十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期三情况正好相反，积分电容上的电流方向变反了，积分器的输出减小，使得系统的输出也随之减小，反馈电压

也会相应减小，直至

与再次达到平衡，系统稳定为止。自动系统的工作原理，将在自动控制系统中作详细介绍。47第四十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期三运算放大器的非线性应用

一、电平比较器运放非线性应用的典型例子——电平比较器，其电路如图

所示。运算放大区是开环使用的，运放的同相输入端接输入信号，反相输入端接参考电平。由于运放有极大的电压放大倍数，因此输入电压只要略大于参考电压，那么输出端似乎就应该得到一个极大的正电压，但是由于受到运放电源电压的限幅，因此输出电压就接近于正电源电压；48第四十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期三反之，如果输入电压略小于参考电压，那么输出电压就接近于负电源电压。我们可以看到，在开环状态下，运放的输出不是正电源电压就是负电源电压，是不可能得到其他数值的，因此从输出端的电压值就可以很容易地判别输入端究竟是ui>UR，还是ui<UR，这就是电平比较器的工作原理。电平比较器的输入、输出关系称为电路的传输特性，如图所示。49第四十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期三电平比较器50第五十页，共八十九页，编辑于2023年，星期三传输特性51第五十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期三显然，如果把输入信号与参考电平两者交换一下位置，比较器也是可以工作的，只是它的传输特性颠倒了，在ui>UR时输出为-UDD，而ui<UR时输出为+UDD

，如图所示。如果比较器的参考电平为0，这个比较器又可以称为“过零比较器”，电路就只判别输入信号是大于零还是小于零。52第五十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期三53第五十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期三54第五十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期三由于运算放大器作为比较器使用时运放的两个输入端之间存在有较大的电压，为了避免损坏运放，可以在两个输入端之间接上两个反并联的二极管以限制输入电压，输出电压的大小也可以用双向稳压管来达到限幅的目的。图所示为带有输入、输出限幅电路的过零比较器。55第五十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期三56第五十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期三电平比较器可以用作波形变换，即把输入连续变化的波形变换成矩形波；也可以用来检测某一电压是否超过了规定的数值；与传感器配合则可以用来检测某一物理量(例如温度、压力、位移等)是否超过了整定值。例:

如图所示的电路中如果取参考电压为4V，输入电压为10V峰值的正弦波，请画出输出波形。57第五十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期三58第五十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期三

滞回特性比较器电平比较器的传输特性在输入电压增大与减小时，对应翻转点的输入电压是相同的，都是比较电平。这样的电路如果用于如前图中所示的波形变换电路，会产生一个缺点，就是如果输入电压在参考电平附近有微小的波动(例如干扰引起的波动)，则输出电压就会不断翻转，电路的抗干扰性能较差。为了解决这一问题，可以采用滞回特性比较器。

59第五十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期三60第六十页，共八十九页，编辑于2023年，星期三上图电路就是滞回特性比较器，它是电平比较器加上正反馈得到的，其传输特性如图所示。可以看到它与电平比较器的传输特性有着明显的区别，当输入电压增大与减小时，翻转点的电平是不一样的。具体情况分析如下：设双向稳压管的稳定电压为，当输入电压为较大的负值时，输出电压应为，对应此时运放同相端的电压（即翻转电压）应为：61第六十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期三62第六十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期三滞回特性比较器如下图所示，输入电压如上图所示。设UZ=±6V，R1=10KΩ，R2=5KΩ，UR=0V，试画出传输特性及输出波形。如果UR=12V，则传输特性有何变化？解：UR当=0V时，就是上图的电路，可得：U”=－2V63第六十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期三64第六十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期三65第六十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期三66第六十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期三应用实例:用运算放大器设计一个滞回特性电平检测电路,

当ui＞3.7V输出u0接近-UDD当ui＜2V输出u0接近+UDD并用此输出电平经负向限幅后控制555电路停振.67第六十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期三反相输入要求:R1=？;R2=？:UR=？68第六十八页，共八十九页，编辑于2023年，星期三69第六十九页，共八十九页，编辑于2023年，星期三70第七十页，共八十九页，编辑于2023年，星期三71第七十一页，共八十九页，编辑于2023年，星期三72第七十二页，共八十九页，编辑于2023年，星期三用运算放大器设计一个滞回特性电平检测电路,

当ui＞3.8V输出u0接近+UDD当ui＜3V输出u0接近-UDD并用此输出电平经负向限幅后控制555电路停振.

73第七十三页，共八十九页，编辑于2023年，星期三74第七十四页，共八十九页，编辑于2023年，星期三75第七十五页，共八十九页，编辑于2023年，星期三76第七十六页，共八十九页，编辑于2023年，星期三三、非正弦波发生器

1.矩形波发生器图所示是矩形波发生器的电路图a)与波形图b)。由图可见，电路是由滞回特性比较器与RC充放电电路组成的。当比较器输出电压为正值时，输出电压通过电阻R对电容C充电，电容电压随指数规律上升，待电容电压上升到翻转电压时，输出翻转为负值，电容放电77第七十七页，共八十九页，编辑于2023年，星期三(放电完毕后又随之反向充电)，电容电压随指数规律下降，待电压下降到翻转电压时，输出电压又翻转为正值……如此周而复始，反复振荡，电容电压uc与输出电压的波形如图b)所示。由于电路充电与放电的时间常数相同，翻转点的电压与的绝对值也相同，因此充放电的时间是相同的，电路输出的波形是正、负半周对称的矩形波，矩形波的幅度为双向稳压管的稳定电压±Uz，电容充放电波形的幅度为比较器的翻转电压U’与U”。

78第七十八页，共八十九页，编辑于20