第6章集成运算放大器(用8学时)

1、第六章集成运算放大器,第六章集成运算放大器,6.1集成运算放大器的简单介绍,6.3运算放大器在信号运算方面的应用,6.5运算放大器在波形产生方面的应用(自学),6.6使用运算放大器应注意的几个问题,6.4运算放大器在信号处理方面的应用,6.2放大电路中的负反馈,了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。理解运算放大器的电压传输特性，并掌握其基本分析方法。熟悉反馈基本概念反馈方框图，掌握反馈基本类型判别。掌握负反馈对放大器性能的影响理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分等运算电路的工作原理，理解电压比较器的工作原理和应用。,对你的期望,第六章集成运算放大器,集成电路:它是用一定的生产工艺把晶体

2、管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件,优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合,集成电路中元器件的特点,1.单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致,元器件相互离得很近,温度特性较一致,3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造,4.电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容不易制造,第六章集成运算放大器,6.1集成运算放大器的简单介绍,6.3运算放大器在信号运算方面的应用,6.5运

3、算放大器在波形产生方面的应用(自学),6.6使用运算放大器应注意的几个问题,6.4运算放大器在信号处理方面的应用,6.2放大电路中的负反馈,6.1.1集成运算放大器的组成及特点,集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路,尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大,中间级应有足够大的电压放大倍数,输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗ro小。,返回目录,电路,运放的符号,运放的特点,返回目录,6.1.2主要参数,1.最大输出电压UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2.开环差模电压增益Auo运放没有接反馈电路时

4、的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6.共模输入电压范围UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB,6.1.3理想运算放大器及其分析依据,1.理想运算放大器,Auo，rid，ro0，KCMRR,2.电压传输特性uo=f(ui),线性区：uo=Auo(u+u),非线性区：u+u时，uo=+Uo(sat)u+u时，uo=Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,3.理想运放工作在线性区的特点,因为uo=Auo(u+u)

5、,所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u,称“虚短”,(2)输入电流约等于0即i+=i0,称“虚断”,电压传输特性,Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,O,4.理想运放工作在饱和区的特点,(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或Uo(sat),(2)i+=i0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当u+u时，uo=+Uo(sat)u+u时，uo=Uo(sat)不存在“虚短”现象,例F007运算放大器的正、负电源电压为15V，开环电压放大倍数AU0=2105,输出最大电压（即Uo(sat)为13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：,解,只要两个输

6、入端之间的电压绝对值超过65V，输出电压就达到正或负的饱和值。,输出电压,输出电压,输出电压,输出电压,第六章集成运算放大器,6.1集成运算放大器的简单介绍,6.3运算放大器在信号运算方面的应用,6.5运算放大器在波形产生方面的应用(自学),6.6使用运算放大器应注意的几个问题,6.4运算放大器在信号处理方面的应用,6.2放大电路中的负反馈,6.2.1反馈的基本概念,反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部引回到输入端。,将输出电流引到输入端,将输出电压引到输入端,反馈通路（反馈网络）信号反向传输的渠道,2.反馈网络,反馈通路（反馈网络）,信号的正向传输,开环无反馈通路,闭环有

7、反馈通路,开环放大倍数,比较环节,反馈放大电路的一般方框图,反馈系数,输出信号,输入信号,反馈信号,净输入信号,比较环节,闭环放大倍数,6.2.反馈类型,正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。,负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。,判别方法：瞬时极性法。假设某一瞬时，在放大电路的输入端加入一个正极性的输入信号，按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。,一、正反馈与负反馈,例,(+),(+),(-),(-),净输入量,(+),(+),(-),(-),净输入量,负反馈,正反馈,反馈通路,反馈通路,级间反馈

8、通路,(+),(+),(+),(+),(-),(-),净输入量,级间负反馈,交、直流分量的信号均可通过RE，所以RE引入的是交、直流反馈。,如果有发射极旁路电容，RE中仅有直流分量的信号通过，这时RE引入的则是直流反馈。,E,二、交流反馈、直流反馈与交直流反馈,交流反馈：存在于交流通路中的反馈,直流反馈：存在于直流通路中的反馈,（seriesfeedback、parallelfeedback）,反馈信号在输入端（比较端）的连接分为：,串联反馈：满足电压叠加关系。,并联反馈：满足电流叠加关系。,判别方法：,三、串联反馈与并联反馈,串联反馈,并联反馈,（voltagefeedback、curren

9、tfeedback）,从输出端（采样端），采样信号在输出端分为取电压和取电流两种方式。,电流反馈：将负载短路，反馈信号仍然存在。,电压反馈：将负载短路，反馈信号为零。,电压反馈：稳定输出电压。,电流反馈：稳定输出电流。,判别方法：（负载短路法）,四、电压反馈与电流反馈,并联反馈电压反馈,串联反馈电流反馈,.四种类型的负反馈阻态,电压串联反馈,电压并联反馈,电流串联反馈,电流并联反馈,uf削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,1.电压串联负反馈,反馈电压,ui与uf接在不同的端，串联反馈,反馈过程：,uo,uf,ud,uo,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,2.电压并联负反馈,if削弱了净输入电流

10、(差值电流)负反馈,反馈电流,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号接在相同端并联反馈,特点：输入电阻低、输出电阻低,3.电流串联负反馈,差值电压ud=uiuf,uf削弱了净输入电压(差值电压)负反馈,RL短路，反馈信号仍存在电流反馈,反馈信号与输入信号接在不同端串联反馈,4.电流并联负反馈,差值电流id=i1if,if削弱了净输入电流(差值电流)负反馈,反馈信号与输入信号接在相同端并联反馈,RL短路，反馈信号仍存在电流反馈,反馈类型的判别步骤,1.有无反馈是否存在把输出回路和输入回路连接起来的支路,2.交流反馈与直流反馈反馈存在于直流或交流或交直流通路中。,3.正反馈与负反馈瞬时极性法。,

11、4.反馈的组态输出端：电压；电流。输入端：串联(异点)；并联(同点)。,练习,电压串联负反馈,有反馈？,正、负反馈？,电压、电流反馈？,串联、并联反馈？,练习,电压并联负反馈,有反馈？,正、负反馈？,电压、电流反馈？,串联、并联反馈？,练习,有反馈？,正、负反馈？,电压、电流反馈？,串联、并联反馈？,电压串联负反馈,练习,电流并联负反馈,有反馈？,正、负反馈？,电压、电流反馈？,串联、并联反馈？,练习5,有反馈？,正、负反馈？,电压、电流反馈？,串联、并联反馈？,电流并联负反馈,.2.负反馈对放大电路性能的改善,反馈放大电路的基本方程,反馈系数,净输入信号,开环放大倍数,（1）对放大倍数的影响

12、,负反馈使放大倍数下降。,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。,负反馈时，xf和xd同相，所以AoF是正实数,放大倍数下降1+|AoF|倍，其稳定性提高1+|AoF|倍。,中，,则有：,例：|Ao|=300，|F|=0.01。,若,称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的条件下，放大倍数只与反馈网络有关。,反馈深度,后一页,前一页,返回,（2）改善了波形失真,加反馈前,加反馈后,小,大,小,大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,（3）改变了输入电阻和输出电阻,在同样的Ib下，Ui=Ube+UfUbe，rif提高。,1）串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈

13、时：,使电路的输入电阻提高,无负反馈时：,有负反馈时：,在同样的Ube下，Ii=Ib+IfIb，rif降低。,后一页,前一页,返回,2）并联负反馈,使电路的输入电阻降低,电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,3）电压负反馈使电路的输出电阻降低,4）电流负反馈使电路的输出电阻提高,（4）扩展频带,放大电路加入负反馈后增益下降，但通频带却加宽了。,无反馈时放大器的通频带：fbw=fHfLfH有反馈时放大器的通频带：fbwf=fHffLffHf,要稳定直流量,引直流负反馈,改善交流性能,引交流负反馈

14、,要稳定输出电压（减小输出电阻）,引电压负反馈,要稳定输出电流（增加输出电阻）,引电流负反馈,要增大输入电阻,引串联负反馈,要减小输入电阻,引并联负反馈,.为改善性能引入负反馈的一般原则：,例.为稳定输出电压、增加输入电阻，应用引入何种类型反馈？在图中连线。,解：,电压串联负反馈,第六章集成运算放大器,6.1集成运算放大器的简单介绍,6.3运算放大器在信号运算方面的应用,6.5运算放大器在波形产生方面的应用(自学),6.6使用运算放大器应注意的几个问题,6.4运算放大器在信号处理方面的应用,6.2放大电路中的负反馈,6.3运算放大器在信号运算方面的运用,6.3.1比例运算,6.3.2加法运算,

15、6.3.3减法运算,6.3.4积分运算,6.3.5微分运算,6.3.1比例运算,1.反相比例运算,（1）电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,（2）电压放大倍数,因虚短,所以u=u+=0，称反相输入端“虚地”反相输入的重要特点,因虚断，i+=i=0，,所以i1if,因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1/RF,（3）输入电阻,输入电阻小；,虚地，无共模信号输入。,（4）特点,?问题?1运放饱和电压对电路工作有无影响？2已知运放的Vsat=10V，Rf=100K、R1=10K.若VI=-0.1V，输出电压为多少？若VI=1.5V，输出电压?为保证不失真放大，

16、电路的最大输入电压为多少？,例：电路如下图所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不变，要求Auf为10，则RF、R2应为多少？,解：1.Auf=RFR1=5010=5,R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k,2.因Auf=RF/R1=RF10=10故得RF=AufR1=(10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1k,2.同相比例运算,因虚断，所以u+=ui,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,因虚短，所以u=ui，反相输入端不“虚地”,因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1/RF,2.同相比例运算,电压放大倍数,因虚

17、短，所以u=ui，反相输入端不“虚地”,?问题?1运放饱和电压对电路工作有无影响？2已知运放的Vsat=10V，Rf=100K、R1=10K，若vi=-0.1V，输出电压为多少？若vi=+1V，输出电压为多少？为保证不失真放大，电路的最大输入电压为多少？,当R1=或RF=0时，,uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。,由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。,左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。,例：图中同相比例运算电路，,求：,需要帮忙吗？点击我会有新发现。,返回目录,解：,此电路为同

18、相比例运算电路，,于是,返回,返回目录,负载电流的大小与负载无关。,例2：负载浮地的电压-电流的转换电路,1.能测量较小的电压；2.输入电阻高，对被测电路影响小。,流过电流表的电流,6.3.2加法运算电路,1.反相加法运算电路,因虚短,u=u+=0,平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RF,因虚断，i=0,所以ii1+ii2=if,2.同相加法运算电路,方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui20)时，,同理，ui2单独作用时,方法2：,平衡电阻：Ri1/Ri2=R1/RF,u+,u+=?,也可写出u和u+的表达式，利用u=u+的性质求解。,当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；,同相加法运算电

19、路的特点：当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,6.3.3减法运算电路,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法1：,如果取R1=R2，R3=RF,如R1=R2=R3=RF,R2/R3=R1/RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量放大电路,分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。,u+,例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压,解答,返回目录,解：,想一想：为什么要加A1？,返回,返回目录,例1:设计一加减运算电路,设计一加减运算电路，使Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3,解：用双运放实现,如果选Rf1=R

20、f2=100K，且R4=100K,则：R1=50KR2=20KR5=10K,平衡电阻R3=R1/R2/Rf1=12.5K,R6=R4/R5/Rf2=8.3K,思考:用一加法和减运算电路怎样实现？,例2：求电路的电压放大倍数Avf,6.3.4积分运算电路,由虚短及虚断性质可得i1=if,if=?,当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有,若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui时，则,积分饱和,线性积分时间,线性积分时间,Uo(sat),ui=Ui0,ui=Ui0,采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。,输出电压随时间线性

21、变化,Ui,Ui,例已知：vc(0)=0,画输出电压波形。,解:(1)t:0t1,vo(t1)=8V,(2)t:t1t2,vo(t2)=0V,三角波,方波,6.3.5微分运算电路,由虚短及虚断性质可得i1=if,Ui,Ui,微分电路,第六章集成运算放大器,6.1集成运算放大器的简单介绍,6.3运算放大器在信号运算方面的应用,6.5运算放大器在波形产生方面的应用(自学),6.6使用运算放大器应注意的几个问题,6.4运算放大器在信号处理方面的应用,6.2放大电路中的负反馈,6.4.1电压比较器,电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平

22、变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。,用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,6.4运放在信号处理方面的应用,理想运放工作在饱和区的特点：,1.输出只有两种可能+Uo(sat)或Uo(sat)当u+u时，uo=+Uo(sat)u+u时，uo=Uo(sat)不存在“虚短”现象2.i+=i0仍存在“虚断”现象,电压传输特性,电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),运放处于开环状态,1.基本电压比较器,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,当u+u时，uo=+Uo(sat

23、)u+u时，uo=Uo(sat),即uiUR时，uo=Uo(sat),可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。,参考电压,单限电压比较器：当ui单方向变化时，uo只变化一次。,uiUR，uo=+Uo(sat)uiUR，uo=Uo(sat),输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,2输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则uiUR，uo=UZ,uiUR时，uo=Uo(sat),3过零电压比较器,利用电压比较器将正弦波变为方波,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。,第六章集成运算放大器,6.1集成运算放大器的简单介绍,6.3运算放大器在信号运算方面的应用,6.5运算放大器在波形产生方面的应用(自学),6.6使用运算放大