集成运算放大器及其应用.ppt

1、1,第7章 集成运算放大器 及其应用,2,7.1 集成运算放大电路概述,7.2 放大电路中的负反馈,7.3 集成运算放大器的线性应用,7.4 集成运算放大器的非线性应用,7.5 集成运算放大器使用时的注意事项,7.6 集成运算放大器的应用举例,第7章 集成运算放大器及其应用,3,学习目标,了解集成运放的组成及各部分的作用。 掌握理想运放的条件和传输特性。 能够正确判断电路中是否引入反馈以及反馈的类型。 掌握负反馈对放大电路性能的影响。 理解集成运放线性应用的条件和两个重要分析依据。 掌握集成运放的基本运算电路。 了解集成运放在信号处理方面的应用。 理解集成运放非线性应用的条件和分析依据。 掌握

2、集成运放构成的电压比较器。 了解集成运放构成的各种信号发生电路。 掌握集成运放使用注意事项。,4,7.1 集成运算电路概述,7.1.1 集成运算放大器的组成及工作原理,1、集成运算放大器的组成,差放 放大差摸信号抑制共模信号 输入电阻大,共射 放大倍数高,射极输出器 输出电阻小 带负载能力强,集成运放是一种电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、共模抑制比高、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、耗电少的通用电子器件。,5,A u 0 ：开环电压放大倍数,2. 集成运放的符号,u ：反相输入端；,u+ ：同相输入端；,uo ：输出端。,6,双列直插式,空脚,+UCC,-UEE,输出,u-,u+,3.

3、 集成运放的管脚,7,7.1.2 集成运算放大器的传输特性,正饱和区：,线性区：,负饱和区：,8,7.1.3 集成运算放大器的主要参数,2）差模输入电阻rid 与输出电阻ro ：,输入电阻很高。 一般为几十千欧几十兆欧。 输出电阻很低。 一般为几十欧。,1）开环电压放大倍数A u 0 ：,越大越好。 一般为104 107,无外接反馈时的差模电压放大倍数。,3）共模抑制比KCMRR ：,对共模信号的抑制能力。,很高。 一般为103 107 。,9,运放能抑制共模信号的范围。,4）共模输入电压范围UiCM ：,运放正常工作时，允许输入差模电压的范围。,5）最大差模输入电压UidM ：,一般略低于正

4、、负电源电压。,6）最大输出电压Uopp ：,能使输入输出保持不失真关系的最大输出电压,10,7.1.4 理想运算放大器,1、理想运放：,rid ,KCMRR ,ro 0,Au ,2、理想运放的 传输特性 uo=f（ui）,理想运放有无线性区？,11,3、理想运放的分析依据,因为： ri d = ,1） i = i+ =0,因为： u+ - u- = uo / A u 0,2） u+ = u-,uo 为有限值， A u 0 为,结论2只适用于理想运放闭环线性应用时！,注意！,“虚断”,“虚短”,结论1适用于理想运放工作在线性和饱和时！,12,在实际中，集成运放的Au0， ri d不可能是无穷大

5、 ，所以“虚短”和“虚断”是两个近似的结论。,理想运放的线性区趋近于0，所以运放要工作在线性区，必须引入深度负反馈。,13,7.2 放大电路中的负反馈,7.2.1 反馈的概念,反馈：凡是将电路的输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）通过一定的电路（反馈回路）引回到输入端，与输入信号叠加，一同控制电路的输出，就称为反馈。,负反馈：若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。 正反馈：若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,放大电路中引入的一般为负反馈,14,基本放大 电路Ao,反馈电路 F,反馈框图：,净输入信号,输出信号,开环放大倍数,反馈信号,反馈系数,xd,xo,xf,xo,xd,xf

6、,15,反馈信号削弱净输入信号 负反馈,反馈信号增强净输入信号 正反馈,xd = xi - xf,xd = xi + xf,16,7.2.2 反馈的类型及判断,(1),根据反馈电路在输出端所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,如果反馈信号取自（正比于）输出电流，为电流反馈,如果反馈信号取自（正比于）输出电压，为电压反馈,17,(2),根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,如果反馈信号与输入信号串联（Xf=Uf）为串联反馈,如果反馈信号与输入信号并联（Xf=If）为并联反馈,18,负反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反

7、馈,1. 负反馈的类型,19,1）电压串联负反馈,基本放大电路：,运放,反馈电路：,R1 、 Rf,反馈信号：,Uf = UO R1 /（ R1 + Rf ）,净输入信号：,Ud = u+ - u- = ui - uf,负反馈：,Uf与UO 同相，削弱了净输入信号；,20,uo uf ud =ui-uf uo,串联负反馈：,Uf与Ui串联（电压相加减）；,电压负反馈：,Uf = UO R1 /（ R1 + Rf ）,反馈信号正比于输出电压,电压负反馈能稳定输出电压：,串联电压负反馈,21,2）电压并联负反馈,基本放大电路：,运放,反馈电路：,Rf,反馈信号：,if = -uO/ Rf,净输入信

8、号：,id = ii - if,负反馈：,if与uo 反相， 削弱了净输入信号；,22,并联负反馈：,if与ii并联（电流相加减）,电压负反馈：,if = -uo/ Rf,反馈信号正比于输出电压,电压负反馈能稳定输出电压：,uo If Id =Ii-If uo,并联电压负反馈,23,3. 电流串联负反馈,基本放大电路：,运放,反馈电路：,Rf 、RL,反馈信号：,uf = io Rf,净输入信号：,ud = u+ - u- = ui - uf,负反馈：,uf与ui 同相， 削弱净输入信号；,24,串联负反馈：,Uf与Ui串联（电压相加减）,电流负反馈：,Uf = io Rf,反馈信号正比于输出

9、电流,电流负反馈能稳定输出电流：,串联电流负反馈,25,4. 电流并联负反馈,基本放大电路：,运放,反馈电路：,Rf 、 R3,反馈信号：,if = -io R3 /(Rf +R3),净输入信号：,id = ii - if,负反馈：,if与uo （ io ）反相， 削弱净输入信号；,26,并联负反馈：,if与ii并联（电流相加减）,电流负反馈：,if = -io R3 / (Rf +R3),反馈信号正比于输出电流,并联电流负反馈,RL,27,电流负反馈能稳定输出电流：,if= ui /R1 =ii,io= iR - if,- Rf if= R3 iR iR = - Rf / R3 if,io=

10、 -if （1+Rf / R3 ）= -ui /R1 （1+Rf / R3）,输出电流与负载无关。当元件参数确定后，输出电流不变。,RL,28,2. 反馈类型的判断,1）找出反馈网络,将输入、输出联系起来的电路。,反馈网络： Rf,反馈网络一般由电阻或电阻、电容组成。反馈电路的结构决定了反馈信号是交流、直流或交、直流。,29,负反馈,2）判断正、负反馈：,瞬时极性法,假设输入端瞬时极性为“+”（电位升高）；,由入至出，再由出至入，依次判断出各点的瞬时极性；,若反馈信号使得净输入提高，为正反馈；,若反馈信号使得净输入降低，为负反馈；,负反馈,30,？,负反馈！,？,正反馈！,本级反馈,反馈电路接

11、至反相输入端为负反馈,反馈电路接至同相输入端为正反馈,31,3） 判断串、并联反馈：,看反馈电路与输入端的连接形式,若反馈信号与净输入信号串联（反馈信号以电压的形式出现）,串联反馈,并联反馈,若反馈信号与净输入信号并联（反馈信号以电流的形式出现）,串联反馈,并联反馈,32,？,串联反馈！,？,并联反馈！,本级反馈,反馈信号与输入信号接在同一输入端为并联反馈,反馈电路与输入信号分别接在两个输入端为串联反馈,33,4）判断电压、电流反馈：,看反馈电路与输出端的连接方式,若反馈信号取自于输出电压，为电压反馈；,电压反馈,若反馈信号取自于输出电流，为电流反馈；,电流反馈,34,？,电流反馈！,？,电压

12、反馈！,本级反馈,反馈信号直接从输出端引出为电压反馈,从负载电阻RL的靠近“地”端引出为电流反馈,35,Rf1 、 Rf2 ：,本级并联电压负反馈；,Rf3 ：,uo,级间串联电压负反馈！,36,7.2.3 负反馈对放大电路的影响,xd = xi - xf,1. 降低放大倍数,Af：闭环放大倍数,负反馈使放大倍数下降。,37,2. 负反馈提高放大倍数的稳定性,反馈深度,称为深度负反馈，此时：,若,在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络的参数有关。,引入负反馈使电路放大倍数的稳定性提高。,38,3. 改善波形的非线性失真,加反馈前,加反馈后,引入负反馈将输出端的失真信号反送到输入端，使净输入

13、信号发生某种程度的失真，经过放大后，即可使输出信号的失真得到一定程度的补偿。从本质上说，负反馈是利用失真了的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，不能完全消除失真。,39,4. 展宽了通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加：,fHF,fH,集成运放中都采用直接耦合，无耦合电容，故其低频特性良好，展宽了通频带；引入负反馈后，在高频段通频带又能得到展宽。,40,5. 对输入、输出电阻的影响,1）串联反馈使电路的输入电阻增加：,2）并联反馈使电路的输入电阻减小：,3）电压反馈使电路的输出电阻减小：,稳定输出电压！,4）电流反馈使电路的输出电阻增加：,稳定输出电流！,41,总结：,负反馈对输入和输

14、出电阻的影响：,42,7.3 集成运算放大器的线性应用,理想运放,引入深度负反馈，使运放工作于线性状态。,运放的线性应用,理想运放线性应用时的两个重要结论：,1） i = i+ =0 “虚断”,2） u+ = u- “虚短”,43,虚地,1. 比例运算电路,1） 反相比例运算电路,ui,uo,i1=if,i+= i- = 0,7.3.1 基本运算电路,电压并联负反馈,44, uo 与 ui 为比例关系, uo 与 ui 反相位 若Rf=R1，则为 反相器, 电压并联负反馈, R2 ： 平衡电阻 R2=R1/Rf, uiC =0,45,2） 同相比例运算电路,ui,uo,u-= u+= ui,没

15、有虚地概念。,i+= i- = 0,i1= if =,= （ui - uo ）/ Rf,- ui / R1,电压串联负反馈,46, uo 与 ui 为比例关系, uo 与 ui 同相位, 电压串联负反馈, R2 ： 平衡电阻 R2=R1/Rf, uiC =ui,集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应选用高共模抑制比的集成运放。,Af总是大于或等于1，不会小于1。,47,电压跟随器, 若Rf=0，或R1 = ,电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小,48,i+= i- = 0,i1= if =,= （u+ - uo ）/ Rf,- u+ / R1,49,2. 加法运算电路,叠加,反相加法,

16、50,电路如图示。求uo的波形。,-0.5v,解：,= -（100/100ui1+100/50ui2）,= -（ui1+2ui2）,51,叠加原理,3. 差动运算电路,ui1,ui2,52,53,则：,若： R1 = R2 R3 = Rf,若： R2 = R3 = R1 = Rf,则：,减法器,差动放大电路广泛应用在测量和控制系统中。,54,4. 积分运算电路,=,反相积分 R1CF为积分常数,55,保持,如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,线性函数,积分,积分时限,56,图示电路中，已知输入方波，输出是三角波。,57,比例积分电路（PI）,=,

17、58,积分,若 u i = U,则,-Uom,比例,保持,59,5. 微分运算电路,当输入为阶跃信号时，输出为尖脉冲,60,图示电路中，已知输入正弦波，求输出波形,61,7.3.2 集成运算放大器在信号处理方面的应用,滤波器:,低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器,1. 有源滤波器,使一定频率范围内的信号顺利通过，在此频率范围以外的信号衰减很大，不能通过。,无源滤波器:,一般由无源器件R、C组成,有源滤波器:,一般由有源器件集成运算放大器与R、C组成。,特性差，带负载能力差，无放大作用,62,幅频特性,63,按幅频特性分类：,低通,高通,带通,带阻,64,1.一阶低通滤波器,无源,6

18、5,此电路的缺点：,1、带负载能力差。,2、无放大作用。,3、特性不理想，边沿不陡。,截止频率处：,截止频率,66,一阶有源低通滤波器,67,幅频特性：,截止角频率,截止角频率：,68,2） w = w0 时，,低通， 有放大作用， 运放输出，带负载能力强。,1） w w0 时，,3） w w0 时，,w ,69,如何组成高通有源滤波器？,RC对调,同学自行推导高通滤波器的幅频特性,70,2. 采样保持电路,电压跟随器,功能,将变化较快的模拟信号变为阶梯信号。,工作原理,uo = u+ = uc,ui,控制信号,采样,保持,采样,采样,采样,保持,保持,保持,uo,控制信号=1，S闭， uc

19、= ui uo = ui,控制信号=0，S开， uc 保持， uo 保持,电路,71,3. 信号变换电路,1）电压电压变换器,UO = UW,连续可调,UZ ：基准电压,72,2） 电压电流变换器,iL= ui / R,将电压变换为与其成正比的电流， 输出电流与负载电阻无关。,恒流源,73,3） 电流电压变换器,uo= iL Rf,将电流变换为与其成正比的电压。,74,4）电流电流变换器,IS +If =0,If = - IS,= - IS,75,7.3.3 RC正弦波振荡电路,正弦波振荡器：,产生正弦波信号的电路。,接通电路的电源，即开始工作，输出一定频率的正弦波信号。,不需要输入信号？,是

20、的！自激振荡 ！,76,1. 自激振荡,正反馈电路才能产生自激振荡,负反馈：,正反馈：,77,如果：,78,反馈信号代替了放大电路的输入信号，输入信号为0时仍有输出，称为自激振荡。,79,自激振荡的条件：,80,所以自激振荡条件可以写成：,（1）幅值条件：,（2）相位条件：,（n是整数）,相位条件保证反馈极性为正反馈，,幅值条件保证反馈有足够的强度。,可以通过调整放大电路的放大倍数达到。,因为：,81,为了得到单一频率的正弦波，自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、正反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。,Xi 最初是由放大电路接通电源时激起的一个微小的干扰信号提供的，这就是起始

21、信号。它是非正弦信号，是由多种频率正弦信号叠加而成的。,为了让它发展增长，振荡电路中必须有放大和正反馈环节。,选频电路通常由RC电路或LC电路组成。,82,2. RC选频电路,用RC电路构成的选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。,自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。,文氏桥选频电路在振荡电路中是反馈网络,83,令：,则：,对于频率为f0的信号：,84,频率特性：,在fo处：,85,3. 用运放组成的RC振荡器：,在f0 处：,满足相位条件。,AF=1,在f0 处：,满足幅值条件。,86,如何启振？,Uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要

22、求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。,起振并能稳定振荡的条件：,为了输出信号不无限增长而逐渐趋于稳定，振荡电路中必须有稳幅环节，一般是利用非线性元件的非线性特性来完成。,87,能自行启振的电路,R21+R22略大于2R1, A3，AF1，随着uo的增加，R22逐渐被短接，A自动下降。,88,输出频率的调整,改变R或C，可改变输出频率 ！,89,正弦波振荡器的组成：,放大环节 A,正反馈环节 F,选频网络,稳幅环节,90,7.4 集成运放的非线性应用,运放工作在非线性状态。,非线性应用,开环或有正反馈,91,由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定

23、运放的状态，主要由有无负反馈决定。,处于非线性状态运放的特点：,1）虚短路不成立。 u+与u-的数值由外电路决定。,2）输入电阻仍可以认为很大。 i+ = i-= 0,3）输出电阻仍可以认为是0。,92,7.4.1 电压比较器,ui,UR,运放：开环状态,ui：输入的模拟信号,UR：基准电压,u+=ui， u-= UR,ui uR ，uo = +UO（sat）,ui uR ，uo = -UO（sat）,传输特性,1. 基本电压比较器,93,若基准电压加在同相输入端;,若基准电压是负值;,若基准电压加在反相输入端， 且为负值;,传输特性如何？,94,若基准电压是负值; UR 0,UR,UR为负，

24、在反相端,若基准电压加在同相输入端; UR 0,UR,UR为正，在同相端,95,若基准电压加在同相输入端， UR 0,UR,UR为负，在同相端,过零比较器,基准电压为零,传输特性,96,利用过零电压比较器将正弦波变为方波。,97,2. 具有限幅电路的比较器,？,若要求比较器的输出电压稳定在一定数值上时,用稳压管限幅！,双向稳压管,98,若限幅稳压管是普通稳压管,传输特性是怎样的？,uo,请同学们自己画传输特性,99,线性应用时也可以限幅,传输特性?,100,3. 迟滞电压比较器,分析：,因为有正反馈，所以输 出饱和；,当uo正饱和时：,当uo负饱和时：,电路：,有正反馈；,基准电压由输出决定；

25、,101,传输特性,小于回差的干扰不会引起跳转，迟滞电压比较器抗干扰能力大大加强。,回差,下门限,上门限,102,迟滞电压比较器输入正弦波时输出电压的波形。,103,7.4.2 信号产生电路,电路结构：,1. 方波发生器, R、C 充、放电回路。,充,放, 迟滞比较器：,无输入信号，接通电源后就有方波输出。,U-=UC,104,工作原理：,(a ),设 uo = + UZ,此时，C充电!,U+H,则：u+=U+H,+ UZ,105,一旦 uc U+H , 就有 u- u+,uo 立即由Uz 变成Uz !,在 uc U+H 时，,u- u+ ,uo 保持 + Uz 不变；,106,C 经输出端放电，,U+L,(b),当uo = -Uz 时，,u+=U+L,uc达到U+L时，uo上翻。,- UZ,107,当uo 重新回到UZ 以后，电路又进入另一个周期性的变化：,108,周期与频率的计算：,109,思考题：,点b是电位器RW 的中点，点a 和点c 是b的上方和下方的某点 。试定性画出电位器可动端分别处于 a、b、c 三点时的