第1章--模拟集成运算放大电路.ppt

1、第1章 模拟集成运算放大器及其应用,1,第1章 模拟集成运算放大电路,1.1 放大电路概述及其主要性能指标 1.2 模拟集成运算放大器 1.3 理想集成运算放大器 1.4 基本运算电路 1.5 电压比较器,2,一、 放大电路概述,放大电路的功能:是将微弱的电信号不失真地放大到所需要的数值，从而使电子设备的终端执行器件（如继电器、仪表、扬声器）工作。,1.1 放大电路概述及其主要性能指标,3,放大电路的结构示意图,至少一路直流电源供电，是能源,微弱的 电信号,继电器 仪表 扬声器,1.1 放大电路概述及其主要性能指标,4,1.1 放大电路概述及其主要性能指标,放大的本质：能量的控制，利用有源元件

2、实现,判断电路能否放大的基本出发点,放大的特征：功率放大,常用正弦波做测试信号,放大的对象：变化量,放大的基本要求：不失真放大的前提,输入信号为零时为静态。,一、 放大电路概述,5,1.1 放大电路概述及其主要性能指标,单极性晶体管,场效应管,集成运放,6,信号源,信号源内阻,输入电压,输入电流,输出电压,输出电流,对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。,1.1 放大电路的方框图及其主要性能指标,7,1.1 放大电路的方框图及其主要性能指标,1. 放大倍数：输出量与输入量之比,电压放大倍数是最常被研究和测试的参数,8,1.1 放大电路的方框图及其主要性能指标,工程上常用以10为底的对数增

3、益表达 式,9,2. 输入电阻和输出电阻,测量输入电阻,输入电压与输入电流有效值之比。,从输入端看进去的等效电阻,1.1 放大电路的方框图及其主要性能指标,10,2. 输入电阻和输出电阻,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。,带RL时的输出电压有效值,空载时输出电压有效值,1.1放大电路的方框图及其主要性能指标,11,3、通频带,由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。,衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。,1.1 放大电路的方框图及其主要性能指标,12,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大， Ac小

4、，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。,四个组成部分的作用:,1. 集成电路运算放大器的内部组成单元,高增益,多级直接耦合,电压放大器,1.2 模拟集成运算放大器,集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。,13,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,几代产品中输入级的变化最大！,输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,1.2 模拟集成运算放大器,14,一个 输出端,可将集成运放看成为一个“黑盒子”。,2集成运算放大器的符号,1.2 模拟集成运算放大器,15,不同型号的集成运放供电电源不

5、同，有的两路电源供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是VCC （常为15V ）供电。,相位相同,相位相反,2集成运算放大器的符号,1.2 模拟集成运算放大器,16,1.2模拟集成运算放大器,2集成运算放大器的符号,F007/A741的外形结构和引脚排列图,17,集成运算放大器是电压放大器，因此可用双口网络来表示。,输入电阻,输出电阻,开环电压放大倍数,3集成运算放大器的电路模型,1.2模拟集成运算放大器,18,线性区,非线性区,输出不是高电平+UOM 就是低电平UOM,若UOM= 14V，Aod=5106，则为保证集成运放工作在线性区，输入信号的范围为多少？|u+u|28V,U

6、OM的值决定于什么？,1.2 模拟集成运算放大器,4集成运算放大器的电压传输特性,19,在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：,1开环电压放大倍数Aod ,2开环输入电阻rid ,3开环输出电阻ro 0,4共模抑制比KCMR ,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,1.3 理想集成运算放大器,1.理想运放的参数,20,1.3 理想集成运算放大器,问题： 若将输入信号直接加在理想运放的输入端，则理想运放有可能工作在线性区吗？ 负载电阻的阻值变化时，理想运放

7、的输出电压变化吗？为什么？,理想运放的符号与简化电路模型如图所示,(不能， 因Aod=，需引入负反馈),(不变，输出等效为恒压源),21,理想运放电压传输特性,UOM,UOM,Uim,Uim,线性区,非线性区,非线性区,因为理想运放Aod ,开环电压放大倍数,所以，当 u+ u 时，uO = +UOM,u+ uuO = UOM,uO = Aod(u+ u),u+ = uuO 发生跃变,1.3 理想集成运算放大器,2.理想运放的传输特性,22,为保证理想运放工作在线性区，必须引入负反馈。,无源网络,反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量，称为反馈。 正、负反馈：若反馈的

8、结果使输出量的变化增大，则称为正反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。,uO u_ uO ,1.3 理想集成运算放大器,3.运放工作在线性区的特点,23,3.运放工作在线性区的特点,相当于两输入端之间短路, 但又未真正短路，故称“虚短路” 。,u+ u,1.3 理想集成运算放大器,有限值,无穷大,虚短路,24,3.运放工作在线性区的特点,相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路” 。,i+ =i - 0,运放开环输入电阻rid ,uO,u+,+,+,u,1.3 理想集成运算放大器,“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的两个基本出发点。,虚断路,25

9、,电路特征 理想运放工作在开环状态 引入正反馈，使其输出量的变化增大,开环、正反馈,无源网络,1.3 理想集成运算放大器,4.运放工作在非线性区的特点,26,4.运放工作在非线性区的特点,2i+=i- 0,1u+ u,由于运放工作在非线性区 uO Auo(u+ u),不再成立,非线性区,非线性区,所以,当 u+ u 时， uO = +UOM,u+ u uO = UOM,依然成立,u+ = uuO 发生跃变,1.3 理想集成运算放大器,27,1反相比例电路,可列出,由此得出,闭环电压 放大倍数,平衡电阻,R2 = R1 / Rf,保证输入级 的对称性,电路的输入电阻为多少？,虚地,i+ =i-

10、0,列KCL,1.4 基本运算电路,一、比例运算电路,28,2同相比例电路,由运放工作在线性区的依据,可列出,由此得出,闭环电压 放大倍数,电路的输入电阻为多少？,R2 = R1 / Rf,保证输入级的对称性,无穷大,一、比例运算电路,29,2. 同相比例,?,同相比例记公式：,再判断u+和ui的关系,一、比例运算电路,30,同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器,R1,Rf0,输入电阻为,输出电阻为0,一、比例运算电路,31,电压跟随器的作用,无电压跟随器时 负载上得到的电压,电压跟随器时,根据虚短和虚断有,i+0，u+u-,一、比例运算电路,32,【例1.4.2】 电路如图4.4.4所示，

11、已知uo= 33ui，求R3、R5、R6的阻值,图1.4.5 例1.4.2电路图,解：A1为同相比例电路,R3为平衡电阻,一、比例运算电路,33,图1.4.5 例1.4.2电路图,A2为反相比例电路,R6为平衡电阻,一、比例运算电路,34,二、加法运算电路,方法一：节点电流法,1. 反相求和,35,方法二：利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。,同理可得,二、加法运算电路,36,2. 同相求和,ui1作用时的u+,必不可少吗？,用节点电流法：,用叠加定理也可以写出：,解得:,ui2作用时的u+,二、加法运算电路,37

12、,需求,热电阻,测温电桥,环境温度变化阻值变化,某一标准温度下 uI1uIVCC/ 2 uIuI1uI0,三、差分放大电路的概念,需要一种放大电路，对uI1和uI共同的部分不放大，仅对它们的差值放大。,温度变化（即偏离标准温度）时，产生uI，这是放大的对象。, 差分放大电路,38,三、差分放大电路的概念,手机上的一个应用：双麦降噪,39,三、差分放大电路的概念,主麦克： 声音+噪音,副麦克： 噪音采集,差分处理： 降噪,40,共模信号和差模信号,共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相同，则称之为共模信号。 差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性

13、相反，则称之为差模信号。 设任意两个输入信号ui1和ui2，则,差模信号,共模信号,线性变换,41,差模放大倍数,共模放大倍数,共模抑制比,越大越好,绝对值 越小越好,绝对值 越大越好,为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入参数共模抑制比。,实际上也常用分贝（dB）来表示，即,差分放大电路的放大倍数,42,叠加定理：,ui1作用时,ui2作用时,1.单运放减法电路,四、减法运算电路,43,电路平衡条件为,列KCL,i1 =if,i2=i3,当电路电阻满足条件,实现了差分放大,1. 单运放减法运算电路,u+=u_,四、减法运算电路,44,2.双运放减法运算电路,四、减法运算

14、电路,A1为反向比例电路,A2为反相加法电路,45,四、减法运算电路,例题：电路如图所示，(1) 试分别说明A1、A2、A3各构成什么运算电路；(2) 求uo的表达式,解：,A1、A2、A3均为差放电路(减法电路),实现了差分放大,46,五、积分运算电路和微分运算电路,1. 积分运算电路,反相,若ui在t1t2为常量，则,47,移相,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？,线性积分,波形变换,利用积分运算的基本关系实现不同的功能,48,虚地,2. 微分运算电路,放大高频噪声，少用,49,1. 电压比较器的功能：比较电压的

15、大小。 输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。 广泛用于各种报警电路。,2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uOf(uI),电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UTH （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,1.5 电压比较器,概述,50,电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈,理想运放工作在非线性区的特点：,1) 净输入电流为0 2) u+ u-时， uOUOH u+ u-时， uOUOL,无源网络,教学基本要求 1)电路的识别及选用；2)电压传输

16、特性的分析。,1.5 电压比较器,51,1.5 电压比较器,特点：,1. 简单电压比较器,虚断成立，虚短不成立,（1）串联型电压比较器：输入信号与参考电压从不同输入端输入的比较器，具有输入电阻大的特点,反相输入电压比较器,52,（1）串联电压比较器,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,称为过零比较器,当,把输出电压从一个电平跳变到另一个电平时所对应的输入电压值称为门限电压,1.简单电压比较器,53,当,1.简单电压比较器,（1）串联电压比较器,54,解：,（2）并联型电压比较器,利用叠加原理可得,理想情况下，输出电压发生跳变时对应的U+U-0，即,门限电压,1.简单电压比较器,55,（1）

17、若要UTH0，则应如何修改电路？ （2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？ （3）若要改变UOL、UOH呢？,门限电压,1.简单电压比较器,56,简单电压比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力较差。因此提出了另一种抗干扰能力较的强迟滞电压比较器。,1.5 电压比较器,57,2. 迟滞比较器,（1）电路组成,（2）门限电压为U+,上门限电压,下门限电压,回差电压,1.5 电压比较器,而U+与uo有关，对于uo的两个值可得U+的两个门限电压,58,2. 迟滞比较器,（3）传输特性,1.5 电压比较器,迟滞宽度表示抗干扰能力的强弱，迟滞宽度越宽，抗干扰能力越强，同时灵敏度越低。并且输入电压的峰

18、值必须大于迟滞宽度，否则输出电压不可能跳变。,迟滞宽度,设uiUTH-，则 u- u+， uO+UZ。此时u+ UTH+，增大 ui，直至+UTH+，再增大， uO才从+UZ跃变为 UZ。,设 ui+UTH+，则 u- u+， uOUZ。此时u+UTH-，减小 ui，直至UTH-，再减小， uO才从UZ跃变为+UZ。,59,解：,（1）门限电压,（3）输出电压波形,例,电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和如图所示输入信号下的输出电压波形。,（2）传输特性,60,（1）写出 u+、u-的表达式，令u+ u-，求解出的 uI即为UTH； （2）根据集成运放的输出电压幅值或输出端限幅电路决定输出的高、低电平；,电压比较器的分析方法（三要素）,（3）根据输入电压作用于同相输入