电子技术第三章集成电路

1、,3.1 集成运放的简介,*集成电路:是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不可分的整体。 *集成运算放大器:是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。 *集成电路优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小,可靠性高、价格低。 *集成电路分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；,集成电路简介,3.1 集成运放的简介,*集成电路结构特点: (1)电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。元器件参数的一致性和对称性好. (2)电阻的阻值受到限制,由硅半导体构成,范

2、围在几十到20千欧。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。 (3)电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；电容值在几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容通常外接。 (4)二极管一般用三极管的发射结构成。 (5)电路结构是直接耦合方式.,集成电路特点,3.1 集成运放的简介,*集成电路内部结构: (1)输入级：输入电阻高,能减小零点漂移和抑制干扰信号,都采用带恒流源的差分放大器。 (2)中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。 (3)输出级：与负载相接,要求输出电阻低,带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。 (4)偏置

3、电路: 多由镜像恒流源等电路组成,提供合适工作电流.,集成电路结构,3.2 直耦放大电路问题,*零漂现象：输入ui=0时，输出有缓慢变化的电压产生。 *产生零漂的原因:由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时,这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。 *零漂的衡量方法：将输 出漂移电压按电压增益 折算到输入端计算。,零点漂移问题,3.2 直耦放大电路问题,*零漂现象示例:假设一个2级放大器,Au1=100,Au2=100.则总Au=10000.若输出有1V的漂移电压,那么,等效输入端有100v的输入. *减小零漂的措施

4、: (1)用热敏元件进行温度补偿; (2)引入直流负反馈以稳定 Q 点； (2)采用差动放大电路(常用且有效的方法).,零点漂移问题,等效 100V,漂移 1 V,3.3 差动放大电路,*差分放大电路的组成:差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的。 *对称的含义:是两个三极管的特性一致，如放大倍数,动态输入电阻,反向饱和电流等电路参数对应相等.即：1=2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*几个基本概念: 1. 差动

5、放大电路一般有两个输入端： 双端输入从两输入端同时加信号。 单端输入仅从一个输入端对地加信号。 2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输出从C1和C2输出。 单端输出从C1或C2 对地输出。,典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*几个基本概念: 3.差模信号与共模信号 差模信号2个输入信号相减，uid=ui1-ui2。 共模信号2个输入信号相加，uic=(ui1+ui2)/2。 差模电压增益差模信号输入时,电压放大倍数， 共模电压增益共模信号输入时,电压放大倍数， 总输出电压差模和共模输出之和： 4. 共模抑制比差模电压增益/共模电压增益的绝对值。可以用来反映电路抑制共模信号的能力。,典

6、型结构与原理,3.3 差动放大电路,*原理分析要点:(1)差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。为了使差分放大电路在静态时,其输入端基本上是零电位，将Re从接地改为接负电源VEE。 (2)分析方法要注意2个等效关系:对每个三极管Re等效2倍Re,差模输入的虚地问题.,典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*静态分析:由于对称性, 两个管子的参数相同,所以,只需用分析一个管子的电压电流就可以了.因为Rb较小，其上的电压降可忽略不计。根据直流通路知，输入为零时,可忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V. Re上的电流为2管子的电流和.即 IE=(UEEUBE)Re= 2IE1=2IE

7、2 IE1=IE2=IE2= (UEEUBE)2Re UEE2Re ; 所以,对每个三极管来说,此处的 Re等效2个Re.,典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*静态分析: 基极电流, UCE和输出电压分别为 IB1=IB2 =IE1/(1+ ); UCE1=UCE2UCC+UEE-(RCIE1+ReIE)=UCC+UEE(RC+2Re)IE1 Uo=UC1-UC2=0；,典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*动态分析: (1)对共模信号的抑制作用: 由于对称, 射极电阻Re对共模信号的负反馈作用，抑制了每只晶体管集电极电流的变化，从而抑制集电极的电位的变化。共模信号的输入使两管集电极电压

8、有相同的变化.所以, uoc=uoc1-uoc20 . *对温度抑制作用:电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，使差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。由于温度对电路的影响是同步的,故可以将温度漂移等效成共模信号，所以,差分放大电路能很好地抑制零漂(温漂).,典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*动态分析: (2)对差模信号的放大作用:(下面的特点对共模信号不成立) 对差模信号有二个“虚地”:E点电位在差模信号作用下不变，相当于接“地”。因为若ui1 , ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不变 UE不变 负载电阻的中点电位在 差模信号作用下不变， 相当于接

9、“地”。因为,若设 u01 ,u02 ,又有u01 =u02, 相当于RL的中点电位为0, 等于每个负载只有RL/2.,典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*动态分析: (2)对差模信号的放大作用: 因为ui1 =- ui2,设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。 电路对称uo1=uo2 uod= uo1 uo2=2 uo1 差模uid= ui1 ui2=ui1 (-ui1)= 2 ui1 差模电压放大倍数 :,典型结构与原理,差模信号虚地,3.3 差动放大电路,*动态分析: (3)差模输入电阻:,典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*动态分析: (4)输出电阻(输入信号源短接,负载电阻

10、开路,三极管好像开路,在输出回路中,就只有2个RC并联),典型结构与原理,3.3 差动放大电路,*差动放大器有4种输入输出的形式 1. 双端输入、双端输出（双-双）:输入输出端没有接地. 2. 双端输入、单端输出（双-单）:输入端没有接地,输出端有一个端口接地输出. 3. 单端输入、双端输出（单-双）:输入端口有一个接地输入,输出端口没有接地. 4. 单端输入、单端输出（单-单）:输入和输出端口都是用一个端口接地输入和输出.,输入和输出方式,3.3 差动放大电路,1. 双端输入、双端输出:输入输出端没有接地. (1)差模电压放大倍数 : (2)共模电压放大倍数 (3)差模输入电阻 (4)输出电

11、阻,输入和输出方式,3.3 差动放大电路,2. 双端输入、单端输出:输入端没有接地,输出端有一个端口接地输出.这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。 (1)差模电压放大倍数 :,输入和输出方式,负载接地,3.3 差动放大电路,2. 双端输入、单端输出 (2)差模输入电阻(同第一种情况) (3)输出电阻(同普通情况,负载开 路,信号源短接) (4)输出电压 因为共模输出不能抵消,所以输 出包含有共模信号(虽然共模信号很小).,输入和输出方式,3.3 差动放大电路,(5)共模电压放大倍数 先画出画出共模等效电路,即交流通路.,输入和输出方式,3.3 差动放大电路,(6)共模抑制比 根据定义

12、得,输入和输出方式,3.3 差动放大电路,3. 单端输入、双端输出: 因为,差模信号uid=ui1-0=ui1 ,相当于T1和T2都只得到一半的输入信号.即ui1 = ui2 = ui /2.可以把它们当成双端输入来处理.结论也一致.这种情况下,输出也减少1半. (1)差模电压放大倍数 : (2)共模电压放大倍数 (3)差模输入电阻 (4)输出电阻,输入和输出方式,3.3 差动放大电路,4. 单端输入、单端输出: 同双入单出分析相同.结论也一样. (1)差模电压放大倍数 : (2)共模电压放大倍数 (3)差模输入电阻 (4)输出电阻,输入和输出方式,3.3 差动放大电路,*差动放大器动态参数计

13、算总结(P130.表) (1)差模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关。 (2)共模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关。 (3)差模输入电阻与输入输出的形式无关，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。由于共模信号通常是要减少的量,如温度等,所以,不讨论共模输入电阻问题. (4)输出电阻由输出决定，单端输出为Rc，双端输出为2Rc。,输入和输出方式,3.4 放大器中的反馈,*在电子设备中经常采用反馈的方法来改善电路的性能,欲稳定某个电量，将该电量反馈回输入回路。就可以达到预定的指标。 例如，采用直流负反馈稳定静态工作点的方法. *放大电路中的反馈，是指

14、将 放大电路输出电量(输出电压 或输出电流)的一部分或全部， 通过一定的方式，反送回输入 回路中。稳定静态工作点的 电路，UBEQ UBQ ICQRE， ICQ(IEQ) 反馈回输入回路.,反馈的基本概念,UB一定,3.4 放大器中的反馈,*正向传输信号从输入端向输出端的传输。 *反向传输信号从输出端向输入端的传输. *开环与闭环系统:(1)开环:电路中只有正向传输，没有反向传输，称为开环系统。(2)闭环:既有正向传输，又有反向传输的系统,称为闭环系统。,信号的正向传输,信号的正向传输,反馈传输(通路)（反馈网络）,反馈的基本概念,3.4 放大器中的反馈,*直流反馈与交流反馈:根据反馈信号的性

15、质,可以分为直流反馈和交流反馈.(1)直流反馈:只在直流通路中存在的反馈,而在交流通路中没有反馈的反馈.(2)交流反馈:只在交流通路中存在的反馈,而在直流通路中没有反馈的反馈.(3)交直流反馈:反馈量中既有直流分量也有交流分量的反馈.,反馈的类型,3.4 放大器中的反馈,*正反馈与负反馈:根据反馈效果,可分为正反馈和负反馈. (1)正反馈:输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，放大倍数增加。即Xd Xi (Xd = Xi - Xf ) . (2)负反馈:输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，放大倍数减小。即Xd Xi . (3)反馈系数:反映出反馈的大小, F=xf/xo.,反馈的类型,3

16、.4 放大器中的反馈,*电压反馈和电流反馈：根据反馈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。 (1)电压反馈:如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。 (2)电流反馈:如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。 判断方法： 假设将输出端交流短路， 如果反馈信号消失，则为 电压反馈;否则为电流反馈。 例：Re1 两端的电压与输出 信号无关，短路输出反馈 信号没消失，所以为电流 反馈。,反馈的类型,3.4 放大器中的反馈,*串联反馈和并联反馈: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.若反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和,为串联反馈；如果二者以电流

17、形式求和，为并联反馈。,反馈的类型,3.4 放大器中的反馈,*串并联类型的判断总结 (1)对于三极管电路 并联:若反馈信号与输入信号同时加在三极管的某个极,如基极或发射极，则为并联反馈。 串联:若反馈信号与输入信号分别加在两个不同的极,如一个在基极,一个加在发射极则为串联反馈。,反馈的类型,3.4 放大器中的反馈,(2)对于运放电路 并联:若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端，则为并联反馈。 串联:若反馈信号与输入信号一个加在同相端,一个加在反相端则为串联反馈。,反馈的类型,3.4 放大器中的反馈,*反馈极性判别瞬时极性法判别反馈极性的步骤： 1.设接“地”参考点的电位为零。 2.按信号

18、的放大过程,逐级推出输出信号的瞬时极性. 若电路中某点的瞬时电位高于参考点(对交流为电压的正半周)，则该点电位的瞬时极性为正(用(+)表示)；反之为负(用(-)表示)。 3.若反馈信号与输入信号加在不同输入端(或两个电极)上,两者极性相同时，净输入电压减小, 为负反馈；反之，极性相反为正反馈。 4.若反馈信号与输入信号加在同一输入端(或同一电极)上,两者极性相反时，净输入电压减小, 为负反馈；反之，极性相同为正反馈。,反馈极性的判断,3.4 放大器中的反馈,*极性正、负判断的原则： 对分立元件而言，C与B极性相反，E与B极性相同。 对集成运放而言， uO与uN极性相反(uN又叫反向输入端，也可

19、用“-”表示)， uO与uP极性相同(uP又叫同向输入端，也可用“+”表示)。,反馈极性的判断,3.4 放大器中的反馈,*反馈的极性判别举例: (1)用瞬时极性判断极性如图; (2)反馈采样信号是电流(输出对地短路判断); (3)反馈在输入端是串联(信号加在不同的端口)； (4)反馈是抵消作用，是负反馈； (5)反馈信号包括交直流； (6)引入直流负反馈的目的： 稳定静态工作点; (7)引入交流负反馈的目的： 改善放大电路的性能(减小失真); (8)如果加交流旁路电容， 可消除交流反馈。,反馈极性的判断,3.4 放大器中的反馈,*反馈类型:从输入端看,反馈有串联和并联两种方式,从输出端看,有电

20、流和电压两种方式.所以,反馈可以组成四种型式,电压串联型,电压并联型,电流串联型和电流并联型. (1)电压串联负反馈反馈信号与输出电压成正比(输出短路,反馈电压为0)，放大器的净输入电压等于输入电压与反馈电压之差。电压负反馈的特性： 负载变化时，稳定输出电压。 对于电压源来说，等效于输 出电阻下降。,负反馈放大器的组态,3.4 放大器中的反馈,(2)集成运放的电压串联负反馈形式 反馈信号与输出电压成正比，集成运放的净输入电压等于输入电压与反馈电压之差： 反馈电压为: 开环(无反馈)电压增益： 闭环电压增益： 反馈系数：,负反馈放大器的组态,3.4 放大器中的反馈,(3)电压并联负反馈反馈信号与

21、输出电压成正比(输出端短路反馈电压为0)，放大器净输入电流等于外加输入电流与反馈电流之差.从输入端看:id =ib = is if , 故为并联负反馈。从输出端看 反馈电流： 与电压成比例,因此 是电压反馈.所以该 电路为电压并联负 反馈.,负反馈放大器的组态,3.4 放大器中的反馈,(4)集成运放的电压并联负反馈形式从输入端看: 故为并联负反馈。 反馈电流(利用虚地,V+=V-0)： ，故为电压负反馈。 放大倍数(开环互阻增益)： 放大倍数(闭环互阻增益)： (互导)反馈系数：,负反馈放大器的组态,3.4 放大器中的反馈,(5)电流串联负反馈反馈信号与输出电流成正比(输出短路反馈信号不为0)

22、，净输入电压等于外加输入信号与反馈信号之差。在输入端有ud = ui uf , 所以,是并联负反馈。因为反馈量uf=ioRf=icRe与输出电流成比例,所以是电流反馈。引入电流负反馈的目的是当负载变化时,输出电流保持稳定。对于电流源来说，等效于输出电阻提高。,负反馈放大器的组态,3.4 放大器中的反馈,(5)集成运放的电流串联负反馈形式从输入端看， ,输出短路,反馈不消失,故为串联电压负反馈。 反馈电压： 闭环互导增益： 开环互导增益: 互阻反馈系数：,负反馈放大器的组态,3.4 放大器中的反馈,(7)电流并联负反馈反馈信号与输出电流成正比(输出短路反馈不为0)，输入端净输入电流等于外加输入信

23、号与反馈信号之差。因为,id =ib1 = is - if, 所以,是并联负反馈。引入电流负反馈的目的是当负载变化时，输出电流保持稳定。对于电流源来说，等效于输出电阻提高。,负反馈放大器的组态,3.4 放大器中的反馈,(8)集成运放的电流并联负反馈形式从输入端看， ，故为并联负反馈。 反馈电流： (R3与RF并联分流) 电流放大倍数(闭环电流增益)： 电流增益(开环电流增益): 反馈系数：,负反馈放大器的组态,3.4 放大器中的反馈,*负反馈放大器增益: 反馈后的输入量: xid = xi - xf ; 开环增益:A=xo / xid ; 反馈系数:F=xf / xo ; 环路放大倍数：AF=

24、xf / xid ; 闭环增益(负反馈放大器增益): Af =xo / xi = xo / (xid +xf) = Axid /(xid +AFxid) Af =A/(1+AF) , |1+AF|叫做反馈深度； 深度负反馈条件:|1+AF|1, 有f A/AF=1/F ; 负反馈条件:|1+AF|1, |f|； 自激振荡条件:|1+AF|=0, |f|.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,负反馈放大器的组态,.,.,.,3.4 放大器中的反馈,*负反馈放大器对稳定性的影响提高稳定性 稳定性的定义增益的相对变化率，dA/A越小，稳定性就越好。根据关系Af=A/（1+AF），对A求导，得

25、 dAf/A=1/(1+AF)2;可以得到 dAf/Af= (dA/A)(1/(1+AF). 式中dA/A为无反馈的相对变化率, 式子表明，有反馈的稳定性是无反馈的稳定性的1/(1+AF)倍。 因为，1+AF1,所以，dAf/Af (dA/A). 说明有反馈的增益的相对变化率要小于无反馈的很多倍。那么有反馈的稳定性要远远大于无反馈的稳定性.,负反馈对电路性能影响,3.4 放大器中的反馈,*负反馈放大器对输入电阻和输出电阻的影响: 1. 串联负反馈能使电路的输入电阻增加 无负反馈时： 有负反馈时： 在同样的 ib下，ui= ube + uf ube， 所以 rif 提高了(|1+F|倍)。,.,

26、负反馈对电路性能影响,3.4 放大器中的反馈,*负反馈放大器对输入电阻和输出电阻的影响: 2. 并联负反馈能使电路的输入电阻减小 无负反馈时： 有负反馈时： 在同样的ube下，ii = ib + if ib， 所以 rif 降低了(1/|1+F|倍)。,.,负反馈对电路性能影响,3.4 放大器中的反馈,*负反馈放大器对输入电阻和输出电阻的影响: 3. 电压负反馈使电路的输出电阻减小 设输入信号为零,放大电路的输出电阻定义为： 可见,引入电压负反馈后,放大电路的输 出电阻减小到无反馈时的 倍。,负反馈对电路性能影响,3.4 放大器中的反馈,*负反馈放大器对输入电阻和输出电阻的影响: 4. 电流负

27、反馈使电路的输出电阻增大 按前面相同的方法,得到 可见,引入电压负反馈后,放大电路的输出电阻增大到无反馈时的 倍 。,负反馈对电路性能影响,3.4 放大器中的反馈,*四种负反馈对 ri 和 ro 的影响总结:,负反馈对电路性能影响,3.4 放大器中的反馈,*扩展放大器的通频带: 放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。可以证明：fbwf = (1+AF) fbw. 即,扩展了(1+AF) 倍.放大器的一个重要特性：增益与通频带之积为常数。 即： Amf fbwf= Am fbw,无反馈时放大器的通频带： fbw= f HfL f H 有反馈时放大器的通频带： fbwf= f HffL

28、f f Hf,.,.,.,.,负反馈对电路性能影响,3.4 放大器中的反馈,*改善放大器的非线性失真: 放大电路加入负反馈后，能减少环内放大电路产生的失真,比如无负反馈时产生正半周大负半周小的失真。加入反馈后,这种失真反馈到输入端,与输入信号反相叠加，得到的净输入信号为正半周小而负半周大。刚好弥补这种失真. 但是,如果输入波形本身就是失真的，即使引入负反馈，也无济于事。,负反馈对电路性能影响,3.5 集成运算放大器,*集成运放一种高放大倍数,高输入阻抗,低输出阻抗的多级直接耦合放大器.是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,集成运放基本概念,3.5 集成运算放大器,*集成运算放大器符号:

29、国内标准符号： 国内外常用符号:,集成运放基本概念,3.5 集成运算放大器,*集成运算放大器主要参数 (1)开环差模电压放大倍数 Aod :无反馈时的差模电压增益。 一般Aod在100120dB左右(105倍)，高增益运放可达140dB以上.Aod愈高,所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 (2)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的峰-峰值。一般其幅值比电源电压小12v. (3)差模输入电阻rid :是反向输入端与同向输入端对差模信号源表现出的等效电阻. 双极型管输入级约为105106欧姆,场效应管输入级可达109欧姆以上.理想运放可以当成无穷大.,集成运放

30、基本概念,3.5 集成运算放大器,集成运放基本概念,3.5 集成运算放大器,集成运放基本概念,3.5 集成运算放大器,*集成运算放大器的模型和电压传输特性 (1)理想模型:在低频情况下，忽略失调电压电流及温漂等因素的影响，运放可以看成一个高开环放大倍数(Aod106)，高输入电阻(106),低输出电阻(100)的电压放大器.,集成运放基本概念,3.5 集成运算放大器,*集成运算放大器的模型和电压传输特性 (2)电压传输特性是输出电压与差模输入电压之间的关系：uo=f(uid). *线性区：当-usat +usat 时， uo = +Uom Uid -usat 时， uo = Uom . 运放的

31、Aod越大，线性范围 越小，很容易进入饱和状 态。要让运放稳定工作在 线性区，必须引入负反馈。,集成运放基本概念,3.6 理想运算放大器,理想运放指标,*理想运算放大器的指标 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(差模)输入电阻rid; 3.(开环)输出电阻ro0; 4.共模抑制比KCMRR; 5.输入失调电流IIO=0; 6.输入偏置电流IIB=0; 7.输入失调电压UIO=0;,3.6 理想运算放大器,线性工作区特点,*理想运放工作在线性区特点 (1)“虚短”的意义:指的是差模输入电压约等于 0.因为 uo

32、= Aod(u+ u ), uid=u+ u = uo/Aod0, 有u+ u ,好像2个输入端短路似的,故称“虚短”. (2)“虚断”的意义:因为差模输入电阻rid, i+= i =(u+ u )/rid 0 ，好像2个输入端断开似的，故称为“虚断”。 (3)“虚短”和“虚断”是分析运放工作在 线性区的重要方法,应用该方法,很方便 计算出输入和输出的关系.,3.6 理想运算放大器,非线性工作区特点,*理想运放工作在非线性区的特点:当运放未引入负反馈,或引入正反馈,此时,电路工作在饱和状态. (1)在饱和状态不存在 “虚短”现象. 输出只有两种可能, +Uom 或Uom. 这时,输入不再近似相

33、等,只要二者有很小的差值,输出就很快到达正负饱和值,即 当 u+ u 时， uo = + Uom u+ u 时， uo = Uom (2)仍存在“虚断”现象.这是因为, 差模输入电阻仍然很大,电路输 入电流几乎为零: i+= i 0.,3.7 基本运算电路,理想运算的应用,*集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路

34、的结构形式，就可以实现不同的运算。,3.7 基本运算电路,比例运算,1.反相比例运算 (1)电路组成：因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 / Rf。 (2)分析: 根据“虚短”和“虚断”知，i+= i 0，u+ u0 , 有i1= if ，则,3.7 基本运算电路,(2)分析： 上式表明，输出与输入成比例，且相位相反。当Rf=R1时，为反向电路。 由于同向端接地, 根据“虚短”知，u+ u0 , 称为反相输入端“虚地”,这是反相输入的一个重要特点. (3)反向比例运算的特点: *在深度负反馈的条件下,输入电阻ri=ui/i1=R1. *由于是电压并联负反馈,运

35、放本身输出电阻很小,所以,电路输出电阻几乎为零. *由于“虚地”的原因,输入的共模电压几乎为零. *Auf 只与外部电阻 R1、Rf 有关，与运放本身参数无关。,比例运算,3.7 基本运算电路,2.同相比例运算 (1)电路组成：因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 / Rf。 (2)分析: 根据“虚断” 和“虚短”知，i+= i 0，ui=u+ u (此时,u+不虚地,因为输出不为0,u-不为0) ,有i1= if ，则,uo,比例运算,3.7 基本运算电路,上式表明，输出与输入成比例，且相位相同。由于反向端接地, 所以反相输入端没有“虚地”这个概念. (3)同

36、向比例运算的特点: *该电路是电压串联负反馈,输入电阻ri=ui/i+.输出电阻r0=0. *由于u-=u+=ui0的原因,输入的共模电压存在,并且共模输入电压可能较高。故该电路不如反向比例用得多. *Auf 只与外部电阻 R1、Rf 有关，与运放本身参数无关。 *当Rf=0,且R1,得到uo = ui ， Auf = 1， 叫做电压跟随器. 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,有很强的带负载 能力。,比例运算,3.7 基本运算电路,加减运算,1.加法运算 (a)反相加法运算电路 (1)电路组成：因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R

37、 = R1/ R2 / Rf。 (2)分析: 根据“虚断”和“虚短”知，i+= i 0，u+ u 0 ,所以 ii1+ ii2 = if ,则,3.7 基本运算电路,(2)由上面得 从这显然看出,输出电压等于输入的和.负号是反向的结果.如果,R1=R2=Rf,则u0=-(ui1+ui2).,加减运算,3.7 基本运算电路,(b)同相加法运算电路 结果表达式比较复杂,一般很少直接用.通常是用2级反相运算来实现同相加法运算.前级反相加法,后级反相比例,取放大倍数为1.直接用的结果是(利用虚短u+ u) 解得,加减运算,3.7 基本运算电路,2.减法运算 减法运算电路不同于加法电路,只有一种应用方式

38、,必须2个端口都用上.即用差动输入的方式,这样才能产生减法的作用. (1)电路组成：根据平衡关系，得到 R2 / R3 = R1 / R4。 (2)电路分析：分析方法有2种， 一是采用叠加原理，二是直接 计算。教材给出了叠加原理， 下面给出直接计算法。,加减运算,3.7 基本运算电路,(2)电路分析直接计算法。 由虚断(i+= i 0)可得： 由虚短(u+=u-)可得： 如果取 R1 = R2 ，R3 = R4 ,有 如取 R1 = R2 = R3 = RF ,有u0=ui2-ui1, 得到输出与两个输入信号的差值成正比。,加减运算,3.7 基本运算电路,积分和微分运算,*积分和微分是控制和波

39、形产生及其变换电路中常用的运算. 1.积分运算 由虚断和虚短(u+=u-),可知输入端为虚地.可推出输出电压:,3.7 基本运算电路,1.积分运算 当电容CF的初始电压为 uC(t0) 时，有 若电容CF的初始电压为 零,有 说明输出是输入对时间的积分.负号表明反相的关系.,积分和微分运算,3.7 基本运算电路,若输入信号电压为恒定直流量，即 ui= Ui 时，有 输出呈现一个斜线,输出达到饱和后,积分停止,输出保持不变.,积分和微分运算,3.7 基本运算电路,*积分电路特点和应用: (1)采用集成运算组成的积分电路,由于充电电流基本上是恒定的，故 uo 是时间 t 的一次函数，有很好的线性度

40、。 (2)很方便实现三角波,锯齿波.,积分和微分运算,3.7 基本运算电路,(3)将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。此时的输出电压是对输入电压的比例-积分.这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。根据虚地原理,可推出电压输出的形式如下:,积分和微分运算,3.7 基本运算电路,2.微分运算 由虚断(i1 = if)和虚短可知输入端为虚地(u+u-0).可推出输出的电流和电压的关系: 说明输出是输入对时间的微分.负号表明输入在反相端.,积分和微分运算,3

41、.7 基本运算电路,2.微分运算 输入输出关系是微分的形式:,积分和微分运算,3.7 基本运算电路,*微分电路应用: 比例-微分运算电路PD调节器.其输出电压是对输入电压的比例-微分形式.控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。根据虚地原理, 可以推出电路的输出形式为:,积分和微分运算,3.8 电压比较器,电压比较器概况,*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，由高电平变成低电，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

42、，以及波形产生及变换等场合 。 *运放工作特征: 用于电压比较器的运放, 必须工作在开环状态或引入正反馈。由于u+和u-=均有输入, 所以,只有虚断的情况没有虚短(u+=u-=0)的情况.输出只有两种可能 +Uom 或 Uom. 当 u+ u 时， uo = + Uom u+ u 时， uo = Uom,3.8 电压比较器,基本电压比较器,*基本(单门限)电压比较器只有一个参考电压(阈值电压)的比较器.阈值电压(门限电平)是输出跃变所对应的输入电压。电路中运放处于开环状态,在 ui =UR 处,输出电压 uo 发生跃变。当u+u 时，即uiUR 时，uo = Uom .,3.8 电压比较器,同

43、相电压比较器,*同相电压比较器与基本比较器一样,不同的是,反相端接参考电位UR, 同相端接输入ui. 当u+u 时，即ui UR 时，uo = + Uom .,3.8 电压比较器,过零电压比较器,*过零电压比较器与基本比较器一样,不同的是,参考电位UR=0. 可以是同相,也可以是反相.对于同相,有 当u+u 时，即ui 0 时，uo = + Uom .,3.8 电压比较器,限幅电压比较器,*限幅电压比较器是具有保护功能的单限比较器.与基本比较器不同的是,在输入端口或输出端口接有二极管或稳压二极管.其作用是用来保护或限制电压幅度的. 可以是同相,也可以是反相. (1)反相单向稳压管限幅电路(利用

44、正向导通,反向击穿) 作用:用来稳定或限制输出电压的大小,以便与负载电平配合. 当u+u 时，即uiUR 时，uo = + 0 .,3.8 电压比较器,(2)反相双向限幅电路 作用:用来稳定或限制输出电压的大小,以便与负载电平配合. 当u+u 时，即uiUR 时，uo = -Uom . 设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降 则 ui UR，DZ2通, DZ1工作, uo = UZ.,限幅电压比较器,3.8 电压比较器,(3)输入保护反相双向限幅电路 作用:除了输出限幅外,在输入端增加了限幅保护.防止输入电压过高或过低损坏运放.,限幅电压比较器,3.8 电压比较器,滞回电压比较器,

45、1.基本(单限)电压比较器的缺陷 单门限比较器的优点是灵敏度比较高,但是,也有一个致命的缺点就是抗干扰性差.例如,在某个门限电压附近,有些干扰,那么就会导致输出出现错误.为此,实际工程中更多的是用滞回比较器(或称迟滞比较器),3.8 电压比较器,2.无参考电压的滞回比较器 (1)电路组成 因为有正反馈，所以输出为饱和值。由于阈值电压与输出有关,所以,电路有2个阈值. (2)阈值电压 当uo正饱和时(uo =+UOM),阈值电压: 当uo负饱和时(uo =-UOM), 阈值电压:,滞回电压比较器,3.8 电压比较器,2.无参考电压的滞回比较器 (3)传输特性 设初始值: uo =+UOM , U

46、+= UT+。当ui UT+, uo从+UOM -UOM. 这时, uo =-UOM , U+= UT-。 如果ui , 当ui = UT-, uo从-UOM +UOM。 所以，可以看出，输出不再是一个折 线，而是一个回线。成回线的原因是 阈值不是一个定值，而是UT。其中 +UT= UT+叫做上门限。-UT= UT-叫做 下门限。UT+- UT-称为回差(门限宽度)。,滞回电压比较器,3.8 电压比较器,3.有参考电压的滞回比较器 (1)电路组成 与无参考电压的电路比较，不同之处是参考电压不为0。另外, 因为有限幅输出，所以输出饱和值为UZ。阈值电压也有2个. (2)阈值电压 当uo正输出时(

47、uo =+UZ),上门 限电压UT+为(根据叠加原理):,滞回电压比较器,3.8 电压比较器,3.有参考电压的滞回比较器 (2)阈值电压 当uo负输出时(uo =-UZ),下门限电压UT-为(由叠加原理得),滞回电压比较器,3.8 电压比较器,3.有参考电压的滞回比较器 (3)传输特性 阈值也不是一个定值，而是URUT。其中 对比无参考电压的滞回比较器 其上下门限向水平方向平移了 UR单位。 门限宽度：UT+- UT-=2UT。,滞回电压比较器,3.8 电压比较器,4.滞回比较器的优点和用途 滞回比较器虽然灵敏度低了，但是有比较高的抗干扰能力。,滞回电压比较器,3.8 电压比较器,4.滞回比较

48、器的优点和用途 在波形整形，波形变换，以及获得非正弦波方面应用广泛。,滞回电压比较器,3.9 运放在测量方面的应用,信号测量意义,在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等) 的变化转换为电信号(电压或电流) ，然后输入系统。但这种非电量的变化是缓 慢的，电信号的变化量常常很小 ( 一般只有几毫伏到几十 毫伏)，所以要将电信号加以放大。 测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。 一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。也就是说,仪器所用的放大器(IA),比普通的运放(OA)要求更高，性能更好。,3.9 运放在测量方面的应用,测量放大器优点,*测量(仪器)放大器(Instrumentation Amplifiers)与普通运放(Operation Amplifiers)的区别 IA模块是以OA为基础构成的具有差分输入，单端输出的闭环增益的固定电路模块。使