chapter16集成運算放大器.ppt

1、第16章 集成運算放大器,16.1 集成運算放大器的簡單介紹,16.2 運算放大器在信號運算方面的應用,16.4 運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應用,16.8 使用運算放大器應注意的幾個問題,16.6 集成功率放大器,16.5 運算放大器在信號測量方面的應用,16.3 運算放大器在信號處理方面的應用,16.7 運算放大電路中的負反饋,1. 了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義。 2. 理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想 運算放大器并掌握其基本分析方法。 3. 理解用集成運放組成的比例、加減、微分和 積分運算電路的工作原理，了解有源濾波器 的工作原理。 4. 理解電壓比較器的工作原理和應用。,

2、本章要求,第16章 集成運算放大器,16.1 集成運算放大器的簡單介紹,16.1.1 集成運算放大器的特點,集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。,特點：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,Auo 高: 80dB140dB rid 高: 105 1011 ro 低: 幾十 幾百 KCMR高: 70dB130dB,16.1.2 電路的簡單說明,輸入級,中間級,輸出級,同相 輸入端,輸出端,反相 輸入端,輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差放 。 中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電

3、路構成。 輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。,16.1.3 主要參數(shù),1. 最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。,2. 開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。,6. 共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。,愈小愈好,3. 輸入失調(diào)電壓 UIO 4. 輸入失調(diào)電流 IIO 5. 輸入偏置電流 IIB,16.1.4 理想運算放大器及其分析依據(jù),1. 理想運算放

4、大器,Auo ， rid ， ro 0 ， KCMR ,2. 電壓傳輸特性 uo= f (ui),線性區(qū)： uo = Auo(u+ u),非線性區(qū)： u+ u 時， uo = +Uo(sat) u+ u 時， uo = Uo(sat),線性區(qū),理想特性,實際特性,飽和區(qū),O,3. 理想運放工作在線性區(qū)的特點,因為 uo = Auo(u+ u ), Auo ,所以(1) 差模輸入電壓約等于 0 即 u+= u ,稱“虛短”,(2) 輸入電流約等于 0 即 i+= i 0 ,稱“虛斷”,電壓傳輸特性,Auo越大，運放的 線性范圍越小，必 須加負反饋才能使 其工作于線性區(qū)。,O,因為 rid ,4.

5、 理想運放工作在飽和區(qū)的特點,(1) 輸出只有兩種可能: +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+= i 0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象,電壓傳輸特性,當 u+ u 時， uo = + Uo(sat) u+ u 時， uo = Uo(sat) 不存在 “虛短”現(xiàn)象,16.2 運算放大器在信號運算方面的運用,集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體器件等構成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。,運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關系基本決定于反饋電路和輸入電路的結構和參數(shù)，而與運算放大器本身的參數(shù)

6、關系不大。改變輸入電路和反饋電路的結構形式，就可以實現(xiàn)不同的運算。,16.2.1 比例運算,1. 反相比例運算,（1）電路組成,以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。,（2）電壓放大倍數(shù),因虛短, 所以u=u+= 0， 稱反相輸入端“虛地” 反相輸入的重要特點,因虛斷，i+= i = 0 ，,所以 i1 if,因要求靜態(tài)時u+、 u 對地電阻相同，所以 平衡電阻 R2 = R1 / RF,動畫,結論：, Auf為負值，即 uo與 ui 極性相反。因為 ui 加 在反相輸入端。, Auf 只與外部電阻 R1、RF 有關，與運放本 身參數(shù)無關。, | Auf | 可大于 1，也可等于 1

7、或小于 1 。, 因u= u+= 0 ， 所以反相輸入端“虛地”。,例：電路如下圖所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：1. Auf 、R2 ； 2. 若 R1不變，要求Auf為 10，則RF 、 R2 應為 多少？,解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5,R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k,2. 因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k,2. 同相比例運算,因虛斷，所以u+ = u

8、i,（1）電路組成,（2）電壓放大倍數(shù),因虛短，所以 u = ui ，反相輸入端不“虛地”,因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同， 所以平衡電阻R2=R1/RF,結論：, Auf 為正值，即 uo與 ui 極性相同。因為 ui 加 在同相輸入端。, Auf只與外部電阻 R1、RF 有關，與運放本 身參數(shù)無關。, Auf 1 ，不能小于 1 。, u = u+ 0 ，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。,當 R1= 或 RF = 0 時，,uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。,由運放構成的電壓跟 隨器輸入電阻高、輸出 電阻低，其跟隨性能比 射極輸出器更好。,左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個電

9、阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓 uo不會隨之變化。,16.2.2 加法運算電路,1. 反相加法運算電路,因虛短, u= u+= 0,平衡電阻： R2= Ri1 / Ri2 / RF,因虛斷，i = 0,所以 ii1+ ii2 = if,動畫,2. 同相加法運算電路,方法1: 根據(jù)疊加原理 ui1單獨作用(ui20)時，,同理，ui2單獨作用時,動畫,方法2：,平衡電阻： Ri1 / Ri2 = R1 / RF,u+,u+=?,也可寫出 u和 u+的表達式，利用 u= u+ 的性質(zhì)求解。,1. 輸入電阻低； 2. 共模電壓低； 3. 當改變某一路輸入電阻時， 對其它

10、路無影響；,同相加法運算電路的特點： 1. 輸入電阻高； 2. 共模電壓高； 3. 當改變某一路輸入電阻時， 對其它路有影響；,反相加法運算電路的特點：,16.2.3 減法運算電路,由虛斷可得：,由虛短可得：,分析方法1：,如果取 R1 = R2 ，R3 = RF,如 R1 = R2 = R3 = RF,R2 / R3 = R1 / RF,輸出與兩個輸入信號的差值成正比。,常用做測量 放大電路,動畫,分析方法2：利用疊加原理 減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。,u+,16.2.4 積分運算電路,由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i1 = if,if =?,當電容CF的初始電壓為

11、 uC(t0) 時，則有,動畫,若輸入信號電壓為恒定直流量，即 ui= Ui 時，則,積分飽和,線性積分時間,線性積分時間,Uo(sat),ui = Ui 0,ui = Ui 0,采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故 uo 是時間 t 的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。,輸出電壓隨時 間線性變化,Ui,Ui,將比例運算和積分運算結合在一起，就組成 比例-積分運算電路。,電路的輸出電壓,上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分,這種運算器又稱 PI 調(diào)節(jié)器, 常用于控制系統(tǒng)中, 以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變 RF 和 CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù),

12、以滿足控制系統(tǒng)的要求。,16.2.5 微分運算電路,由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i1 = if,Ui,Ui,動畫,比例-微分運算電路,上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分,控制系統(tǒng)中， PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應速度和工作穩(wěn)定性。,PD調(diào)節(jié)器,if,16.3 運放在信號處理方面的應用,16.3.1 有源濾波器,濾波器是一種選頻電路。 它能選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。,無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。,有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。,缺點：低頻時體積大，很難

13、做到小型化。,優(yōu)點：體積小、效率高、頻率特性好。,按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。,1. 有源低通濾波器,設輸入為正弦波信號, 則有,故：,若頻率 為變量，則電路的傳遞函數(shù),其模為,當 0時，| T(j)| 衰減很快,顯然，電路能使低于0的信號順利通過，衰減很小，而使高于0的信號不易通過，衰減很大，稱一 階有源低通濾波器。,為了改善濾波效果，使 0 時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。,2. 有源高通濾波器,設輸入為正弦波信號，則有,故：,可見，電路使頻率大于0 的信號通過 ，而小于0 的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。,若頻率 為

14、變量，則電路的傳遞函數(shù),其模為,模擬開關,模擬輸入信號,1. 電路,16.3.2 采樣保持電路,采樣保持電路，多用于模 - 數(shù)轉換電路（A/D）之前。由于A/D 轉換需要一定的時間，所以在進行A/D 轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D 轉換電路的需要。,用于數(shù)字電路、計算機控制及程序控制等裝置中。,采樣存儲 電容,控制信號,電壓跟隨器,2. 工作原理,16.3.2 采樣保持電路,1. 電路,采樣階段： uG為高電平， S 閉合(場效應管導通)， ui對存儲電容C充電， uo= uC = ui 。,保持階段： uG為 0， S 斷開(場效應管截止)，輸出 保持該

15、階段開始瞬間的值不變。,采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。,16.3.3 電壓比較器,電壓比較器的功能： 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的 大小和極性。,用途： 數(shù)模轉換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。,運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。,理想運放工作在飽和區(qū)的特點：,1. 輸出只有兩種可能 +Uo (sat) 或Uo (sat) 當 u+ u 時， uo = +Uo (sat) u+ u 時， uo = Uo (sat) 不存在 “虛短”現(xiàn)象

16、 2. i+= i 0 仍存在“虛斷”現(xiàn)象,電壓傳輸特性,電壓傳輸特性,Uo(sat),+Uo(sat),運放處于開環(huán)狀態(tài),1. 基本電壓比較器,閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應的輸入電壓。,當 u+u 時，uo= +Uo (sat) u+u 時，uo= Uo (sat),即 uiUR 時，uo = Uo (sat),可見，在 ui =UR 處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。,參考電壓,動畫,單限電壓比較器： 當 ui 單方向變化時， uo 只變化一次。,ui UR，uo=+ Uo (sat) ui UR，uo= Uo (sat),輸入信號接在反相端,輸入信號接在同相端,輸入信號接在反相端,輸入

17、信號接在同相端,輸出帶限幅的電壓比較器,設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ， 忽略穩(wěn)壓管的正向導通壓降 則 ui UR，uo = UZ,uiUR 時，uo = Uo (sat),過零電壓比較器,利用電壓比較器 將正弦波變?yōu)榉讲?2. 滯回比較器,上門限電壓,下門限電壓,電路中引入正反饋 (1) 提高了比較器的響應速度； (2) 輸出電壓的躍變不是發(fā)生 在同一門限電壓上。,當 uo = + Uo(sat)， 則,當 uo = Uo(sat)， 則,門限電壓受輸 出電壓的控制,R2,上門限電壓 U+ ： ui 逐漸增加時的門限電壓,下門限電壓U+： ui 逐漸減小時的門限電壓,兩次跳變之間具有遲 滯特性滯回

18、比較器,根據(jù)疊加原理，有,改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動。,當參考電壓UR不等于零時,定義：回差電壓,與過零比較器相比具有以下優(yōu)點： 1. 改善了輸出波形在躍變時的陡度。 2. 回差提高了電路的抗干擾能力，U越大，抗干擾 能力越強。,結論： 1. 調(diào)節(jié)RF 或R2 可以改變回差電壓的大小。 2. 改變UR可以改變上、下門限電壓， 但不影回差 電壓U。,電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測、自動控制、超限控制報警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應用。,解：對圖（1） 上門限電壓,下門限電壓,例：電路如圖所示，Uo(sat) =6V，UR = 5V， RF = 20k，R2 =10k，求上、下門限電壓。,（1

19、）,（2）,解：對圖（2）,例：電路如圖所示，Uo(sat) =6V，UR = 5V， RF = 20k，R2 =10k，求上、下門限電壓。,（1）,（2）,（1）,（2）,16.4 運放在波形產(chǎn)生方面的應用,波形發(fā)生器的作用： 產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。 特點：不用外接輸入信號，即有輸出信號。,16.4.1 矩形波發(fā)生器,1. 電路結構,由滯回比較器、,RC充放電電路組成，,電容電壓uC 即是比較器的輸入電壓，,2. 工作原理,設電源接通時， uo = +Uo(sat) ，uC(0) = 0。,電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。,uo 通過 RF

20、 對電容C充電， uC 按指數(shù)規(guī)律增長。,充電,當 uo = +Uo(sat)時，電容充電， uC上升，,電容放電， uC下降，,當uC= UR 時，uo 跳變成 Uo(sat),當 uC= UR 時，uo 跳變成 +Uo(sat) ，電容又重新充電。,放電,2. 工作原理,動畫,3. 工作波形,T = T1+T2,電容充放電過程，uC 的響應規(guī)律為,4. 周期與頻率,在充電過程中,在放電過程中,矩形波的周期,矩形波的頻率,充放電時間常數(shù)相同： = RC,矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號源,A1：滯回比較器 因 u = 0 ， 所以當 u+ = 0 時， A1狀態(tài)改變,16.4.3 三角波發(fā)生器

21、,1. 電路結構,A2：反相積分電路,2. 工作原理,A1：滯回比較器 因 u- = 0 ，所以當 u+ = 0時，A1狀態(tài)改變,輸出 uo1 改變(+UZ 躍變到UZ 或 UZ 躍變到 +UZ)，,當,同時積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。,動畫,3. 工作波形,4. 周期與頻率,T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2,(1) 改變比較器的輸出 uo1、電阻R1 、R2 即可改變?nèi)遣ǖ姆怠?(2) 改變積分常數(shù)RC 即可改變?nèi)遣ǖ念l率。,動畫,16.4.3 鋸齒波發(fā)生器,1. 電路,三角波發(fā)生器,在三角波發(fā)生器的電路中，使積分電路的正、反向積分的時間常數(shù)不同，即可使其 輸出鋸齒

22、波。,2. 波形,16.4.3 鋸齒波發(fā)生器,1. 電路,動畫,16.5 運放在信號測量方面的應用,在自動控制和非電測量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、應變、壓力和流量等) 的變化轉換為電信號(電壓或電流) ，而后輸入系統(tǒng)。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號的變化量常常很小 ( 一般只有幾毫伏到幾十毫伏)，所以要將電信號加以放大。 測量放大電路的作用是將測量電路或傳感器送來的微弱信號進行放大，再送到后面電路去處理。 一般對測量放大電路的要求是輸入電阻高、噪聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、線性度好、失調(diào)小、并有一定的抗干擾能力。,測量放大器的原理電路,對A1和A2有,對A

23、3有,改變R1的阻值，即可調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù),16.6 集成功率放大器,使喇叭相當于純電阻負載,去耦，防止低頻自激,消振，防止高頻自激,集成功放LM386接線圖,特點: 工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當連線，即可向負載提供一定的功率。,16.7 運算放大器電路中的負反饋,16.7.1 并聯(lián)電壓負反饋,設輸入電壓 ui 為正，,差值電流 id = i1 if,各電流的實際方向如圖,if 削弱了凈輸入電流(差值電流) 負反饋,反饋電流,取自輸出電壓電壓反饋,反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較并聯(lián)反饋,特點：輸入電阻低、輸出電阻低,16.7.2 串聯(lián)電壓負反饋,設輸入電壓 ui 為正，,差值電壓 ud =ui uf,各電壓的實際方向如圖,uf 削弱了凈輸入電壓(差值電壓) 負反饋,反饋電壓,取自輸出電壓電壓反饋,反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較 串聯(lián)反饋,特點：輸入電阻高、輸出電阻低,16.7.3 串聯(lián)電流負反饋,設輸入電壓 ui 為正，,差值電壓 ud =ui uf,各電壓的實際方向如圖,uf 削弱了凈輸入電壓(差值電壓) 負反饋,反饋電壓,取自輸出電流 電流反饋,反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較 串聯(lián)反饋,uf =Rio,特點：輸出電流 io 與負載電阻RL無關 同相輸入恒流源