集成運(yùn)放與其應(yīng)用PPT課件

1、6.1理想的集成運(yùn)放理想的集成運(yùn)放一、集成運(yùn)算放大器符號(hào)+Aod 其內(nèi)部是一個(gè)以差分放大電路為輸入級(jí)的多級(jí)直接耦合放大電路v- -v+ +vo o+- -第1頁(yè)/共35頁(yè)二、電路原理圖圖圖 1F007 電路原理圖電路原理圖第2頁(yè)/共35頁(yè)三、理想運(yùn)放的傳輸特性三、理想運(yùn)放的傳輸特性+UOMuOu+- -u- -O- -UOM理想特性理想運(yùn)放理想運(yùn)放工作區(qū)：線性區(qū)和非線性區(qū)第3頁(yè)/共35頁(yè)6.1.2理想運(yùn)放理想運(yùn)放一、理想運(yùn)放的性能指一、理想運(yùn)放的性能指標(biāo)標(biāo)開(kāi)環(huán)差模電壓增益 Aod = ；輸出電阻 ro = 0；共模抑制比 KCMR = ；差模輸入電阻 rid = ；UIO = 0、IIO =

2、0、 UIO = IIO = 0；輸入偏置電流 IIB = 0；- - 3 dB 帶寬 fH = ，等等。第4頁(yè)/共35頁(yè)二、理想運(yùn)放在線性工作區(qū)二、理想運(yùn)放在線性工作區(qū)輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即)(odO- - - - uuAu- -u uOu- -i i+Aod理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：1. 理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零0)(odO - - - Auuu即- - uu“虛短”0-uu“虛地”如第5頁(yè)/共35頁(yè)2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于 rid = ，兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即0 - - ii“虛斷”三、理想運(yùn)放的非線性工作區(qū)三、理想運(yùn)放的非線性工作區(qū)+UOM

3、uOu+- -u- -O- -UOM理想特性工作在線性區(qū)的條件：工作在線性區(qū)的條件：電路引入負(fù)反饋電路引入負(fù)反饋第6頁(yè)/共35頁(yè)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：當(dāng) u+ u-時(shí)，uO = + UOM當(dāng) u+ u-時(shí), uO = - - UOM1. uO 的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，( (u+ - - u-) )可能很大，即 u+ u-。 “虛地”不存在2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零0NPii運(yùn)放工作在非線性區(qū)條件：電路開(kāi)環(huán)或引入正反饋第7頁(yè)/共35頁(yè)一般來(lái)說(shuō)運(yùn)放沒(méi)有引入負(fù)反饋工作在線性區(qū)的范圍將很小。 實(shí)際運(yùn)放 Aod ，當(dāng) u+ 與 u-差值很小時(shí)，仍有 Aod (u+- - u- )，運(yùn)放工

4、作在線性區(qū)。例如：F007 的 UoM = 14 V，Aod 2 105 ，線性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍V70102V 145odOM-AUuuNPuOuP- -uN NO實(shí)際特性非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)第8頁(yè)/共35頁(yè)6.2基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路 集成運(yùn)放的應(yīng)用首先表現(xiàn)在它能夠構(gòu)成各種運(yùn)算電路上。 在運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放必須工作在線性區(qū)，在深度負(fù)反饋條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算?；具\(yùn)算電路包括：比例、加減、積分、微分、對(duì)數(shù)、指數(shù)6.2.1比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路幾點(diǎn)說(shuō)明：第9頁(yè)/共35頁(yè)* R2 = R1 / RF由于“虛斷”，i+= 0，u+ = 0；由于“虛短”， u- - = u+ = 0“

5、虛地”由 iI = iF ，得Fo1IRuuRuu- - - - - -IFIofRRuuAu- - 反相輸入端“虛地”，電路的輸入電阻為Rif = R1圖圖 6.2.11.基本電路(電壓并聯(lián)負(fù)反饋)一、反相比例運(yùn)算電路一、反相比例運(yùn)算電路IIFouRRu-引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，電路的輸出電阻為R0f =0第10頁(yè)/共35頁(yè)二、同相比例運(yùn)算電路二、同相比例運(yùn)算電路*R2 = R1 / RF根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，可知i+ = i- - = 0；又 u- - = u+ = uOF11uRRRu - -所以所以IOF11uuRRR 所所以以IFIOf1RRuuAu 得：由于該電路為電壓串聯(lián)

6、負(fù)反饋，所以輸入電阻很高。IIFo)1 (uRRu圖圖 6.2.3uRif= Ri ( 1+Aod Kf )第11頁(yè)/共35頁(yè)當(dāng) 圖6.2.3RF = 0 或 R1 = 時(shí)，如下圖所示三、電壓跟隨器Auf = 1u0= uI集成電壓跟隨器性能優(yōu)良，常用型號(hào)AD9620計(jì)算方法小結(jié)1.列出關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)的電流方程，如 P端和N端。2.根據(jù)虛短(地)、虛斷的原則，進(jìn)行整理。第12頁(yè)/共35頁(yè)*四差分比例運(yùn)算電路四差分比例運(yùn)算電路11RR FFRR 圖圖 差分比例運(yùn)算電路差分比例運(yùn)算電路在理想條件下，由于“虛斷”，i+ = i- - = 0IF1FuRRRu OF11IF1FuRRRuRRRu - -由于

7、“虛短”， u+ = u- - ，所以：IF1FOF11IF1FuRRRuRRRuRRR 1FIIOfRRuuuAu- - - - 電壓放大倍數(shù)差 模 輸 入電阻Rif = 2R1第13頁(yè)/共35頁(yè)例：T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路圖 T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路電阻R2 、 R3和R4構(gòu)成T形網(wǎng)絡(luò)電路節(jié)點(diǎn)N的電流方程為22M1IiRuRu-I3123M3uRRRRui-i4 = i2 + i3輸出電壓u0= -i2 R2 i4 R4 所以將各電流代入上式I342I42o)/1 (uRRRRRRu-第14頁(yè)/共35頁(yè)五比例電路應(yīng)用實(shí)例五比例電路應(yīng)用實(shí)例兩個(gè)放大級(jí)。結(jié)構(gòu)對(duì)稱的 A1、A2 組成第一級(jí)，互相

8、抵消漂移和失調(diào)。A3 組成差分放大級(jí)，將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。當(dāng)加入差模信號(hào) uI 時(shí)，若 R2 = R3 ，則 R1 的中點(diǎn)為交流地電位，A1、A2 的工作情況將如下頁(yè)圖中所示。圖圖 三運(yùn)放儀用放大器原理圖三運(yùn)放儀用放大器原理圖第15頁(yè)/共35頁(yè)由同相比例運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)公式，得1212I1O1212/1RRRRuu I112O1)21(uRRu 則同理I212I213O2)21()21(uRRuRRu 所以I12I2I112O2O1)21()(21(uRRuuRRuu - - - -則第一級(jí)電壓放大倍數(shù)為：12Io2o121RRuuu - -改變 R1，即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。R1 開(kāi)路時(shí)，

9、得到單位增益。第16頁(yè)/共35頁(yè)A3 為差分比例放大電路。當(dāng) R4 = R5 ，R6 = R7 時(shí)，得第二級(jí)的電壓放大倍數(shù)為46O2O1ORRuuu- - - -所以總的電壓放大倍數(shù)為)21(1246Io2o1o2o1oIoRRRRuuuuuuuuAu - - - - - - 在電路參數(shù)對(duì)稱的條件下，差模輸入電阻等于兩個(gè)同相比例電路的輸入電阻之和idod211i)21(2RARRRR 第17頁(yè)/共35頁(yè)例：在數(shù)據(jù)放大器中， R1 = 2 k ， R2 = R3 = 1 k ， R4 = R5 = 2 k ， R6 = R7 = 100 k ，求電壓放大倍數(shù)； 已知集成運(yùn)放 A1、A2 的開(kāi)環(huán)放

10、大倍數(shù) Aod = 105，差模輸入電阻 Rid = 2 M ，求放大電路的輸入電阻。100)2121(2100)21( 1246IO- - - - - - RRRRuuAu解：解： M102M 2)1012221(2)21(2 55idod211iRARRRR第18頁(yè)/共35頁(yè)6.2.2加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路一、求和運(yùn)算電路。1.反相求和運(yùn)算電路反相求和運(yùn)算電路F321/RRRRR 由于“虛斷”，i- - = 0所以：i1 + i2 + i3 = iF又因“虛地”，u- - = 0所以：FO3I32I21I1RuRuRuRu- - )(I33FI22FI11FOuRRuRRuRRu - -

11、 當(dāng) R1 = R2 = R3 = R 時(shí)，)(I3I2I11FOuuuRRu - - 圖圖 7.2.7第19頁(yè)/共35頁(yè)2同相求和運(yùn)算電路同相求和運(yùn)算電路由于“虛斷”，i = 0，所以：RuRuuRuuRuu - - - - - - 3I32I21I1解得：I33I22I11uRRuRRuRRu 其中：RRRRR /321由于“虛短”，u+ = u- -)(1()1()1(I33I22I111F1F1FOuRRuRRuRRRRuRRuRRu - -第20頁(yè)/共35頁(yè)二、加減運(yùn)算電路利用疊加原理求解圖(a)為反相求和運(yùn)算電路)(I22FI11FO1uRRuRRu-第21頁(yè)/共35頁(yè))(I44F

12、I33FO2uRRuRRu圖(b)為同相求和運(yùn)算電路)(2I21I14I43I3FORuRuRuRuRu-若電路只有二個(gè)輸入，且參數(shù)對(duì)稱，電路如圖)(I1I2FOuuRRu-上式則為圖 差分比例運(yùn)算電路電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入差模信號(hào)的比例運(yùn)算若R1/R2/RfR3/R4/R5第22頁(yè)/共35頁(yè)改進(jìn)電路圖：高輸入電阻差分比例運(yùn)算電路I1IF1o1)1 (uRRuI23F2o13F2o)1 (uRRuRRu-若R1 = RF2，R3 = RF1)(1 (I1I23F2ouuRRu-第23頁(yè)/共35頁(yè)例：用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算關(guān)系I3I2I1O3 . 1102 . 0uuuu - - 解：)3 . 12

13、. 0()(I3I1I33F1I11F1O1uuuRRuRRu - - - - )10()(I2O1I24F2O12F2OuuuRRuRRu - - - - 第24頁(yè)/共35頁(yè))3 . 12 . 0()(I3I1I33F1I11F1O1uuuRRuRRu - - - - )10()(I2O1I22F2O14F2OuuuRRuRRu-比較得：10, 1,3 . 1,2 . 02F24F23F11F1 RRRRRRRR選 RF1 = 20 k ，得： R1 = 100 k ， R3 = 15.4 k ；選 RF2 = 100 k ，得： R4 = 100 k ， R2 = 10 k 。 k8/F1

14、311RRRR k3 . 8/F2422RRRR第25頁(yè)/共35頁(yè)6.2.3積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路一、積分運(yùn)算電路一、積分運(yùn)算電路RR 由于“虛地”，u- - = 0，故uO = - -uC由于“虛斷”，iI = iC ，故uI = = iIR = iCR得： - - - - - - tuRCtiCuuCCd1d1IO = RC積分時(shí)間常數(shù)圖圖 7.2.16(動(dòng)畫(huà)avi12-1.avi)第26頁(yè)/共35頁(yè)積分電路的輸入、輸出波形( (一) )輸入電壓為階躍信號(hào)圖圖 6.3.2t0t1tuIOtuOOUI)(d10IIOttRCUtuRCu- - - - - 當(dāng) t

15、 t0 時(shí)，uI = 0， uO = 0；當(dāng) t0 t1 時(shí)， uI = 0，uo 保持 t = t1 時(shí)的輸出電壓值不變。即輸出電壓隨時(shí)間而向負(fù)方向直線增長(zhǎng)。 問(wèn)題：如輸入波形為方波，輸出波形為何波？第27頁(yè)/共35頁(yè)( (二) )輸入電壓為正弦波tUu sinmI tRCUttURCu cosdsin1mmO - - tuOORCU m可見(jiàn)，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先 90 。因此，此時(shí)積分電路的作用是移相。 tuIOUm 2 3第28頁(yè)/共35頁(yè)二、微分運(yùn)算電路二、微分運(yùn)算電路圖圖 基本微分電路基本微分電路由于“虛斷”，i- - = 0，故iC = = iR又由于“虛地”， u+

16、 = = u- - = 0 = 0 tuRCRiRiuCRddCO- - - - - - 可見(jiàn)，輸出電壓正比于輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分。實(shí)現(xiàn)波形變換，如將方波變成雙向尖頂波。1.基本微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路微分電路的作用：微分電路的作用有移相 功能。第29頁(yè)/共35頁(yè)二、指數(shù)運(yùn)算電路二、指數(shù)運(yùn)算電路當(dāng) uI 0 時(shí)，根據(jù)集成運(yùn)放反相輸入端“虛地”及“虛斷”的特點(diǎn)，可得：TTUuUuIIiIBEeeSSI 所以：TUuRRIRiRiuIeSIO- - - - - - 可見(jiàn)，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)。圖圖 7.2.27指數(shù)運(yùn)算電路1.基本電路第30頁(yè)/共35頁(yè)2.集成指數(shù)運(yùn)算電路在集成運(yùn)算電路中，利用二只雙極性晶體管特性的對(duì)稱性，消去IS對(duì)運(yùn)算關(guān)系的影響；并且，采用熱敏電阻補(bǔ)償U(kuò)T的變化。分析過(guò)程見(jiàn)教材P330.圖圖 7.2.28集成指數(shù)運(yùn)算電路第31頁(yè)/共35頁(yè)乘法運(yùn)算電路RIuuRIuSIIUuT21SO03e-圖7.2.30乘法運(yùn)算電路第32頁(yè)/共35頁(yè)同理：除法電路的輸出電壓正比于其兩個(gè)輸入電壓相除所得的商，即：I2I1Ouuu 求對(duì)數(shù)，得：I2I1I2I1Olnlnlnlnuuuuu- - 再求指數(shù)，得：I2I1lnlnOeuuu- - 所以只需將乘法電路中的求和電路改為減法電路即可得到除法電路的方塊圖：對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)