工學(xué)第3章j集成運(yùn)算放大器課件

1、第3章 集成運(yùn)算放大器3.2信號(hào)運(yùn)算電路 3.3信號(hào)處理電路 3.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 3.5集成運(yùn)算放大器的一般使用方法3.1集成運(yùn)算放大器簡介第1頁，共46頁。學(xué)習(xí)要點(diǎn)理想運(yùn)算放大器的主要參數(shù)分析運(yùn)算放大器電路的兩條原則運(yùn)算放大器的傳輸特性由運(yùn)算放大器構(gòu)成的信號(hào)運(yùn)算電路返回由運(yùn)算放大器構(gòu)成的信號(hào)處理電路第2頁，共46頁。集成電路（IC）：采用專門的制造工藝，將元、 器件及連線組成的完整電路制作在一塊基片上，并完成特定的功能。返回3.1 集成運(yùn)算放大器簡介 一、集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)及符號(hào)1、集成運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu)第3頁，共46頁。第4頁，共46頁。2、集成運(yùn)算放大器的封裝及電路符號(hào)集成運(yùn)

2、放在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)：a、直接耦合的多級(jí)放大b、差動(dòng)輸入級(jí)抑制零漂d、用晶體管恒流源作為負(fù)載電阻返回c、OCL功放輸出第5頁，共46頁。返回(1)開環(huán)差模電壓增益：(2)最大差模輸入電壓：(3)最大輸出電壓：(4)差模輸入電阻： ，很大MW級(jí)。(5)輸出電阻：(6)最大輸出電流：(7)輸出失調(diào)電壓：(8)共模抑制比：二、集成運(yùn)放主要參數(shù)第6頁，共46頁。三、運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性開環(huán)狀態(tài)下由于Aod 趨于無窮大，因此僅當(dāng)uid 很小時(shí)下式才成立所以特性曲線中的線性區(qū)很窄，其他部分稱為飽和區(qū)。第7頁，共46頁。四、理想運(yùn)算放大器返回 將集成運(yùn)算放大器的一些參數(shù)近似理想化，得到理想運(yùn)算放大器模

3、型(1)開環(huán)差模電壓增益：(3)差模輸入電阻：(4)輸出電阻：(2)共模抑制比：(5)輸出失調(diào)電壓：1、理想化條件注意：無特殊說明，今后我們分析的集成運(yùn)算放大器均為理想運(yùn)算放大器！第8頁，共46頁。負(fù)反饋系統(tǒng)特點(diǎn)及性能 反饋就是把放大電路輸出信號(hào)（電壓或電流）通過一定的電路（稱為反饋電路）送回到放大電路的輸入端。負(fù)反饋：使凈輸入減小 正反饋：使凈輸入增加 第9頁，共46頁。放大1000倍0.009倍（衰減）溫度變化10mV10V可能失真、不穩(wěn)定10mV放大1000倍1mV1V穩(wěn)定負(fù)反饋閉環(huán)放大開環(huán)放大9mV如果仍想得到10V輸出應(yīng)當(dāng)如何改變？第10頁，共46頁。負(fù)反饋： ，正反饋： 負(fù)反饋使放

4、大電路放大倍數(shù)降低，穩(wěn)定性增加。反饋系統(tǒng)表示第11頁，共46頁。(1)兩個(gè)輸入端之間電壓近似為零（“虛短”）2、分析運(yùn)算放大器電路的兩條原則在線性區(qū)由于 為有限值，而 為無窮大，因此故相當(dāng)于兩個(gè)輸入端短路返回(2)兩個(gè)輸入端電流近似為零（“虛斷”）由于 為無窮大，故相當(dāng)于兩個(gè)輸入端之間開路第12頁，共46頁。3.2 信號(hào)運(yùn)算電路 (1)反相比例運(yùn)算一、比例運(yùn)算電路特點(diǎn)：運(yùn)算放大器工作在負(fù)反饋閉環(huán)狀態(tài)，即運(yùn)放輸出端與反相輸入端至少有一個(gè)物理連接。返回 當(dāng) 時(shí)，有 ，稱為反相器或反號(hào)器。又稱反相比例放大器第13頁，共46頁。例：求電壓增益值由虛短虛斷有由電路有經(jīng)整理得第14頁，共46頁。(2)同相

5、比例運(yùn)算特點(diǎn)： 輸入信號(hào)從同相輸入端接入 輸出電壓與輸入電壓同相。返回由平衡電阻的概念有 第15頁，共46頁。討論可見(1) 輸出電壓與輸入電壓同相;(2) 該比例系數(shù)可在0之間變化;(3) 當(dāng)R3時(shí)，有(4) 當(dāng)R1或Rf時(shí)有對(duì)應(yīng)電路如下電壓跟隨器返回第16頁，共46頁。(3)反相加法運(yùn)算由圖可知反相輸入端虛地由KCL有由平衡電阻的概念有 當(dāng) 有 返回 該結(jié)論可推廣為多個(gè)輸入信號(hào) 第17頁，共46頁。例：電路如圖，已知 求：輸出電壓 的大小。 解：該電路實(shí)現(xiàn)了三個(gè)輸入信號(hào)的反相加法運(yùn)算，所以 返回第18頁，共46頁。(4)減法運(yùn)算（差分輸入） 輸入信號(hào)由兩個(gè)輸入端分別輸入，稱為差動(dòng)輸入或差分

6、輸入。由平衡電阻的概念有 當(dāng) 時(shí)返回又稱減法器第19頁，共46頁。(5)積分運(yùn)算返回輸出與輸入對(duì)時(shí)間的積分成正比。當(dāng) 時(shí)第20頁，共46頁。例：電路如圖，已知 求（1）寫出 的表達(dá)式（2）設(shè) ，求 達(dá)到 所需的時(shí)間。返回第21頁，共46頁。解：（1）由第一級(jí)可以求出由第二級(jí)可以求出（2）由已知 則帶入數(shù)據(jù)有返回兩個(gè)反相輸入電路級(jí)連，總輸出和總輸入同相第22頁，共46頁。(6)微分運(yùn)算返回由“虛斷”有波形變換第23頁，共46頁。例：電路如圖，試求表達(dá)式 解：由圖中各量的參考方向有由輸出電壓是輸入電壓的比例運(yùn)算和微分運(yùn)算的組合，我們稱之為比例微分調(diào)節(jié)器，簡稱PD調(diào)節(jié)器。類似的還有PI調(diào)節(jié)器和PID

7、調(diào)節(jié)器。返回第24頁，共46頁。3.3 信號(hào)處理電路 集成運(yùn)算放大器不僅可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)運(yùn)算，還可以構(gòu)成信號(hào)處理電路。本節(jié)將學(xué)習(xí)：有源濾波器、電壓比較器和采樣保持電路。一、有源濾波器返回有源濾波器特征： 1、輸入為不同頻率的交流信號(hào)，電路選擇某些頻率信號(hào)通過（輸出），其他頻率信號(hào)則被衰減輸出趨于零。 2、有源可以使信號(hào)放大輸出。第25頁，共46頁。 濾波器分：低通、高通、帶通、帶阻等形式。反饋回路等效阻：返回低通放大倍數(shù)：第26頁，共46頁。截止頻率當(dāng)輸入信號(hào)的頻率 時(shí)：返回輸入頻率越大，Auf 衰減越多。第27頁，共46頁。(1)單限電壓比較器返回過零比較器二、電壓比較器第28頁，共46頁。特點(diǎn)

8、：運(yùn)放工作在非線性區(qū)。功能:比較兩個(gè)輸入信號(hào)的大小，輸出為“+”、“-”飽和電壓值。應(yīng)用：用于模擬和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、對(duì)信號(hào)的控制及測(cè)量。返回第29頁，共46頁。返回輸出限幅的單限比較器單向限幅雙向限幅第30頁，共46頁。因此當(dāng) 時(shí),同理當(dāng) 時(shí),返回該電路的門限電壓為分析第31頁，共46頁。返回(2)遲滯型電壓比較器結(jié)構(gòu)特征：無負(fù)反饋；有正反饋，所以輸出為 正、負(fù)飽和值。第32頁，共46頁。當(dāng) 時(shí),當(dāng) 時(shí),稱為遲滯型電壓比較器。返回第33頁，共46頁。返回三、采樣保持電路采樣：把連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的信號(hào)。保持：在兩次采樣的時(shí)間間隔內(nèi)，將前一次采樣結(jié)束的信息保持下來。第34頁，共46頁。

9、返回原理電路如圖場效應(yīng)管T作為模擬開關(guān)電容C作為保持元件集成運(yùn)放接成跟隨器，起阻抗變換和隔離作用u作為采樣控制信號(hào)ui是待采樣信號(hào)uo為采保后的離散信號(hào)第35頁，共46頁。返回3.4 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用一、矩形波和三角波產(chǎn)生電路集成運(yùn)放處于比較器狀態(tài)；輸出電壓為矩形波，電容電壓為近似的三角波。第36頁，共46頁。二、測(cè)量放大器在非電量測(cè)量系統(tǒng)中，常用各種傳感器把非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、電流信?hào)，放大后給檢測(cè)系統(tǒng)。返回第37頁，共46頁。返回第一級(jí)放大電路由A1、A2組成，均采樣同相輸入，輸入電阻高，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可抑制零漂。由電路結(jié)構(gòu)可知，兩個(gè)運(yùn)放的輸入信號(hào)極性相反，當(dāng)R2=R3時(shí)，R1的中點(diǎn)相當(dāng)

10、于地，則第38頁，共46頁。返回第二級(jí)為差動(dòng)放大電路，輸出電壓為當(dāng)R4=R5， R6=R7時(shí)，則總的電壓放大倍數(shù)為第39頁，共46頁。返回3.5 集成運(yùn)算放大器的一般使用方法一、消振運(yùn)放在輸入端不加信號(hào)的情況下，輸出端也可能有交流電壓輸出，表明運(yùn)放產(chǎn)生了自激振蕩，使運(yùn)放不能正常工作。消除自激振蕩的方法是在補(bǔ)償端接入適當(dāng)?shù)碾娙莼騌C電路，來破壞自激振蕩的條件。二、調(diào)零實(shí)際的運(yùn)放在零輸入時(shí)，輸出不為零，在輸出端反映輸入有信號(hào)，這樣將給其線性應(yīng)用帶來一定的誤差，因此需要調(diào)零，即零輸入零輸出。第40頁，共46頁。返回調(diào)零的前提：靜態(tài)調(diào)零：動(dòng)態(tài)調(diào)零：運(yùn)放不存在自激或已消振。將兩個(gè)輸入端接地，調(diào)節(jié)外接的調(diào)零電位器使輸出電壓為零。在有信號(hào)輸入時(shí)，計(jì)算出輸出電壓的理論值，然后將實(shí)際的輸出電壓調(diào)節(jié)到理論電壓值。影響調(diào)零的因素：正負(fù)電源的對(duì)稱性環(huán)境溫度電源電壓值是否滿足運(yùn)放要求第41頁，共46頁。返回三、保護(hù)措施1、電源保護(hù)作用：a、防止電源極性接反，如圖ab、防止電源電壓跳變，如圖b第42頁，共46頁。返回2、輸入保護(hù)由于運(yùn)放對(duì)差模和共模電壓輸入信號(hào)都有一定的限制，因此在某些工作狀態(tài)下，對(duì)可能的過電壓輸入須保證運(yùn)放不被損壞，原理電路如下圖。第43頁，共46頁。返