《电工学秦曾煌主编第六版下册电子技术第16章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工学秦曾煌主编第六版下册电子技术第16章.ppt（82页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、(16-0),第十六章 集成运算放大器,(16-1),第十六章 集成运算放大器,16.1 集成运算放大器的简单介绍 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用 16.4 运算放大器在波形产生方面的应用 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,(16-2),集成电路:将整个电路的各个元件及连线均制造在同一块半导体基片上，形成一个不可分割的整体。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；,16.1 集成运算放大器的简单介绍,(16-3),各类型号集成芯片,
2、(16-4),一、集成电路内部结构的特点：,2.输入级采用差放电路。由于电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，故温度均一性好。,3.电阻元件由硅半导体构成，范围从100到30K，精度低。高阻值电阻用晶体管有源元件代替或外接。,1.电感元件难于制造。制造几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成，大电容需外接。,4.二极管一般用晶体管的发射结构成。,(16-5),三、集成运放电路的组成,输 入 级：常为差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小,输入端耐压高。它有同相和反相两个输入端。,中 间 级：主放大级，常为共射放大电路，多采用复合 管。要求有足够的放大能力。,输 出 级：功率级，
3、多采用互补功放电路或射极输出器。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。多采用恒流源电路。,(16-6),集成运放的基本结构,输入级,中间级,输出级,-UCC,+UCC,u,uo,u,反相输入端,同相输入端,基本原理框图,(16-7),uo,与uo反相,与uo同相,(16-8),输入级,尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗 ri尽可能大。,(16-9),中间级,足够大的电压放大倍数,(16-10),输出级,主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗 ro小。,(16-11),ri 大:几十k 几百 k,运放特点：,KCMRR
4、很大,ro 小：几十 几百,A o 很大:104 107,运放符号：,国际符号,国内符号,反相输入端,同相输入端,输出端,(16-12),1、最大输出电压UOPP,使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。,2、开环电压放大倍数Auo,三、集成运放的主要参数,无外加反馈回路时的差模放大倍数。一般在104 107之间。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度越高。,3、输入失调电压UIO,使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。此值越小越好。,(16-13),4、输入失调电流IIO,5、输入偏置电流IIB,6、共模输入电压范围UICM,共模电压超出此范围时，运放的共模抑制性能大大下
5、降。,输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差。此值一般在零点零几微安级，越小越好。,输入信号为零时，两输入端静态基极电流平均值。此值一般在零点几微安级，越小越好。,(16-14),Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|12V时，运放 处于线性区。,四、理想运放及其分析依据,线性放大区,饱和区,饱和区,(16-15),由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,1、在分析信号运算电路时对运放的处理,实际：,理想：,(16-16),理想运放的
6、条件,虚短路:,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,虚开路，也称虚断路,运放工作在线性区的特点,运放工作在线性区特点,(16-17),虚短路不成立：,运放工作在饱和区的特点,(16-18),2、分析运放组成的线性电路的依据,虚短路虚开路放大倍数与负载无关，每级可以分开分析。,(16-19),16.2 运放在信号运算方面的应用,凡是将放大电路输出端信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。,反馈概念,串联负反馈 ri;并联负反馈 ri;,电压负反馈 ro;电流负反馈 ro;,负反馈对放大电路的影响,(16-20),16.2
7、.1 比例运算,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大、反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,(16-21),i1 iF,1.放大倍数,虚短路,虚开路,一、反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相 输入端，信号从 反相端输入。,虚地,(16-22),RP=R1/RF,为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大RF，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,2.电路的输入电阻,ri=R1,(16-23),4.共模电压,3.反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小,因虚短,所以u
8、u+=0，称反相输入端“虚地”反相输入的重要特点,(16-24),反相比例电路的特点：,2.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,3.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,4.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,5.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,1.反相端为“虚地”。,(16-25),例：试计算下图开关S断开和闭合时的Au,解：,S断开:,S闭合:,if,i1 i2,P98 例 16.2.1,(16-26),M,例：求Au=?,i1=i2,虚短路,虚开路,虚地,(16-27),该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用
9、大电阻。因R3的存在，削弱了负反馈。,(16-28),例：电路如下图所示，已知 R1=10 k，RF=50 k。求：1.Auf、R2；2.若 R1不变，要求Auf为 10，则RF、R2 应为 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=100 k R2=10 100(10+100)=9.1 k,(16-29),二、同相比例运算电路,u-u+=ui,虚短路,虚开路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,虚开路,i1,iF,(16-30),同相比例电路的特点,3.
10、共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,(16-31),此电路输入电阻大，输出电阻小，在电路中的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,当 R1=或 RF=0 时,(16-32),例：试计算Uo,解：,由其为电压跟随器知:Uo=15/2=7.5V,P99：例 16.2.2,(16-33),电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载
11、RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。,(16-34),例：试计算Uo,P99：例 16.2.3,解：,(16-35),16.2.2 加法运算电路,作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和、反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,(16-36),一、反相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,(16-37),调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,(16-38),二、同相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入
12、端的个数，以适应不同的需要。,(16-39),此电路如果以 u+为输入，则输出为：,u+与 ui1 和 ui2的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,(16-40),1.输入电阻低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；,同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点：,(16-41),左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？,提示：1.虚开路：流入同相端的电流为0。2.结点电位法求u+。,(16-42),解出：,16.2.3 减法运算,(1
13、6-43),单运放加减运算电路特例：差动放大器,(16-44),实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,(16-45),虚短路,虚开路,虚开路,(16-46),优点：元件少，成本低。,缺点：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不方便。,单运放加减运算电路小结,改进：采用双运放电路。,(16-47),例：设计一加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3,解:,(1)画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,(16-48),(2)求各电阻值。,uo=10ui1+8ui2-20ui3,如果不需要R4时，不能直
14、接接地。,(16-49),例：试分析双运放加减运算电路,(16-50),例:试分析三运放电路,(16-51),虚短路：,虚开路：,(16-52),三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。,(16-53),例如：由三运放放大器组成的温度测量电路。,Rt：热敏电阻,集成化:仪表放大器,(16-54),例:A/D变换器要求其输入电压的幅度为0+5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。,uo=0.5ui+2.5 V,(16-55),uo=0.5ui+2.5 V,=0.5(ui+5)V,(16-56),1.它们都引入电压
15、负反馈，因此输出电阻都比较小。,2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,3.关于共模电压：同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,比例运算电路与加减运算电路小结,(16-57),知识点回顾：,16.2.4 积分运算电路,(16-58),输入方波，输出是三角波。,一、积分运算,(16-59),将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分PI运算电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,(16-60),U,积分时限,应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱。,(16-61),积分电路的主要用途
16、,1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。,(16-62),16.2.5 微分运算电路,(16-63),比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,PD调节器,iF,(16-64),运算电路要求,1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用“虚断(ii=0)”和“虚短(u+=u)”分析给定运算电路的 放大倍数。4.能设计简单的加减和积分运算电路。,(16-65),16.3.1 有源滤波器,16.3 运放在信号处理方面的应用,1.按信号性质分
17、类,3.按电路功能分类:,低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器,2.按所用元件分类,模拟滤波器和数字滤波器,无源滤波器和有源滤波器,4.按阶数分类:,一阶，二阶 高阶,滤波电路的分类,(16-66),无源滤波器,由无源滤波器+运放构成。,由无源元件R、C、L构成。,有源滤波器,空间体积，电流的大小，成本，都有优缺点,(16-67),一、一阶有源低通滤波器,(16-68),二、一阶有源高通滤波器,C,(16-69),有源滤波器的优点,1.体积小重量轻。,2.其输入和输出之间具有良好的隔离。,3.除起滤波作用外，还可将信号放大。,(16-70),16.3.3 电压比较器,作用：比较输入电
18、压和参考电压的大小。,特点：由于运放开环工作或引入了正反馈，故其工作于饱和区。输出电压为：uo=Uo(sat),(16-71),UR：参考电压 ui：被比较信号,特点：运放处于开环状态。,当ui UR时,uo=+Uom当ui UR时,uo=-Uom,一、ui从同相端输入,(16-72),UR,当ui UR时,uo=-Uom,二、ui从反相端输入,(16-73),三、过零比较器:(UR=0时),(16-74),例:利用电压比较器将正弦波变为方波。,(16-75),电路改进：用稳压管稳定输出电压。,限幅电压比较器,(16-76),集成运算放大器的分类技术指标：高通、高速、高阻、低功耗、大功率、高精
19、度型。内部电路：双极、单极型。运放数目/每片：单运放、双运放、四运放。,16.5 使用运算放大器应注意的问题,(16-77),使用集成运算放大器应注意的问题,调零：需外接调零电路。方法：a.当Ui=0时，调节调零电位器，使Uo=0。b.当Ui 0时，调节调零电位器，使Uo的值为和其相对应的计算值。,(16-78),使用集成运算放大器应注意的问题,=输出端保护,电源保护=,保护：需外接保护电路。,输入端保护=,(16-79),使用集成运算放大器应注意的问题,扩大输出电流,(16-80),作业16.2.316.2.1016.2.1316.2.1716.2.18（4）（5）（7）16.3.1,(16-81),结 束,
