《大学电工》PPT课件.ppt

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1、第16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,16.4 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,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,第16章 集成运算放大器,前面介绍的分立电路,就是由各种独立元件联接起来的电子电路。这一章我们要给大家介绍集成电路，就是把整个电路的各个元件以及相互之间的联线同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。它具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好、价格便宜等特点，所以一经问世，就获得了广泛的应用，标志着电子技术的一个新的飞跃。,就集成度而言，集成电路有小规模、中规

2、模、大规模和超大规模之分。就导电类型而言，有双极型、单极型和两者兼容的。就其功能而言，有数字集成电路和模拟集成电路，后者又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源等多种。,16.1 集成运算放大器的简单介绍,16.1.1 集成运算放大器的特点,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。,特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,Auo 高:80dB140dBrid 高:105 1011ro 低:几十 几百KCMR高:70dB130dB,集成运放的特点与其制造工艺密切相关:,第一、集成工艺中不适于做电感元件，也不适于做大的电容，所以

3、其内部各放大器之间采用直接耦合，若需电感和大的电容，则采用外接的方法。第二、运放的输如级都采用差分放大电路，集成工艺则有助于差分电路的特性。第三、集成电路中往往采用晶体管恒流源代替电阻。第四、集成电路中的二极管都由晶体管构成。,16.1.2 电路的简单说明,输入端,输出端,输入级,中间级,输出级,偏置电路,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电路。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。,16.1.2 电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,同相输入端,输出端,反相输入端,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

4、补对称电路或射极输出器构成。偏置电路主要为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路组成。,在应用集成运放时,需要知道它的几个管脚的用途以及放大器的主要参数,至于它的内部电路结构如何一般是无关紧要的。集成运算放大器有铝壳封装和双列直插式塑壳封装两种。常有七个引脚，如图所示，用途是：,F007,2,3,4,1,5,6,7,+15V,-15V,RP,输出端,反相输入端,同相输入端,1和5为外接调零电位器的两个端子。,2为反相输入端，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是反相的（或两者极性相反）。3为同相输入端，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是同相的（

5、或两者极性相同）。4为负电源端，接-15V稳压电源。7为正电源端，接+15V稳于电源。6为输出端。,F007,2,3,4,1,5,6,7,+15V,-15V,RP,输出端,反相输入端,同相输入端,16.1.3 主要参数,1.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。,2.开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6.共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3.输入失调电压 UIO4.输入失调电流 IIO5.

6、输入偏置电流 IIB,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,1.理想运算放大器,Auo，rid，ro 0，KCMR,2.电压传输特性 uo=f(ui),线性区：uo=Auo(u+u),非线性区：u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,3.理想运放工作在线性区的特点,因为 uo=Auo(u+u),所以(1)差模输入电压约等于 0 即 u+=u,称“虚短”,(2)输入电流约等于 0 即 i+=i 0,称“虚断”,电压传输特性,Auo越大，运放的 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。,O,4.理想运放工作在饱和区

7、的特点,(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或Uo(sat),(2)i+=i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat)不存在“虚短”现象,16.2 运算放大器在信号运算方面的运用,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的结构形式，就可以实现不

8、同的运算。,16.2.1 比例运算,1.反相比例运算,（1）电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,（2）电压放大倍数,因虚短,所以u=u+=0，称反相输入端“虚地”反相输入的重要特点,因虚断，i+=i=0，,所以 i1 if,因要求静态时u+、u 对地电阻相同，所以平衡电阻 R2=R1/RF,动画,16.2.1 比例运算,1.反相比例运算,电压放大倍数,反馈电路直接从输出端引出电压反馈,输入信号和反馈信号加在同一输入端并联反馈,反馈信号使净输入信号减小负反馈,电压并联负反馈,输入电阻低，共模电压 0,电压并联负反馈，输入、输出电阻低，ri=R1。共模输入电压低。,结论：,A

9、uf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加 在反相输入端。,Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。,|Auf|可大于 1，也可等于 1 或小于 1。,因u=u+=0，所以反相输入端“虚地”。,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=Auf R1=(10)10=100 k R2=10 100(10+1

10、00)=9.1 k,2.同相比例运算,因虚断，所以u+=ui,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,因虚短，所以 u=ui，反相输入端不“虚地”,因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1/RF,2.同相比例运算,输入电阻高共模电压=ui,电压放大倍数,电压串联负反馈,输入信号和反馈信号分别加两个输入端串联反馈,反馈电路直接从输出端引出电压反馈,因虚短，所以 u=ui，反相输入端不“虚地”,反馈信号使净输入信号减小负反馈,动画,电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。,结论：,Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加 在同相输入端。,Auf只

11、与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。,Auf 1，不能小于 1。,u=u+0，反相输入端不存在“虚地”现象。,当 R1=且 RF=0 时，,uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。,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。,左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。,负载电流的大小与负载无关。,例2：负载浮地的电压-电流的转换电路,1.能测量较小的电压；2.输入电阻高，对被 测电路影响小。,流过电流表的电流,16.2.2 加法运算电路,1.反相加法运算电路,因虚短,u=u

12、+=0,平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/RF,因虚断，i=0,所以 ii1+ii2=if,动画,平衡电阻：,例：一个测量系统输出电压和某些非电量（经传感器变换为电量）的关系为 试设计电路实现此关系。,解：电路图如右所示。取,则：,Ri3,2.同相加法运算电路,方法1:根据叠加原理 ui1单独作用(ui20)时，,同理，ui2单独作用时,动画,方法2：,平衡电阻：Ri1/Ri2=R1/RF,u+,u+=?,也可写出 u和 u+的表达式，利用 u=u+的性质求解。,1.输入电阻低；2.共模电压低；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；2.共模电压高；

13、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：,16.2.3 减法运算电路,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法1：,如果取 R1=R2，R3=RF,如 R1=R2=R3=RF,R2/R3=R1/RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量放大电路,动画,分析方法2：利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。,u+,16.2.4 积分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1=if,if=?,当电容CF的初始电压为 uC(t0)时，则有,动画,若输入信号电压为恒定直流量，即 ui=Ui 时，则,积分饱和,线性积分时间,线性积分时间,Uo

14、(sat),ui=Ui 0,ui=Ui 0,采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故 uo 是时间 t 的一次函数，从而提高了它的线性度。,输出电压随时间线性变化,Ui,Ui,例：电路如图所示，ui1=5mV，ui2=-5mV，ui3=6mV，ui4=-12mV，求输出电压uo的值。,+,-,+,+,-,+,ui2,uo,uo1,R2 4K,Rf124K,R 2.2K,R6 12K,ui1,R1 6K,+,-,+,ui3,ui4,R3 6K,R4 6K,R5 6K,Rf36K,R8 6K,R7 12K,uo1,Rf2 4K,R 4K,，,A3,A1,A2,例：在分析多级

15、运放时，因为理想运放输出电阻为零，因此每级输出电压不考虑负载的影响，可单独分析。,（1）A1实现反相加法运算：,解：,（2）A2实现同相加法运算：且,（3）A3实现减法运算：,例：求图示电路中ui与uo的关系表达式，当ui为下图所示输入信号时，画出输出信号uo的波形并标出幅值。,+,-,+,+,-,+,ui,uo,uo1,10K,50K,RP,RP,50K,1uF,ui,uo(mS),1V,-1V,10,20,30,40,ui,uo(mS),1V,-1V,10,20,30,40,解：第一级为反相比例,第二级为积分,ui为阶跃电压,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。,电路

16、的输出电压,上式表明：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。,16.2.5 微分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1=if,Ui,Ui,动画,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,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。,PD调节器,if,16.3 运放在信号处理方面的应用,16.3.1 有源滤波器,滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内

17、的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。,无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。,缺点：低频时体积大，很难做到小型化。,优点：体积小、效率高、频率特性好。,按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,1.有源低通滤波器,设输入为正弦波信号,则有,故：,若频率 为变量，则电路的传递函数,其模为,当 0时，|T(j)|衰减很快,显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。,为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，

18、组成二阶有源低通滤波器。,2.有源高通滤波器,设输入为正弦波信号，则有,故：,称截止角频率,可见，电路使频率大于0 的信号通过，而小于0 的信号被阻止，称为有源高通滤波器。,若频率 为变量，则电路的传递函数,其模为,模拟开关,模拟输入信号,1.电路,16.3.2 采样保持电路,采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储电容,控制信号,电压跟随器,2.工作原理,16.3.2 采样保持电路,1.电路,

19、采样阶段：uG为高电平，S 闭合(场效应管导通)，ui对存储电容C充电，uo=uC=ui。,保持阶段：uG为 0，S 断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。,采样速度 愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,电压比较器,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，由高电平变成低电平，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，以及波形产生及变换等场合。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,理想运放工作在饱和区的特点：,1.输出只有两种可能+Uo(sat)或Uo(

20、sat)当 u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat)不存在“虚短”现象 2.i+=i 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性,电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),运放处于开环状态,1.基本电压比较器,阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。,当 u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=Uo(sat),即 uiUR 时，uo=Uo(sat),可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,动画,单限电压比较器：当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。,ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat),输入信

21、号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输出带限幅的电压比较器,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，uo=UZ,uiUR 时，uo=Uo(sat),过零电压比较器,利用电压比较器将正弦波变为方波,16.4 运放在波形产生方面的应用,波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。,16.4.1 矩形波发生器,1.电路结构,由滞回比较器、,RC充放电电路组成，,电容电压uC 即是比较器的输入电压，,2.工作原理,设电源接通时，uo=+Uo(sat)，uC(0)=0

22、。,电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。,uo 通过 RF 对电容C充电，uC 按指数规律增长。,充电,当 uo=+Uo(sat)时，电容充电，uC上升，,电容放电，uC下降，,当uC=UR 时，uo 跳变成 Uo(sat),当 uC=UR 时，uo 跳变成+Uo(sat)，电容又重新充电。,放电,2.工作原理,动画,3.工作波形,T=T1+T2,电容充放电过程，uC 的响应规律为,4.周期与频率,在充电过程中,在放电过程中,矩形波的周期,矩形波的频率,充放电时间常数相同：=RC,矩形波常用于数字电路中作为信号源,A1：滞回比较器 因 u=0，所以当 u+=0 时，A1状态改变,16.

23、4.3 三角波发生器,1.电路结构,A2：反相积分电路,2.工作原理,A1：滞回比较器 因 u-=0，所以当 u+=0时，A1状态改变,输出 uo1 改变(+UZ 跃变到UZ 或 UZ 跃变到+UZ)，,当,同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。,动画,3.工作波形,4.周期与频率,T=T1+T2=2T1=2T2,(1)改变比较器的输出 uo1、电阻R1、R2 即可改变三角波的幅值。(2)改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。,动画,16.4.3 锯齿波发生器,1.电路,三角波发生器,在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其 输出锯齿波。,2.波形,16.4

24、.3 锯齿波发生器,1.电路,动画,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,16.5.1 集成运放的选择,集成运放按其性能指标可分为通用型、专用型。专用型又分为高速型、高阻型、低功耗型、大功率型、高精度型等。,使用集成运放首选通用型，因为通用型的即可满足一般的性能要求，特殊场合要选用专用型。如快速A/D和D/A转换、高速采样保持电路要选用高速型，高阻型主要用于测量放大器、有源滤波等电路中，低功耗型主要用于对能源有严格要求的遥测、遥感、空间技术等。,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,消振,由于集成运放内部晶体管的极间电容和其它寄生参数的影响，运放电路很容易产生自激振荡，破坏正常工作。为

25、此，要注意消振。有的集成运放有消振端，只要按规定接入,消振电容或RC消振电路，就可以消除自激振荡。目前，很多集成运放内部已接消振元件，使用时，不需再外接消振电路。,7,-,+,2,3 4 5,+,6,R,C,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,调零,由于集成运放内部不完全对称，因而当输入信号为零时，仍有输出信号，故使用时需设置调零电路。有的运放设有调零端，在调零端接入规定阻值,的调零电位器，即可调零。调零时，应将电路接成闭环，并把电路输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。注意，必须先消振后再调零。,4 1,5,R,-2,+3,+6,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,保护,1、输入端保护,2、输出端保护,3、电源保护,-,+,+,-,+,+,ui,ui,uo,uo,D,DZ,+,+,-,+U,-U,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,扩大输出电流,ui,uo,T1,-,+,+,+Ucc,-Ucc,T2,D1,D2,RB,RB,RF,R1,R2,