《集成运算放大器》PPT课件.ppt
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1、1,电工电子技术,第6章 集成运算放大器,2,主要内容,集成运放的概念:实际运放 组成、主要参数、电压传输特性 理想运放,运放理想化的条件、主要参数、电压传输特性集成运算放大电路中的反馈,反馈类型的判断(判断准则)运算放大器使用中应注意的问题运放的应用:线性应用;非线性应用。,6.1集成运放简介,是模拟集成电路的最主要的代表器件。早期在计算机中实现某些数学运算,故名集成运算放大器。,是一种电压放大倍数很高的直接耦合的多级放大电路。,应用:计算机、信号处理、信号测量、自动控制等领域。,特点:开环电压放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低、温漂小、可靠性高、体积小。,3,集成电路的分类:,小、中、大、
2、超大规模集成电路;,集成电路简介,分立电路与集成电路,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:将整个电路的各个元件及导线做在同一个半导体基片上。封装上外壳,向外引出若干个引脚,构成一个完整的、具有一定功能的电路。,集成电路内部结构的特点,1.电路元件制作在一个芯片上,元件参数偏差方向一致,温度均一性好。,2.电阻元件由硅半导体构成,范围在几十到20千欧,精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3.几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。难于制作电感。所以各级放大电路之间的连接多采用直接耦合方式。,4.集成电路中晶体管制作容易。二极管一
3、般用三极管的发射结构成(基极和集电极短接)。,4,模拟集成电路和数字集成电路,模拟电路analogue circuit:是处理模拟信号的电路。主要研究输入和输出信号之间的大小和相位等方面的关系。如:基本放大电路,数字电路digital circuit:是处理数字信号的电路。主要研究输入和输出信号之间的逻辑关系。如:逻辑门电路,模拟信号analog signals:随时间连续变化的信号。,数字信号digital signals:时间上不连续的、离散的脉冲信号,是可以用二进制数0和1表示的信号。,模拟集成电路analogue IC 运放数字集成电路digital IC 组合逻辑电路、时序逻辑电路,
4、5,_UEE,+UCC,u+,uo,u,反相输入端,同相输入端,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,输入级:尽量减小零点漂移抑制干扰信号,尽量提高 KCMRR,输入阻抗 ri 尽可能大。都采用差分放大电路。,中间级:进行电压放大,要求电压放大倍数高。一般采用共射极放大电路。,输出级:主要提高带负载能力,给出足够的输出电流和电压。即输出阻抗 ro小。一般由互补对称电路或射极输出器构成,偏置电路:为各级电路建立合适的静态工作点,一般由各种恒流源电路构成,例图,6.1.1 运算放大器的组成,采用四级以上的多级放大器,输入级和第二级一般采用差动放大器。,极性判断,6,IC=IC1+IC2=
5、1 IB+2(1+1)IB=1+2(1+1)IB,输入级常采用复合三极管或场效应管,以减小输入电流,增加输入电阻。为减小IB,提高输入电阻,T1、T2采用复合三极管。,=IC/IB=1+2(1+1)1 2,7,第4级:互补对称射极跟随器,第3级:单管放大器,+,集成运放内部结构(举例),极性判断,8,重点掌握运放的什么知识?,符号(实际运放、理想运放)性能指标(实际运放、理想运放)输入方式传输特性(实际运放、理想运放)电路分析中,对工作在线性区的运放,理想化处理后,有些什么特点?,例图1:P104、105 图3.1.3图3.1.4,9,6.1.2 主要参数P146 理想运算放大器,一、开环电压
6、放大倍数Auo:无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的Aod为。,二、共模抑制比KCMMR:常用分贝作单位,一般100dB以上。,ri 大:几十k 几百 k,实际运放:,KCMRR 很大,ro 小:几十 几百,A u o 很大:104 107,*,运放符号:,实际运放的符号,理想运放的符号,*,国际符号,国内符号,10,运放的三种基本信号输入方式 6.1.3运放的传输特性,反相输入端,同相输入,差分输入,三种基本信号输入方式,反相输入,同相输入端,输出端,+,ud,输入电压,输出电压,线性放大区,例:若UOM=12V,Ao=106,则|ui|12V时,运放处于线性区
7、。,Ao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。运放是直流放大器,也可放大低频信号,不适用于高频信号。,饱和区,饱和区,11,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。,理想运放的条件,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。,运放工作在线性区的特点,关键,电路分析时,理想运放的处理方法,12,6.2 运算放大电路中的负反馈,目的:改善放大电路的工作性能,构成:反馈电路,难点,6.2.1反馈的基本概念,凡是将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部引回到
8、输入端,与输入信号迭加,就称为反馈。,若引回的信号削弱了输入信号,就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号,就称为正反馈。,这里所说的信号一般是指交流信号,所以判断正负反馈,就要判断反馈信号与输入信号的相位关系,同相是正反馈 positive feedback,反相是负反馈negative feedback。,13,取+加强输入信号 正反馈 用于振荡器,取-削弱输入信号 负反馈 用于放大器,开环,闭环,负反馈的作用:稳定静态工作点;稳定放大倍数;提高输入电阻;降低输出电阻;扩展通频带。,反馈框图,14,反馈电路的三个环节:,放大:,反馈:,叠加:,输出信号,输入信号,反馈信号,差值信号或净输入
9、信号,负反馈框图,开环放大倍数,闭环放大倍数,反馈系数,当Ao很大时,AoF1,结论:当Ao很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关,只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。,深度负反馈,15,交流反馈:反馈只对交流信号起作用。直流反馈:反馈只对直流起作用。,若在反馈网络中串接隔直电容,则可以隔断直流,此时反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容,可以使其只对直流起作用。,有的反馈只对交流信号起作用;有的反馈只对直流信号起作用;有的反馈对交、直流信号均起作用。,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,作用:稳定静态工
10、作点,6.2.2负反馈negative feedback的类型,作用:稳定放大倍数;提高输入电阻;降低输出电阻;扩展通频带,16,一、电压反馈和电流反馈,电压反馈voltage feedback:反馈信号取自输出电压信号。电流反馈current feedback:反馈信号取自输出电流信号。,电压负反馈:可以稳定输出电压、减小输出电阻。电流负反馈:可以稳定输出电流、增大输出电阻。,根据反馈所采样的信号不同,可以分为电压反馈和电流反馈。,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同,可以分为串联反馈和并联反馈。,串联反馈series feedback:反馈信号与输入信号串联,即反馈电压信号与输入信
11、号电压比较。,并联反馈parallel feedback:反馈信号与输入信号并联,即反馈信号电流与输入信号电流比较。,串联反馈使电路的输入电阻增大;并联反馈使电路的输入电阻减小。,二、串联反馈和并联反馈,17,输出量、输入量、净输入量、反馈量的量纲各不相同。,电压/电流反馈串联/并联反馈 四种反馈组态,串联反馈(以电压信号形式进行比较),并联反馈(以电流信号形式进行比较),电压反馈,电压反馈,电流反馈,电流反馈,18,1.有无反馈?找出反馈网络(电路)。1.交流/直流反馈?如果反馈电路仅反映放大电路中的直流分量变化,则为直流反馈。反之,为交流反馈。如果二者都具备,为交直流反馈。2.串联/并联反
12、馈?输入信号和反馈信号分别加在两个输入端(同相和反相)上的,是串联反馈(以电压信号形式进行比较);加在同一个输入端(同相或反相)上的,是并联反馈(以电流信号形式进行比较);3.电压/电流反馈?从输出端直取回的反馈,是电压反馈;从输出负载串联的电阻上取回的反馈,是电流反馈;4.正/负反馈?反馈使得净输入信号减小,为负反馈,反之,为正反馈。瞬时极性法,反馈类型的判别方法和步骤,3、是否负反馈?,19,1.有反馈和无反馈的判断:“找联系”。观察是否有反馈电路将放大电路的输出回路和输入回路联系在一起。,反馈类型的判断分析,2.正反馈和负反馈,反馈量是仅仅决定于输出量的物理量。,反馈极性通常采用“瞬时极
13、性法”判断。,瞬时极性法:给定 的瞬时极性判断 的极性判断 的极性判断 上升还是下降下降,负反馈;上升,正反馈,20,三极管的集电极与基极相位相反,晶体管和集成运算放大器的瞬时极性,例子,反馈类型的判断 原则P151,21,1.串联电压负反馈,削弱净输入为负反馈,1,反馈直接取自输出电压,为电压反馈,2,反馈信号与输入信号分别加在两个输入端上,为串联反馈,以电压的形式比较。,交直流电压串联负反馈,3,瞬时极性法,设输入电压 ui 为正,,各电压的在此瞬时,实际方向如图,6.2.3 具体负反馈电路分析 P153-155 图6.2.4-图6.2.7,22,3.串联电流负反馈,削弱净输入为负反馈,交
14、直流电流串联负反馈,1,反馈从输出负载串联的电阻上取回,为电流反馈,2,反馈信号与输入信号分别加在两个输入端上,为串联反馈,以电压的形式比较。,3,瞬时极性法,设输入电压 ui 为正,,各电压的在此瞬时,实际方向如图,23,4.并联电压负反馈,削弱净输入为负反馈,交直流电压并联负反馈,1,反馈直接取自输出电压,为电压反馈,2,反馈信号与输入信号加在同一个输入端上,为并联反馈,以电流的形式比较。,3,瞬时极性法,设输入电压 ui 为正,,各电压的在此瞬时,实际方向如图,24,4.并联电流负反馈,削弱净输入为负反馈,交直流电流并联负反馈,2,反馈信号与输入信号加在同一个输入端上,为并联反馈,以电流
15、的形式比较。,1,反馈从输出负载串联的电阻上取回,为电流反馈,3,瞬时极性法,设输入电压 ui 为正,,各电压的在此瞬时,实际方向如图,25,1.有无反馈?找出反馈网络(电路)。1.交流/直流反馈?如果反馈电路仅反映放大电路中的直流分量变化,则为直流反馈。反之,为交流反馈。如果二者都具备,为交直流反馈。2.串联/并联反馈?输入信号和反馈信号分别加在两个输入端(同相和反相)上的,是串联反馈(以电压信号形式进行比较);加在同一个输入端(同相或反相)上的,是并联反馈(以电流信号形式进行比较);3.电压/电流反馈?从输出端直取回的反馈,是电压反馈;从输出负载串联的电阻上取回的反馈,是电流反馈;4.正/
16、负反馈?反馈使得净输入信号减小,为负反馈,反之,为正反馈。瞬时极性法,反馈类型的判别方法和步骤,3、是否负反馈?,26,例1,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解:,因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出,所以是电压反馈;,因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上,所以是串联反馈;因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差,所以是负反馈。,串联电压负反馈,先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号;,27,例2,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解:,因反馈电路是从运算放大器A2的负载
17、电阻RL的靠近“地”端引出的,所以是电流反馈;,因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上,所以是并联反馈;,因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差,所以是负反馈。,并联电流负反馈,28,根据反馈所采样的信号不同,可以分为电压反馈和电流反馈。,电压反馈反馈信号取自输出电压信号电流反馈反馈信号取自输出电流信号,电压反馈采样的两种形式:,电流反馈采样的两种形式:,电压反馈与电流反馈,29,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同,可以分为串联反馈和并联反馈。,串联反馈反馈信号以电压的形式与输入信号串联,并联反馈反馈信号以电流的形式与输入信号并联,串联反馈与并联反馈,ib=i-if,并联反馈
18、,ube=ui-uf,串联反馈,30,交流反馈,反馈只对交流信号起作用;直流反馈,反馈只对直流信号起作用;交直流反馈,反馈对交直流均起作用,在反馈网络中串接隔直电容,可隔断直流,反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容,可以使其只对直流起作用。,交流反馈与直流反馈,无C:交直流反馈,uo,有C:交流反馈,注:本电路中C1、C2也起到隔直作用。,31,增加旁路电容C后,RE1只对直流起反馈作用。,例:直流反馈,32,反馈电路的基本方程,6.2.4 负反馈对放大电路工作性能的影响,一、对放大倍数的影响,Ao,开环放大倍数,AF,闭环放大倍数,33,同相,所以,则有:,负反馈使放大倍
19、数下降。,引入负反馈使电路的稳定性提高。,(2),在深度负反馈的情况下,放大倍数只与反馈网络有关。,34,加反馈前,加反馈后,改善,二、改善波形的失真,35,引入负反馈使电路的通频带宽度增加。,三、展宽通频带,36,在具有负反馈的放大电路中,输入电阻仅取决于反馈电路与基本放大电路输入回路的连接方法。,1,对输入电阻的影响,串联反馈使输入电阻增加,例如:射极输出器,并联反馈使输入电阻减小:,P159 表6.2.1,四、对输入、输出电阻的影响,2,对输出电阻的影响,在具有负反馈的放大电路中,输出电阻仅取决于反馈电路与基本放大电路输出回路的连接方式。,电压反馈使输出电阻减小,例如:射极输出器,电流反
20、馈使输出电阻增大,37,接有发射极交流负反馈电阻的放大器,(电流串联负反馈),ui=ube+uf,负反馈电阻RF,符合公式:,分立元件放大电路中的反馈,RB1=100k RB2=33kRE=2.4k RF=100RC=5k RL=5k=60 UCC=15Vrbe=1.62 k,(1)放大倍数减小了,但稳定了,即受晶体管的影响减小。(2)输入电阻提高了。,38,6.5 运算放大器使用时应注意的问题,元件的选取:根据要求选取。消振:消除内部的自激振荡。调零保护:输入端保护、输出端保护、电源保护。利用二极管和稳压二极管。扩大输出电流:输出端加接一级互补对称电路。,放大倍数稳定性的比较,无RF,=60
21、时,Au=-93,=50时,Au=-77,有RF,AF,=60时,Au=-19,=50时,Au=-18.6,分立元件放大电路中的反馈,39,6.3 线性应用 信号运算电路:比例、加法、减法、积分、微分6.4 非线性应用 信号测量电路:采用运放以提高测量精度和扩大测量功能。信号处理电路:有源滤波、信号比较、信号采样保持等 信号产生电路:方波、三角波等非正弦信号;正弦波,集成运算放大器的应用,40,虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关,可以分开分析。,信号的放大、运算,有源滤波电路,运放线性应用,6.3 信号运算电路,会分析,分析什么?,输入和输出的关系参数确定,41,ii=if,结构特点:负反馈引
22、到反相输入端,信号也从反相端输入。,6.3.1 比例运算电路,作用:将信号按比例放大。,类型:同相比例放大和反相比例放大。,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。,1、反相比例运算电路,虚短路,虚断路,R2=R1/RF,电压并联负反馈,42,反馈方式 反相器 反相比例电路的特点,当RF=R1时,为反相器,输出电阻很小!,电压并联负反馈,1)共模输入电压为0,因此对运放的共模抑制比要求低。,2)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。接近恒压源。,3)由于并联负反馈的作用,输入电阻小,因此从信号源取的
23、电流较大。对信号源要求较高。,5)在放大倍数较大时,该电路结构不再适用。,4)输入和输出反相。,43,u-=u+=ui,反馈方式:电压串联负反馈。输入电阻高。,结构特点:负反馈引到反相输入端,信号从同相端输入。,2、同相比例运算电路,ii,if,虚短路,虚断路,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。,在电路中作用与分离元件的射极输出器相同,但是电压跟随性能好。,ii=if,同相比例运算电路的特点:,3)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)
24、由于串联负反馈的作用,输入电阻大。,4)输入与输出同相,放大倍数大于等于 1。,44,作用:将若干个输入信号之和按比例放大。,类型:同相求和和反相求和。,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。,6.3.2 加法运算,1、反相求和运算 输入个数可变 2、同相求和运算 输入个数可变,叠加法,45,解出:,6.3.2 减法运算电路:双端输入差动放大器,当R1=R2,RF=R3时,当R1=R2,RF=R3,且,R1=RF时,该电路的特点:由于采用双端差动输入,故具有高共模抑制比;但由于有并联负反馈存在,故它的输入电阻不高。,差动放
25、大器放大了两个信号的差,可实现减法运算。,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。,46,减法运算电路:多输入信号,虚短路,虚断路,虚断路,由节点电压法,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。,47,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。,单运放的加减运算电路,改进:采用双运放电路。,双运放的加减运算电路,双运放的加减运算电路,48,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),实现此功能的方
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