集成运算放大器讲课版.ppt

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1、集成运算放大器南京工业大学信息科学与工程学院电子系,第五章,第五章 集成运算放大器,1、集成运算放大器概述,2、放大电路中的负反馈,4、集成运放在信号处理方面的运用,3、集成运放在信号运算方面的运用,返回,前一页,后一页,1、了解集成运放的基本概念、电压传输特性和主要参数。2、理解反馈的概念，了解反馈的类型；了解 负反馈对放大电路性能的影响。3、掌握理想运算放大器的基本分析方法，理解集成运放组成的比例、加、减、微分和积分电路的工作原理。4、了解单门限电压比较器的工作原理。,基本要求：,后一页,返回,前一页,重点：,了解集成运放的电压传输特性和主要参数。理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的

2、影响。掌握理想运算放大器的基本分析方法。了解单门限电压比较器的工作原理。难点：反馈的极性和类型判断，理想运放虚短、虚断的概念。,第一节 集成运算放大器概述,一、集成运放的基本组成,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的直 接耦合放大器。四个组成部分：输入级、中间级、输出级和偏置电路,输入级：具有较高的输入电阻，能减小零点 漂移和抑制干扰信号，采用差动放大电路。中间级：提供足够大的电压放大倍数。常采用一级或多级共射放大电路。输出级：要向负载提供一定的功率，要求输出阻抗 Ro小，带负载能力强。常采用射极输出器或互补射极输出器组成。偏置电路：提供合适的工作电流。,二、集成运放的输入级差动放大电路,集

3、成运放电路主要采用直接耦合方式，因此需要解决零点漂移的问题。差动放大电路作为多级放大电路的输入级，能够抑制零点漂移。,电路结构,T1和T2特性相同，电路结构对称，两个输入、两个输出,uo,ui1,+UCC,RC,T1,RC,T2,ui2,+,+,+,uo1,uo2,+,+,U,+UCC,u+,uo,u,反相输入端,同相输入端,T3,T4,T5,T1,T2,IS,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,三、集成运放的封装,电路结构,四、集成运放的特性,1）开环差模电压增益 Ao 是决定运放运算精度的主要因素。,2）最大输出电压 UOmax 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,3

4、)输入失调电压 UIO4)输入失调电流 IIO5)输入偏置电流 IIB,愈小愈好,1集成运放的主要参数,、集成运放的电压传输特性,uo=f(ui),线性区,饱和区,线性区：uo=Ao（u+u）,饱和区：u+u 时，uo=+Uou+u 时，uo=Uo,uo=Ao（u+u）,线性区,电压传输特性,、集成运放的理想特性(重点),Auo，rid，ro 0,输入电流约等于 0 即 i+=i 0 称“虚断”,差模输入电压约等于 0 即 u+=u 称“虚短”,第二节放大电路中的负反馈,一、反馈的基本概念二、放大电路中负反馈的类型三、负反馈对放大电路性能的改善,一、反馈的基本概念,反馈：将放大电路输出端的信号

5、(电压或电流)的一部分或全部引回到输入端。,将输出电流反馈到输入,将输出电压反馈到输入,反馈放大电路的三个环节：,基本放大电路,比较环节,反馈电路,输出信号,输入信号,反馈信号,反馈系数,净输入信号,放大倍数,直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈 元件只能传递直流信号。,负反馈：反馈信号削弱净输入信号，使放大倍数降低。,交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈 元件只能传递交流信号。,正反馈：反馈信号增强净输入信号，使放大倍数提高。,二、放大电路中反馈的类型,1 交流反馈与直流反馈,在反馈网络中串接隔直电容，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

6、对直流起作用。,反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。反馈只对直流起作用，称为直流反馈。有的反馈对交直流均起作用。,返回,后一页,前一页,RE直流反馈,RE交直流反馈,返回,后一页,前一页,2、放大电路中负反馈的类型,1),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。,电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。,电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。,如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。,返回,后一页,前一页,2),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。,反馈信号与输入信号串联，称为串联反馈。

7、,反馈信号与输入信号并联，称为并联反馈。,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。,ib=ii-if,输入信号,反馈信号,净输入信号,并联反馈,ube=ui-uf,输入信号,净输入信号,串联反馈,反馈信号,反馈信号与输入信号并联，即反馈电流信号与输入信号电流比较,称为并联反馈。,反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较的，称为串联反馈。,负反馈,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,负反馈的分类,、负反馈放大电路的分析,分析步骤：,3)判别是否负反馈？,1)找出反馈网络（一般是电阻、电容)。,2)判别是交流反馈还是直流反馈？,4)是

8、负反馈！判断是何种类型的负反馈？,返回,后一页,前一页,例1：,1)判反馈元件（电阻和电容）(1）连接在输入与输出之间的元件。(2）为输入回路与输出回路所共有的元件。,发射极电阻 RE为输入回路与输出回路所共有，所以RE是反馈元件。,返回,后一页,前一页,例1：,2）判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信号均可通过 RE，所以RE引入的是交、直流反馈。,如果有发射极旁路电容，RE中仅有直流分量的信号通过，这时RE引入的则是直流反馈。,返回,后一页,前一页,例1：,3)判断反馈类型 重点讨论交流反馈,净输入信号：,ui与uf 串联，以电压形 式比较串联反馈,ui正半周时，uf也是正半周，即

9、两者同相,减小,-负反馈,uf 正比于输出电流电流反馈,电流串联负反馈,跳转2,+,+,返回,后一页,前一页,1）判断负反馈的方法：,瞬时极性法：,假设输入级基极瞬时极性为正，根据集电极瞬时极性与基极相反、发射极瞬时极性与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。,+,+,+,输入与反馈极性相同为负反馈,输入与反馈极性相反为正反馈,输入与反馈极性相反为负反馈,输入与反馈极性相同为正反馈,返回,后一页,前一页,2）判断串、并联反馈,反馈到基极为并联反馈,反馈到发射极为串联反馈,返回,后一页,前一页,在一个点比较,比较信号为电流时是并联,在两个点比较,比较信号为电压/位时是串联,从集电极引出为电压反

10、馈,从发射极引出为电流反馈,共发射极电路,3）判断电压、电流反馈,返回,后一页,前一页,判断反馈类型的口诀：,共发射极电路：,集出为压，射出为流，基入为并，射入为串。,例1：判断图示电路中RE1、RE2 的负反馈作用。,RE2对交流不起作用，RE1对交、直流均起作用,电流串联反馈,思考,+,+,返回,后一页,前一页,例2：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的类型。,电压串联负反馈（交流反馈）,返回,后一页,前一页,+,C1,RB1,RC1,RB21,RB22,RC2,RE2,RE1,C3,C2,+UCC,uo,ui,+,T2,若Rf与T发射极相接如图所示，引入的是何种类型的反馈？,T1,正反馈

11、,思考,返回,后一页,前一页,例3：判断图示电路Rf的反馈类型。,电流并联负反馈（交、直流反馈）,+,思考,+,+,返回,后一页,前一页,三、负反馈对放大电路性能的影响,反馈电路的基本方程,反馈系数,净输入信号,基本放大器的放大倍数,返回,后一页,前一页,1.提高放大倍数的稳定性,返回,后一页,前一页,负反馈使放大倍数下降。,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。,放大倍数下降1+|AF|倍，其稳定性提高1+|AF|倍。,中，,则有：,返回,后一页,前一页,若,称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的条件下，放大倍数只与反馈网络有关。,反馈深度,返回,后一页,前一页,2.减小非线性的失真,加反馈前,

12、加反馈后,小,大,小,大,小,大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，但不能完全消除失真。,返回,后一页,前一页,扩展宽通频带(知道有这么个结论即可),引入负反馈使电路的通频带宽度增加：,无负反馈,有负反馈,跳转,返回,后一页,前一页,4.对输入电阻的影响,在同样的Ib下，Ui=Ube+Uf Ube，rif 提高。,1）串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈时：,使电路的输入电阻提高,返回,后一页,前一页,无负反馈时：,有负反馈时：,在同样的Ube下，Ii=Ib+If Ib，rif 降低。,2）并联负反馈,使电路的输入电阻降低,返回,后一页,前一页,电压负反馈具有稳定输出电压

13、的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,1）电压负反馈使电路的输出电阻降低,2）电流负反馈使电路的输出电阻提高,5.对输出电阻的影响,返回,后一页,前一页,第三节 集成运放器在信号运算方面的运用,一、比例运算二、加法运算三、减法运算四、积分运算五、微分运算,后一页,返回,前一页,一、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,虚断,虚短 u-=u+=0 称“虚地”反相 输入的重要特点,一、比例运算,要求静态时 u+、u-对地电阻相同，平衡电阻 R2=R1

14、/RF,虚短 u-=u+=0 称“虚地”反相 输入运算的重要特点,1、反相比例运算,电压并联负反馈,输入电阻低，共模电压 0,后一页,返回,前一页,电压并联负反馈，输入电阻低.,结论：,Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。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。,u-=u+=0，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；2、若 R1不变，要求Au f为 10，则RF 应为 多少？,RF,解：1、Au f=RF R1=50 10=5,2、A

15、u f=RF R1=RF 10=10 RF=Auf R1=10 10=100,返回,虚短,虚断,输入电阻高,2、同相比例运算电路,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,电压串联负反馈,电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻 低。,结论：,Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。ui 加 在同相输入端。,Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。,Auf 1，不能小于 1。,u-=u+0，反相输入端不存在“虚地”现象。,后一页,返回,前一页,当 R1=或 RF=0 时，,uo=ui，Au f=1，称电压跟随器。,此电路是电压 串联负反馈，输 入电阻高，输出 电阻低，在电路 中的

16、作用与分立 元件的射极输出 器相同，但是电 压跟随性能更好。,后一页,返回,前一页,二、加法运算,虚短 u-=u+=0,虚断,后一页,返回,前一页,三、减法运算,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法一：,后一页,返回,前一页,如果取 R1=R2，R3=RF,如果取 R1=R2=R3=RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,后一页,返回,前一页,分析方法二：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。,后一页,返回,前一页,四、积分运算,由虚短及虚断性质可得 i1=if,后一页,返回,前一页,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

17、,输出电压随时间线性变化,后一页,返回,前一页,当电容CF的初始电压为 uc(t0)时，则有,前一页,后一页,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u0是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。,返回,比例积分运算,电路的输出电压,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。,iF,前一页,后一页,PI调节器,+,返回,五、微分运算,前一页,后一页,由虚短及虚断性质可得,返回,比例微分运算,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,前一页,后一页,返回,第四节 集成运放在信号处理方面的应用

18、,一、有源滤波器 二、电压比较器,前一页,后一页,返回,一、有源滤波器,滤波器：选频电路。它能选出有用频率信号，而抑制无用频率信号。,无源滤波器：由电阻、电容和电感元件组成的滤波器。,有源滤波器：由运算放大器组成的滤波器。,缺点：低频时体积大，很难做到小型化。,特点：体积小、效率高、频率特性好。,前一页,后一页,返回,二、电压比较电路,前一页,后一页,返回,电压传输特性,-Uo,+Uo,有,运放处于开环状态,1、基本电压比较器,可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。门限电平：输出状态转换所对应的输入电压。,即,UR,单限电压比较电路：当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。,前一页,后一页,返回,ui UR，uo=+UOui UR，uo=UO,电压传输特性,uo,前一页,后一页,返回,ui,t,o,UR,前一页,后一页,返回,2、有限幅的比较器,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,+,+,ui,uo,u+,u_,。,。,R1,+,_,UR,R2,前一页,后一页,返回,2023/11/18,电工电子学B,3、过零电压比较电路,优点：结构简单，灵敏度高,R2,前一页,后一页,返回,例：利用电压比较电路将正弦波变为方波。,过零比较电路,前一页,后一页,返回,作业,8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-17,本章结束!,