4差动放大电路及运算放大器.ppt

第4章返回下页上页4.3 集成运算放大器集成运算放大器4.3.1 集成运放的组成集成运放的组成4.3.2集成运放的基本特性集成运放的基本特性4.3.3放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈4.3.4集成运放在模拟信号运算方集成运放在模拟信号运算方面的应用面的应用4.3.5集成运放在幅值比较方面的应集成运放在幅值比较方面的应用用*4.3.6应用举例应用举例4.1 集成运放的组成集成运放的组成4.1.1 概述4.1.2 集成运放的输入级电路差分放大电路4.1.3 集成运放的输出级电路互补对称电路4.1.4 集成运放的工作原理和图形符号返回第4章上页下页u-u0中间级中间级输出级输出级置置 路路 偏偏 电电u+ui输入级输入级4.1.1 概述 集成运放是具有高开环放大倍数并带有深度集成运放是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。负反馈的多级直接耦合放大电路。第4章上页下页返回 集成运放的组成框图集成电路的特点第4章上页下页 在集成电路工艺中还难于制造电感元件和大容量电容，因此集成运放主要采用直接耦合。 运算放大器的输入级采用差分放大电路，其特点是输入电阻高、抗干扰能力强、零漂小。 在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。 集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。返回4.1.2 集成运放的输入级电路差分放大电路差分放大电路第4章上页下页返回RRB1C1uiuoTT12UCE1+UCCE2RRC2+ 前、后级静态工作点的相互影响 当放大器的输入电压 ui = 0 时，其输出电压uO往往不为常数，称这种现象为放大器的零点漂移。tu0o 出现零点漂移的原因出现零点漂移的原因： 多级直接耦合放大器的放大倍数很高。输入级由于管子特性、参数随温度变化等因素引起输出电压很大的变化，从而导致整个放大器无法正常工作。第4章上页下页返回直接耦合放大器的零点漂移第4章上页下页返回恒流源的组成：恒流源的组成：工作原理：工作原理：设设iC3iB3iC3UR2UBE3（ UB3 固定固定）R1、DZ、T3、R2ToCiC1iC21.1.典型差分放大电路对零漂的抑制+UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+uiui1+UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02+E+u0UEER1RRRBiC1iC1大小相等、极性相反大小相等、极性相反第4章上页下页返回2.2.差分放大电路对差模信号的放大作用差分放大电路对差模信号的放大作用 差模输入：差模输入：ui1 = ui2 大小相等、极性相反大小相等、极性相反ui1 = 2ui2ui，ui2 = - +UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+uiui1+UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02+E+u0UEER1RRRB第4章上页下页返回uO= uO2uO1= Au1ui1=Au1（ui1 -ui2）双端输出时差模信号电压放大倍数双端输出时差模信号电压放大倍数uiAdAu1=uO=ui2Au2输出输出 uO = uO2uO1差模输入差模输入 ui1 ui2 ，ui=uiAu1RCRCT1T2C1C2ui2+uiui1+u01u02+E+u0RL2RL2差分放大电路的交流通路差分放大电路的交流通路 第4章上页下页返回共模输入：共模输入：输出输出 uo1C = uo2CKCMR = AdAc共模抑制比共模抑制比大小相等，极性相同大小相等，极性相同 。ui1 =ui2 双端输出时双端输出时Auc = 0uiCuO1C uO2C3.3.差分放大电路的共模放大倍数差分放大电路的共模放大倍数 +UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+uiui1+UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02+E+u0UEER1RRRB单端输入单端输入- -单端输出单端输出第4章上页下页4.4.差分放大电路的输入输出方式差分放大电路的输入输出方式 双端输入双端输入- -单端输出单端输出单端输入单端输入- -双端输出双端输出返回+UCCRCT1T2+_uiUEE_IS+_u0RLRCRBRBu0+_ui+_RCRC+UCCRBRBISUEE_u0+_uiRCRC+UCCRBRBISUEE_+_4.1.3 集成运放的输出级电路互补对称电路互补对称电路+UCCR1R2RLT1T2BiC1iC2uOiOUCC特点：T1和T2两个晶体管特性相同且轮流导通，提高输出功率。 互补对称电路结构对称，采 用正负对称电源，静态时无直流电压输出，负载可直接接到发射极，实现了直接耦合。电路为射级输出器，输出电阻小，带负载能力强。第4章上页下页返回R3uiB2B1+D1D24.1.4 集成运放的符号、管脚 反相输入端uu 同相输入端信号传输方向ui输出端理想运放开环电压放大倍数ou实际运放开环电压放大倍数第4章上页下页返回AO1. 电压传输特性第4章上页下页返回4.2 4.2 集成运放的基本特性集成运放的基本特性uo0uiUOMUOM uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u u UiUi+线性区uiUiUi+Ui+和uiUi- u-时，时，u0=UO+iiuO+rid+输出电压u0只有两种可能：当u+ rid。（二）电压并联负反馈反相输入方式的比例、加法运算电路都属于电压并联负反馈放大电路。以反相比例运算电路为例，其输出端接有负载电阻RL。即输入电阻ri只取决于外接电阻R1。)0(111uRIuIRIUriiii上页下页返回第4章（三）电流串联负反馈如图所示电压电流转换器是具有电流串联负反馈的运放电路。上页下页返回第4章若转换器的负载是一块毫安表，表针偏转角将与输入电压（即待测电压Ux）成正比，整个运放电路就是一个直流电压表。上页下页返回第4章如果转换器的输入电压取自恒压源，如取自稳压管的电压UZ，其输出电路就是一个恒流源，输出电流为 定值1RUIoo（四）电流并联负反馈上页下页返回第4章1.电压串联负反馈电压串联负反馈在在输出端输出端，F与与A相并联相并联, , uf与与uo成正比成正比，为电压反馈；，为电压反馈；在在输入端输入端, , uf 与与 ui 相串联相串联（以电压的形式）以电压的形式）为串联反馈为串联反馈；ud= ui uf ui，为负反馈为负反馈。净输入信号净输入信号第4章上页下页R1 1Rf f+uiR2 2_uf+_uo_+RLuLFA0uiudufuo+- ui uf 返回同相输入电路AOR1 1uiR2 2+_RLuo_+uL判断是电压还是电流反馈？uf与与uo成正比，成正比，f fRuf+_uf=u0R1+Rf因为因为，为为电压反馈电压反馈判断是串联还是并联反馈？从输入端分析：从输入端分析：uf 与与 ui 相串联相串联, ,-ud+ud= ui uf第4章上页下页返回从输出端分析：从输出端分析：id+_uf+_uduf 以电压的形式出现。以电压的形式出现。为串联反馈为串联反馈+_uiid= 0AOR1 1uouiR2 2+_+RLf fRuf+_-ud+判断是正反馈还是负反馈？反馈类型的判别反馈类型的判别 瞬时极性法瞬时极性法首先设输入电压的极性在某一瞬时对地为正；最后根据同一瞬时反馈电压与输入电压相比较的结果加以判断 然后找出电路其余各点 的瞬时极性；由上述结果可知：引入反馈后使净输人电压减小，为负反馈。负反馈。第4章上页下页返回+_ud+_uf+_uiud= ui ufuiAO该例为该例为电压串联负反馈电路电压串联负反馈电路在输入端在输入端, , 信号以电流出现信号以电流出现, , if与与ii相并联相并联, ,为并联反馈为并联反馈；id = ii if ii ，为负反馈。为负反馈。净输入信号净输入信号在输出端在输出端， if与与uo成正比成正比, , 为电压反馈为电压反馈；if第4章上页下页2.电压并联负反馈电压并联负反馈RLuiuoRfR2R1ii反相输入电路_+uL返回FA0uiuo+-iiifii if idAORLuiuoRfR2R1ii反相输入电路_+uLif判断是电压还是电流反馈？u-if=u-_u0Rf因为所以为电压反馈电压反馈。判断是串联还是并联反馈？信号以电流出现, if与ii相并联,为并联反馈并联反馈；判断是正反馈还是负反馈？+_idid = ii if ii ，为为负反馈负反馈。净输入信号该例为该例为电压并联负反馈电路电压并联负反馈电路第4章上页下页返回-u0Rf瞬时极性法瞬时极性法AO=3. 电流串联负反馈电流串联负反馈ud= ui uf ui ，为负反馈为负反馈。净输入信号净输入信号在输入端在输入端, ,信号以电压信号以电压形式形式出现出现, ,uf与与ui相串联相串联, ,为串联反馈为串联反馈；在输出端在输出端， uf f与与 io成正比，为电流反馈成正比，为电流反馈；i0bL第4章上页下页返回udui+uLioFA0uiuduf+- ui uf uf f+AO在放大器在放大器输入输入端端, , 信号以电流出现信号以电流出现, , if与与id相并联相并联, ,为并联反馈为并联反馈； id= ii if ii ，为负反馈为负反馈。净输入电流净输入电流在放大器输出端在放大器输出端， if与与 io成正比成正比，为电流反馈为电流反馈；第4章上页下页返回FA0io+-iiifii if id第4章上页下页返回RL+i0uLRfR2R1iiidifRbui+-iiL运用瞬时极性法判别正、负反馈？各点的瞬时极性各点的瞬时极性u0各电流的实际方向各电流的实际方向id净输入电流净输入电流 id= ii if ii ，为负反馈为负反馈。电压还是电流反馈？R2+Rfif=i0R2,判断是串联还是并联反馈？该例为该例为电流并联负反馈电路电流并联负反馈电路RLuLRfR2if+-ii0+_uiid_ii+_u0 if+AO第4章上页下页返回负反馈类型的分析方法小结瞬时极性法瞬时极性法正、负反馈的分析正、负反馈的分析 第一步 ：找出电路各点的瞬时极性第二步 ： 将反馈信号与输入信号相比较 id = ii if ii ud= ui ufui削弱净输入信号 负反馈负反馈串联还是并联反馈串联还是并联反馈从输入回路分析从输入回路分析反馈信号与输入信号相串联加到输入端 串联负反馈串联负反馈（以电压形式出现）反馈信号与输入信号相并联加到输入端 并联负反馈并联负反馈（以电流形式出现）Rf+_R1 1R2uf+_u0ui+_uf+_ud+_uiRf+_R1 1R2u0uiiiifAO+_uiid_ii+_u0 if+第4章上页下页返回电压还是电流反馈电压还是电流反馈从输出回路分析从输出回路分析Rf+_R1 1R2u0uiiiif反馈信号（ ）与输出电压 u0 或ufif 电压负反馈电压负反馈直接成比例关系反馈信号（ ）与输出电流 i0 或ufif 电流负反馈电流负反馈直接成比例关系F F+-+-i0LuiufRfUif=Rf-u0uf=i0RfAOAO 例题例题4.3.14.3.1反馈类型的判别uiA1A2ufuoRFRL在输入端在输入端：ud =ui- uf ui 为负为反馈为负为反馈ud瞬时极性法u01+第4章上页下页返回AOAO 串联、并联反馈判别 在输入回路中分析uiA1A2ufuoRFuf以电压形式出现且与以电压形式出现且与ui相串联接在输入端，相串联接在输入端，故为串联反馈故为串联反馈udu01+第4章上页下页返回AOAO 电压、电流反馈判别 在输出回路中分析uiA1A2ufuoRF反馈电路直接从输出端引出，反馈电路直接从输出端引出， uf与与uo成正比为电压反馈成正比为电压反馈udu01+Rf引入电压串联负反馈引入电压串联负反馈第4章上页下页返回AOAO 试判别图示电路中反馈的类型和极性uiA1A2iiuoRFu01+ioidifRL利用瞬时极性法判别正、负反馈利用瞬时极性法判别正、负反馈为负反馈为负反馈在输入回路中分析串联、并联反馈在输入回路中分析串联、并联反馈并联反馈并联反馈在输出回路中分析电压、电流反馈在输出回路中分析电压、电流反馈电流反馈电流反馈第4章上页下页返回所以，所以，RF引入了电流并联负反馈引入了电流并联负反馈 例题例题4.3.24.3.2AOAOAFxoxixdxf 4.3.3 负反馈对放大器性能的影响1.提高放大倍数的稳定性设开环放大倍数的相对变化率为dA/AAf=A1+AF，对A求导得dAfdA=11+AFAF(1+AF )2=1(1+AF)2，dAf=dA(1+AF )2dAfAf=dA/A(1+AF )21+AF=dAA.11+AFdAfAf=dAA1.1+AF第4章上页下页返回闭环放大倍数的相对变化率为 dAf/AfAFxoxixdxf 0.707A0AfffLfHAAfA00.707AffLffHfBWf 1 AF BW加入负反馈使放大器加入负反馈使放大器的通频带展宽的通频带展宽0无负反馈无负反馈有负反馈有负反馈第4章上页下页返回BWBWffLf fL ufuiuiuo负反馈负反馈改善了波形失真改善了波形失真A加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FAuoud第4章上页下页返回第4章上页下页返回第4章上页下页返回4.4 集成运放在模拟信号运集成运放在模拟信号运算方面的应用算方面的应用4.4.1 比例运算电路4.4.2 加、减运算电路4.4.3 积分、微分运算电路4.4.1 比例运算电路1、反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路uiuoi1ifiRfR1R2Rf f引入深度负反馈引入深度负反馈并联电压负反馈R1输入电阻Rf反馈电阻R2平衡电阻R2= R1/ R1第4章上页下页返回i反相输入运算关系uiuoi1ifi-RfR1R2“虚断路虚断路” i-= 0uif = oRfi1 =ifAf = = u0uiRfR1反相比例反相比例 当当Rf=R1=R时时u0Af = = 1ui反相器反相器第4章上页下页返回“虚地虚地”u-=u+=0uii1 = R1，ui R1u= oRf1)输入电阻低反相比例器引入并联电压负反馈2)输出电阻低反相比例器的特点 第4章上页下页返回uiuoi1i-RfR1R2if2、同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路RfR1R2ui1if同相比例运算电路uu = o -R1R1 Rf+u-u =+故有故有： Auf = uoui = 1+ RfR1 1同相输入比例器同相输入比例器u第4章上页下页idu+u_返回id 0=uiuu = o iR1R1 Rf+o = 1+ ui Rf R1 1uoi同相输入比例器的特点同相输入比例器的特点 同相输入比例器属于电压串联负反馈电路。1)1) 输入电阻高输入电阻高在理想运放的情况下，输入电阻：ri2)2) 输出电阻低输出电阻低在理想运放的情况下，ro0RfR1R2uoi1if同相比例运算电路同相比例运算电路ui第4章上页下页返回电压跟随器电压跟随器当R1=或 Rf=0时uo = ui同相跟随器同相跟随器uiR2uoRfR1R2uoi1if同相比例运算电路同相比例运算电路ui第4章上页下页返回 = 1+ ui Rf R1 1uo4.4.2 加、减 运算电路1、加法运算电路、加法运算电路fu obui1 ui3ui2 i1i2i3if132第4章上页下页Rb=R1 / R2 / R3 / Rf 反相加法运算电路返回ui1 fu obui3ui2 i1i2i3if132 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RfRfRfR1R2R3i-因i-= 0，故i1+i2+i3=if即ui1u-R1ui2u-R2+ui3u-R3+u0Rfu-=u_u_又 “虛地”第4章上页下页返回运算关系其中其中 R = R21 R22 R第4章上页下页返回 uO = 1+ + R + + RfR1R21ui1R22ui2ui1u+R21+ +ui2u+R22 =u+Rf211uoui1ui222同相加法运算电路ui2ui1u+=R21R22+ +R21R22R1 1+ +1 1+ +1 1RfuO = 1+ + R1u+ui1ui2u+= R + + R21R22 = 1+ ui2 uoRfR1R2 + R3R3- - ui1RfR1第4章上页下页2、减法运算电路减法运算电路差动比例运算电路返回因i-= 0，u_=ui1_i1R1i1 =if=ui1_u0R1+ Rfui1=_.R1ui1_u0R1+ Rfui1ui2u+=ui2R3R2+ R3u_=u+u0R3RfR1R2i-u_u+ifi1uoR1R2R3ui2ui1Rf = 1+ ui2 uoRfR1R2 + R3R3- - ui1RfR1当R1=Rf=R2=R3时u0 = ui2ui1减法运算电路减法运算电路第4章上页下页返回R 11ui121132212N2N1uof1uRRRRRRi2f2uo= ui1 ui2 11RRRRRR 13 12f1f2f2第4章上页下页 两级反相输入减法运算电路两级反相输入减法运算电路返回R1 1uoi1uiCif duCdt C iC =依据依据 u-=u+ 虚地虚地R2i1=if ，uR1i1 = ,iif = C dtdu0= uo C R1uidt得得:第4章上页下页4.4.3 积分、微分 运算电路返回积分运算电路积分运算电路 输入为阶跃电压时积分器的输入输出波形 uidt= uo CR10tUR1C = t otuo otuiU第4章上页下页返回R1 1uoi1uiCifR2uuOiC duidtuo= Rf C uoui2 2f输入与输出输入与输出的关系式为的关系式为若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出波形为第4章上页下页返回微分运算电路微分运算电路i1if应用举例：应用举例：PID调节器调节器Cf21uouiC1f依据虚断和虚短原则if = i1+ic1Cfuo = - (if Rf + ifdt)duiu = ( + ) + RfC1 + ui dt oRfR1C1CfuidtR1Cf1ici1if第4章上页下页返回i1 =iC =C1 dui dtuiR1，4.5 集成运放在幅值比较方集成运放在幅值比较方面的应用面的应用4.5.1 开环工作的比较器*4.5.2 滞回比较器第4章上页下页返回4.5.1 开环工作的比较器UOH-UOLuiuo0UDUR0uiuoUZR1R2RDzuOuiuRR1R2uouiuRUR第4章上页下页返回 反相输入比较器反相输入比较器 同相输入比较器同相输入比较器R1R2UOH-UOLttUOHUOL000uiuouOuiuo第4章上页下页返回uiUZUZ URR1R2R2R3R1URDzUZ0uiuouOui第4章上页下页返回 输入求和型任意电平比较器输入求和型任意电平比较器因为因为 u+ = 0u- = ui - UR R1+R2R2+UR设设 u- = 0，则有则有：uiR2+ UR R1=0转折电压转折电压：ui= URR2R1R1R2R3RfDzuOuiUZUZ-UZUTLUTH0uiuo第4章上页下页*4.5.2 滞回比较器 返回过零滞回比较器R1R2uOuiR3RfDzUZt UTHUTL0t UZ-UZ0UZ-UZUTLUTH0uiuoui第4章上页下页返回滞回比较器应用R1R2uOuiR3RfDzUZuiUZ-UZ0UTLUTHURUR = URR2 + RfRf第4章上页uR返回 反相输入滞回比较器uO下页上页下页返回*4.6 应用举例应用举例应用集成运放构成的温度监测控制电路结构框架如下： 温度传感器将温度变化转化为电压，将此电压与限定温度传感器将温度变化转化为电压，将此电压与限定温度范围内的电压上限和下限值比较，以控制加热器加热温度范围内的电压上限和下限值比较，以控制加热器加热或停止加热，使被控温度保持在一定的范围内。或停止加热，使被控温度保持在一定的范围内。温度传感器电压变换和定标 滞回 比较器控制执行电路第4章 监测温度下限值为0 ，要求对应显示的输出电压为0V；上限值为100 ，要求对应显示的输出电压为10V。上页下页 电路由温度传感器、跟随器、加法电路、电路由温度传感器、跟随器、加法电路、滞回比较器、反相器、光电耦合器、继电器和滞回比较器、反相器、光电耦合器、继电器和加热器等组成加热器等组成以自动控制温度在0100内变化为例。第4章返回上页下页R1510 UTRT-UCC(-15V)R210 kR3 10 k UO1+_A0A1温度传感器温度传感器 跟随器跟随器（隔离，以避免后级的影响）RT置于温度监测处。置于温度监测处。当温度从当温度从0 100 RT由由7355 153，相应的相应的UT从从0.97V 11.54V。UO1=UT A1第4章返回 MF57型型热敏电阻热敏电阻上页下页+_A0A2+_A0A3UCC(15V)VR5R4RP1RP2R64.7 k R710 kR8 10 k10 k220 k10 kUO1UO2UO3反相加法器反相加法器 跟随器跟随器（隔离）（隔离）温度为温度为下限值下限值时时，UO1=UO1L0.97V,令令UO2=UO2L=0,则应满足：则应满足：0141PCCLORURU温度为温度为上限值上限值时时， UO1=UO1H11.54V令令UO2=UO2H=10V,则应则应满足：电压放大倍数满足：电压放大倍数LOHOHOfUUUA112426RRRP=按温度标定后电压表可按温度标定后电压表可直接指示直接指示被监测温度被监测温度A2A3第4章返回上页下页R12RP3R10UCC(15V)R9U-4U+4R11UO4UO3滞回比较器滞回比较器3119114OURRRU41210101210124OPPRURRRRRURRRU设设RP=RP3/RP3,则：则：RP3RP3UR调节调节RP3可改变可改变UR，从而调节，从而调节U+4, ,达到调节控温范围的目达到调节控温范围的目的。的。R9R12的阻值由控温要的阻值由控温要求确定。求确定。A4第4章返回上页下页UO4R15R1310 kR14 10 kUCC(15V)R16T1DEKT2R17加热器加热器FUFU反相器反相器 光电光电耦合器耦合器UO5 当当UO5为低电平时，为低电平时，T1和和T2导通，继电器线圈通电，其导通，继电器线圈通电，其触点闭合，加热器通电加热，使被监控点的温度上升；反触点闭合，加热器通电加热，使被监控点的温度上升；反之，则温度下降。之，则温度下降。A5第4章返回下页上页 被控点的温度较低时，被控点的温度较低时，RT大，大，UT、UO1小，小，UO2、UO3小，使得小，使得U-4U+4H, A4输出输出负饱和电压（此时负饱和电压（此时U+4=U+4L), UO5输出高电平，输出高电平，加热器停止加热，温度下降。降至下限值则重新加热器停止加热，温度下降。降至下限值则重新加热。加热。返回下页 电位器RP1、RP2的作用决定了输出电压按温度标定的比例关系，即如何使得电压表直接指示温度值。上页返回第4章注意：注意： 通过电位器RP3的调节，使控制温度范围可调。