集成运放及其基本应用.ppt

华成英 模拟电子技术基本教程模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic 第二章 集成运放及其基本应用华成英 模拟电子技术基本教程第二章 集成运放及其基本应用2.1 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标放大的概念与放大电路的性能指标2.2 2.2 集成运算放大电路集成运算放大电路2.3 2.3 理想运放组成的基本运算电路理想运放组成的基本运算电路2.4 2.4 理想运放组成的电压比较器理想运放组成的电压比较器华成英 模拟电子技术基本教程2.1 放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念一、放大的概念二、放大电路的性能指标二、放大电路的性能指标华成英 模拟电子技术基本教程一、放大的概念u放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现VCC至少一路直流电源至少一路直流电源供电，是能源供电，是能源判断电路能否放大的基本出发点判断电路能否放大的基本出发点u放大的特征：功率放大放大的特征：功率放大常用正弦波做测试信号常用正弦波做测试信号u放大的对象：变化量放大的对象：变化量u放大的基本要求：不失真放大的基本要求：不失真放大的前提放大的前提输入信号为零时为静态。输入信号为零时为静态。能够控制能量的元件能够控制能量的元件华成英 模拟电子技术基本教程二、性能指标：研究的是动态性能。研究的是动态性能。1.放大倍数：输出量与输入量之比输出量与输入量之比电压放大倍数是最电压放大倍数是最常常被研究和测试的参数被研究和测试的参数信号源信号源信号源信号源内阻内阻输入电压输入电压输入电流输入电流输出电压输出电压输出电流输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。华成英 模拟电子技术基本教程2.输入电阻和输出电阻 将输出等效将输出等效成有内阻的电成有内阻的电压源，内阻就压源，内阻就是输出电阻。是输出电阻。空载时输出空载时输出电压有效值电压有效值带带RL时的输出电时的输出电压有效值压有效值输入电压与输入电压与输入电流有输入电流有效值之比。效值之比。从输入端看进去的从输入端看进去的等效电阻等效电阻华成英 模拟电子技术基本教程3、通频带4、最大不失真输出电压Uom：交流有效值。交流有效值。由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率下限频率上限频率上限频率5、最大输出功率和效率：功率放大电路的主要指标参数。功率放大电路的主要指标参数。扩音机的扩音机的 fL和和 fH为多少？为多少？华成英 模拟电子技术基本教程2.2 集成运算放大电路一、差分放大电路的概念一、差分放大电路的概念二、集成运放的符号及电压传输特性二、集成运放的符号及电压传输特性三、理想运放及其动态等效电路三、理想运放及其动态等效电路华成英 模拟电子技术基本教程一、差分放大电路的概念1.共模信号和差模信号o共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相同，则称之为共模信号。大小相等、极性相同，则称之为共模信号。o差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相反，则称之为差模信号。大小相等、极性相反，则称之为差模信号。o对对差分放大电路的要求：差分放大电路的要求：放大差模信号、抑制共模信号放大差模信号、抑制共模信号2.典型差分放大电路方框图 典型的差分放大电路有两个典型的差分放大电路有两个输入端、两个输出端，它们均输入端、两个输出端，它们均不直接接地，这种电路形式称不直接接地，这种电路形式称为为双端输入、双端输出双端输入、双端输出接法。接法。华成英 模拟电子技术基本教程（1）加差模信号时 差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性，故输入差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性，故输入回路和输出回路的中点电位不变，即动态电位为回路和输出回路的中点电位不变，即动态电位为0，即为，即为“地地”。RL（2）加共模信号时 差分放大电路具有理想差分放大电路具有理想对称性，温度变化所引起对称性，温度变化所引起晶体管参数的变化可等效晶体管参数的变化可等效为共模信号输入。为共模信号输入。uI/2华成英 模拟电子技术基本教程3.差分放大电路的放大倍数差模放大倍数差模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数共模抑制比共模抑制比越大越好越大越好绝对值绝对值越小越好越小越好绝对值绝对值越大越好越大越好 为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入参数的能力，引入参数共模抑制比。共模抑制比。华成英 模拟电子技术基本教程4.差分放大电路的四种接法 由于在实际应用场合为避免干扰输入信号源有接地由于在实际应用场合为避免干扰输入信号源有接地端，为负载安全负载常需有接地端，故差分放大电路端，为负载安全负载常需有接地端，故差分放大电路有四种接法，即双端输入双端输出、双端输入单端输有四种接法，即双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。双端输入、单端输出电路双端输入、单端输出电路 单端输入、双端输出电路单端输入、双端输出电路 华成英 模拟电子技术基本教程二、集成运放的符号及电压传输特性o集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。o高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小 不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是VCC（常为（常为15V）供电。）供电。1.符号极性相同极性相同极性相同极性相同华成英 模拟电子技术基本教程二、电压传输特性:输出电压与输入电压的函数关系输出电压与输入电压的函数关系线性区线性区开环差模增益开环差模增益高达几十万倍高达几十万倍非线性区非线性区输出不是高电平输出不是高电平+UOM就是低电平就是低电平-UOM 若若UOM=14V，Aod=105，则为保证集成运放工作在线性区，则为保证集成运放工作在线性区输入信号的范围为多少？输入信号的范围为多少？华成英 模拟电子技术基本教程三、理想运放及其动态等效电路 理想运放的参数特点：差模输入电阻理想运放的参数特点：差模输入电阻rid为为、输出电阻、输出电阻ro为为0、开环差模增益、开环差模增益Aod为为、共模抑制比、共模抑制比KCMR为为。华成英 模拟电子技术基本教程四、理想运放两个工作区域的特点1.理想运放的线性工作区域有限值有限值无穷大无穷大无穷小无穷小为保证理想运放工作在线为保证理想运放工作在线性区，必须引入负反馈。性区，必须引入负反馈。无源无源网络网络反馈反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量，称为反馈。影响输入量，称为反馈。正、负反馈正、负反馈：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。uO uN uO（1 1）电路结构）电路结构华成英 模拟电子技术基本教程（2 2）工作在线性区的特点）工作在线性区的特点由于由于uO为有限值，为有限值，Aod，因而净输入电压，因而净输入电压uPuN0，即，即因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即个输入端的输入电流也均为零，即uPuN虚短路虚短路iPiN0虚断路虚断路 “虚短虚短”和和“虚断虚断”是分析工作在线性区的集成运放的应是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的两个基本出发点。用电路的两个基本出发点。华成英 模拟电子技术基本教程2.理想运放的非线性工作区域为保证理想运放工作在非线性区，必须引入正反为保证理想运放工作在非线性区，必须引入正反馈或工作于开环。馈或工作于开环。（1 1）电路结构）电路结构华成英 模拟电子技术基本教程（2 2）工作在非线性区的特点）工作在非线性区的特点 “虚断虚断”是分析工作在非线性区的集成运放的应用电路的是分析工作在非线性区的集成运放的应用电路的基本出发点。但基本出发点。但“虚短虚短”不再适用。不再适用。输出不是高电平输出不是高电平+UOM就是低电平就是低电平-UOM华成英 模拟电子技术基本教程2.3 理想运放组成的基本运算电路一、一、概述概述二、比例运算电路二、比例运算电路三、加减运算电路三、加减运算电路四、积分运算电路和微分四、积分运算电路和微分运算电路运算电路华成英 模拟电子技术基本教程一、概述（运算电路必须工作在线性区）1.研究的问题 （1）运算关系：运算电路的输出电压是输入电压某种运）运算关系：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式）描述方法：运算关系式 uOf(uI)（3）分析方法：分析方法：“虚短虚短”和和“虚断虚断”是基本出发点。是基本出发点。（1）识别电路；）识别电路；（2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。2、学习运算电路的基本要求华成英 模拟电子技术基本教程二、比例运算电路1)电路的输入电阻为多少？电路的输入电阻为多少？2)2)运放的共模输入电压为多少？运放的共模输入电压为多少？3)3)R？为什么？为什么？+_iN=iP=0，uN=uP=0虚地虚地在在节点节点N：1.反相输入R=RRf4)若要若要Ri100k，比例系数为，比例系数为10，R？Rf？保证输入级的对称性保证输入级的对称性Au5)若要用反相输入比例运算电路做放大电路，则若要用反相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？华成英 模拟电子技术基本教程2.同相输入1)输入电阻为多少？输入电阻为多少？2)电阻电阻R？为什么？为什么？3)3)若要用同相输入比例运算电路做放大电路，则若要用同相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？Au集成运放的集成运放的共模输入共模输入华成英 模拟电子技术基本教程同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器：电压跟随器华成英 模拟电子技术基本教程三、加减运算电路方法一：节点电流法1.反相求和华成英 模拟电子技术基本教程1.反相求和方法二：利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。华成英 模拟电子技术基本教程2.同相求和 设设 R1 R2 R3 R4 R Rf利用叠加原理求解：利用叠加原理求解：令令uI2=uI3=0，求，求uI1单独单独作用时的输出电压作用时的输出电压 在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果简单明了，易于计算。简单明了，易于计算。同理可得，同理可得，uI2、uI3单独作用时的单独作用时的uO2、uO3，形式与形式与uO1相同，相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意义清楚，计算麻烦！物理意义清楚，计算麻烦！华成英 模拟电子技术基本教程2.同相求和 设设 R1 R2 R3 R4 R Rf与与反相求和运算电路反相求和运算电路的结果差一负号的结果差一负号必不可必不可少吗？少吗？华成英 模拟电子技术基本教程3.加减运算 利用求和运算电路的分析结果利用求和运算电路的分析结果设设 R1 R2 Rf R3 R4 R5实现了差分实现了差分放大电路放大电路华成英 模拟电子技术基本教程四、积分运算电路和微分运算电路1.积分运算电路华成英 模拟电子技术基本教程移相移相利用积分运算的基本关系实现不同的功能1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输出电压波形？输入为方波时的输出电压波形？3)输入为正弦波时的输出电压波形？输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分线性积分波形变换波形变换华成英 模拟电子技术基本教程2.微分运算电路虚地虚地华成英 模拟电子技术基本教程讨论一：电路如图所示电路如图所示华成英 模拟电子技术基本教程讨论二华成英 模拟电子技术基本教程2.4 理想运放组成的电压比较器一、概述一、概述二、单限比较器二、单限比较器三、滞回比较器三、滞回比较器华成英 模拟电子技术基本教程一、概述1.电压比较器的功能：比较电压的大小。：比较电压的大小。输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。入电压称为阈值电压。广泛用于各种报警电路。广泛用于各种报警电路。2.电压比较器的描述方法:电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向华成英 模拟电子技术基本教程3.几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：）窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性）滞回比较器：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压：回差电压：华成英 模拟电子技术基本教程4、集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：1)净输入电流为净输入电流为02)uP uN时，时，uOUOM uP 0 时时 uO UOM;uI 0 时时 uO UOM 1.过零比较器2.一般单限比较器华成英 模拟电子技术基本教程2.一般单限比较器作用于反相输入端作用于反相输入端华成英 模拟电子技术基本教程（1 1）写出写出 uP、uN的表达式，的表达式，令令uP uN，求解出的求解出的 uI即即为为UT；（2 2）根据集成运放的输出电压幅值或输出端限幅电路根据集成运放的输出电压幅值或输出端限幅电路决定输出的高、低电平；决定输出的高、低电平；电压比较器的分析方法（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定决定输出电压输出电压的跃变方向。的跃变方向。将在第三章讲述将在第三章讲述华成英 模拟电子技术基本教程三、滞回比较器1.阈值电压华成英 模拟电子技术基本教程2.工作原理及电压传输特性 设设uIUT，则，则 uN uP，uO+UOM。此时。此时uP+UT，增，增大大 uI，直至，直至+UT，再增大，再增大，uO才从才从+UOM跃变为跃变为 UOM。设设 uI+UT，则，则 uN uP，uOUOM。此时。此时uP UT，减，减小小 uI，直至，直至UT，再减小，再减小，uO才从才从UOM跃变为跃变为+UOM。问题：问题：uI=0时时uO=？华成英 模拟电子技术基本教程1.若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性2.若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向，则应如何修改电路？若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向，则应如何修改电路？向左右移多少？向左右移多少？华成英 模拟电子技术基本教程讨论二：从电压传输特性识别电路，画波形 已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压如图所示们各为哪种电压比较器；输入电压如图所示，画出各电，画出各电路输出电压的波形。路输出电压的波形。你你能能分别组成具有图分别组成具有图示电压传输特性的电压示电压传输特性的电压比较器电路吗？比较器电路吗？同相输入同相输入单限比较器单限比较器反相输入反相输入滞回比较器滞回比较器窗口窗口比较器比较器华成英 模拟电子技术基本教程讨论三：电路设计 实现电流实现电流-电压转化，并在转换电压过大时报警。要电压转化，并在转换电压过大时报警。要求求转换电压转换电压uO与输入电流与输入电流iI1、iI2、iI3的关系为的关系为 uO=20iI1+10iI2+5iI3且当且当uO10V时输出时输出14V电压驱动报警电路。设电压驱动报警电路。设uO10V时输出为时输出为-14V。