集成运算放大电路及其应用.pptx
第一节第一节 直接耦合放大器直接耦合放大器返 回 直接耦合放大器第1页/共94页 级与级之间不经电抗元件而直接连接的方式，称为直接耦合。UCC返回RB1RRC1RC2UCCRB2VT1VT2第2页/共94页 零点漂移 当输入信号为零时，输出端电压偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动，这种现象叫零点漂移。产生原因 温度变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等等。第一级产生的零漂对放大电路影响最大。各级工作点相互影响 适于放大直流或变化缓慢的信号 电压放大倍数为各级放大倍数之积 零点漂移返回第3页/共94页第二节第二节 差动放大电路差动放大电路 基本差动放大电路基本差动放大电路 典型差动放大电路典型差动放大电路 具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路 差动放大电路的输入输出方式差动放大电路的输入输出方式返 回第4页/共94页一、基本差动放大电路一、基本差动放大电路 电路由两个特性完全相同的基本放大电路组成。1.抑制零点漂移的原理静态时，ui1=ui2=0，由于电路对称RCRCRB1RB1ui1ui2RB2RB2uiUCCuoVT1 VT2返回第5页/共94页温度上升，引起两边电流变化 由于电路对称，零漂被抑制。2.动态工作原理 差模信号 极性相反，幅值相同的信号。u i1=u i2 共模信号 极性相同，幅值相同的信号。u i1=u i2返回第6页/共94页差模输入（信号）共模输入（干扰信号）差动放大电路对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用。返回第7页/共94页共模、差模同时输入 若电路完全对称，AC0，只有差模信号输出，若电路不完全对称，AC0，既有差模信号又有共模信号输出。返回第8页/共94页二、典型差动放大电二、典型差动放大电路路 加入射极公共电阻RE（共模反馈电阻）可以克服电路不完全对称引起的零漂。负电源EE的作用是补偿RE上的电压降，从而保证两管有合适的静态工作点。RCRCRB1RB1RPREEEUCCui1ui2uiuoVT1 VT2返回第9页/共94页TIC1IC2IEUEUBE1UBE2IB1IB2IC1IC2 RE 能够抑制零漂、共模信号，对差模信号无影响。且RE越大，抑制作用越强。但EE也需增大。RP 为调零电阻，用来调节平衡。一般取值不大。返回第10页/共94页RL=RC/(RL/2)接入负载电阻RL 电路分析静态时流过RE电流=IE1+IE2=2IE动态时由于RE对差模信号无影响。忽略RP的影响KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数KCMR 越大，抑制共模信号越强。共模抑制比（KCMR）差模输入电阻rid2(RB1+rbe)忽略RP输出电阻ro2RC返回第11页/共94页三、具有恒流源的差动放大电路三、具有恒流源的差动放大电路RCRCRB1RB1RPUCCuoVT1 VT2UEERRR1R2RE3V3ui R1、R2提供 稳定的iB，晶体管工作在放大区时，iC近似恒定。rCE。ui1ui2VT3、RE3、R1、R2组成具有恒流源特性的电路。电路采用恒流源代替RE，其等效电阻大，抑制共模信号、零漂能力强，又不需要过大的负电源UEE。返回第12页/共94页UEEuiuo四、差动放大电路的输入输出方四、差动放大电路的输入输出方式式 双端输入、双端输出的差动电路 单端输入、双端输出的差动电路输入差模信号近似均匀的分布在两个管子上主要技术指标与双入双出一致。RB1单端输出只取自一个管子的集电极变量。依对称性：roRCuo 单端输入、单端输出的差动电路RB1UCCRCRC 双端输入、单端输出的差动电路返回第13页/共94页第三节第三节 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍 集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的主要技术指标 集成运算放大器的理想化模型集成运算放大器的理想化模型 集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点返 回第14页/共94页一、集成运算放大器的特一、集成运算放大器的特点点 集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的电子电路。运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。返回第15页/共94页二、集成运算放大器的简单介绍二、集成运算放大器的简单介绍1.集成运放的组成差动输入级中间级输出级偏置电路输入输出抑制零漂，共模抑制比高低输出电阻，多采用射随器放大作用的主要单元提供各级静态电流返回第16页/共94页2.集成运放的管脚图及符号F007管脚图F 741（F 0 07）12348765符号A 反相输入端B 同相输入端F 输出端 Au u+uuoABF 信号从反相输入端输入时，输出与输入相位相反。信号从同相输入端输入时，输出与输入相位相同。返回第17页/共94页三、集成运算放大器的主要技术指三、集成运算放大器的主要技术指标标1.输入失调电压Uio当无输入信号时，为使输出的电压值为零，在输入端加入的补偿电压。其值越小越好 （0.55mV）2.输入失调电流Iio输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差。IioIB1IB2 其值越小越好 （110nA）3.开环差模放大倍数Auo运放在开环时的差模放大倍数 其值越高越好 （104107）5.最大输出电压Uopp 输出不失真的最大输出电压值6.共模抑制比KCMR返回第18页/共94页 F741 通用型集成运放通用型集成运放 F324通用型单电源四运放通用型单电源四运放 AD547 低温漂精密运放低温漂精密运放 OP07低输入失调电压精密运放低输入失调电压精密运放 AD744 高速运放高速运放常用集成运放芯片返回第19页/共94页四、集成运算放大器的理想化模四、集成运算放大器的理想化模型型 实际运放 u+uuoriroAuoUiuiAuo很高，104ri很高，几十几百kro很低，几十几百KCMR 很高 理想运放 u+uuoAuoUiuiAuori=ro=0KCMR返回第20页/共94页五、集成运算放大器的电压传输特五、集成运算放大器的电压传输特性性 及其分析特点及其分析特点 运算放大器的电压传输特性 集成运放的输出电压uo与输入电压ui (u+u)之间的关系uof(ui)称为集成运放的电压传输特性。uoui+UOMUOMuoAuo ui =Auo(u+u)ui|UiM|，运放饱和，工作在非线性区线性区引入深度负反馈，可以使运放工作在线性区。返回O第21页/共94页 uoud反馈电路开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。uoui+UOMUOM理想运放的电压传输特性ui 0，|uo|UOM即u+u时，运放处于非线性区。闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。返回O第22页/共94页 运算放大器的分析特点1.线性区 集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚短”。虚短 uoAuo（uu）AuouuuoAuo0uu 当u0（接地）u u 0 称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。u+uuoui返回第23页/共94页 虚 断 流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。riII+02.非线性区 在非线性区，虚短概念不成立，但虚断概念成立。u+IuouI+返回第24页/共94页 例、利用理想运放组成的二极管检测电路，求出流过VD的电流 iD 及VD两端的电压uD。uoui15V1.5k0.67VVDiDiRii 解：虚地点返回第25页/共94页第四节第四节 集成运放在信号运算电路中的应用集成运放在信号运算电路中的应用 分析线性区理想运放的两个概念分析线性区理想运放的两个概念 基本运算电路基本运算电路返 回第26页/共94页一、分析线性区理想运放的两个概一、分析线性区理想运放的两个概念念 虚短uuII+0 虚断 u+IuouI+返回第27页/共94页二、基本运算电二、基本运算电路路 比例电路 uouiifi1R1R2Rf1.反相比例电路 i+0（虚断）u+0 u+u 0（虚地点）i1=u iR1 if=uuo=uoRf i i+0 i 1 i f即 ui/R1=uo/Rf 返回第28页/共94页 uo、ui 符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。电路中引入深度负反馈，闭环放大倍数Auf 与运放的Au无关，仅与R1、Rf 有关。R2 平衡电阻 同相端与地的等效电阻。其作用是保持输入级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。R2R1/Rf 当R1Rf 时，uoui，该电路称为反相器。返回第29页/共94页2.同相比例电路 uouiR2R1Rf i+0（虚断）u+ui u+u ui（虚短）i1=（0u i）R1 if=(uuo)Rf =(u iuo)Rf i i+0 i 1 if返回ifi1第30页/共94页 当Rf有限值时，R1 +uoui R2 平衡电阻 R2R1/RfAuf=1 电路成为电压跟随器。uoui 此电路输入电阻大，输出电阻小。返回第31页/共94页例1、应用运放来测量电阻的电路如图，U10V，R1=1M，输出端接电压表，被测电阻为Rx，试找出Rx与电压表读数uo之间的关系。Rx R1 U V解:此电路为反相比例电路返回第32页/共94页例2、理想化运放组成的电路如图，试推算输出电压uo的表达式。uouiR1R3R2R4解:此电路为同相比例电路判断这个等式 、返回第33页/共94页啊，见鬼了!习 题题 解第34页/共94页哈，very good!习 题题 解第35页/共94页 uouiR1R3R2R4u+解:此电路为同相比例电路返回第36页/共94页例3、图示电路为T形反馈网络的反相比例电路，试推算输出输入之间的关系。uouii2i1R1RR2R3R4i4i3Mu+u 0（虚地点）i i+0 i 1 i2=u iR1解:此电路只在要求放大倍数较大、输入电阻较高和避免阻值过高时才采用。返回第37页/共94页 加法运算电路uo ui2ifi2R2RPRfui3i3R3ui1i1R1返回第38页/共94页 在调节某一路信号的输入电阻的阻值时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，调节方便。求和电路也可从同相端输入，但同相求和电路的共模输入电压较高，且不如反相求和电路调节方便。返回第39页/共94页 减法运算电路（差动运算电路）uoui2ifi1R1R2Rfui1R3利用叠加原理同相端输入ui1反相端输入返回第40页/共94页当 R1=R2=R3=Rf=R 时，uo=ui2ui1 (减法器）R2/R3=R1/Rf 返回当第41页/共94页例4、用运放组成的直流毫伏表电路如图所示，设表的内阻可忽略，试求Io与VS的关系。VoVSI2I1R1R1mAIoI解:电路实为反相比例电路RVo=VSI1=I2 (虚断）Io=II2=Vo/RVS/R1I=Vo/RI1=I2=VS/R1=VS(1/R+1/R1)返回第42页/共94页例5、已知RF4R1，求uo与ui1、ui2的关系式。A1 +ui1 A2 uoui2R1R2RFuo解:A1为跟随器；A2为差放。uo=ui1uo5 ui24 ui1返回第43页/共94页例6、如图，求uo 与 ui1、ui2的关系式。A1+ui1 A2 uoui210kuo10k30k10k6k解:A1为反向加法器；A2为反相比例电路。返回第44页/共94页例7、如图，求uo。A1 +A3 uo100kuo150k80k20k A2 +12k50k100k12k11k30k60kuo20.3V0.4V A1：反相比例 A2：同相比例 A3：差动输入解：返回第45页/共94页 积分电路 uouiiCi1RRPCuituotUOMuo正比于ui的积分返回OO第46页/共94页 延迟 积分电路的应用uitUuotTU信号延迟时间T后，电压值达到U 方波转化为三角波 uituot返回OOOO第47页/共94页 微分电路 iR uiRRPCiCuouo正比于ui的微分uituot返回OO第48页/共94页例8、电路如图，已知运放UOM=10V，输入信号波形如图，R1M，C0.05F，求输出波形。（电容初始能量为零）uiRRPCuoui/vt/s1ORC=11060.05106s=0.05suo=UOMAX10s=20 tt=0.5suo/vt/s100.5解:返回O第49页/共94页例9、电路如图所示，已知R1=R2=10k,C=0.1F,集成运放UOM=18V,求：试导出uo与u1、u2关系式；已知u1、u2波形，试画出uo波形。u1R1RCuou2R2 t=10ms =15V t=20ms uo=10Vu1/vt/ms10.50.5t/ms10102020u2/vuo/vt/ms1510 201012返回OO第50页/共94页例10、已知运放UOM=15V试求图中uo1、uo2、uo3及开关S闭合0.2s后uo的值。A1+2Vuo1 A2 uo20.5VR10k10k10k20k A3 uo3R20k Ruo1F10kS解:输出电压超出UOM，uo=15V 返回第51页/共94页第五节第五节 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈 反馈的基本概念反馈的基本概念 反馈类型及其判别反馈类型及其判别 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响返 回第52页/共94页一、反馈的基本概念一、反馈的基本概念 正反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变大。负反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变小。1.反馈：指将输出量的一部分或全部按一定方式送回到输入回路来影响输入量的一种连接方式。放大电路反馈电路输出信号反馈信号输入信号比较环节净输入信号返回第53页/共94页返回2.反馈放大器的一般分析 开环放大倍数：反馈系数：闭环放大倍数:第54页/共94页返回 负反馈放大器的一般关系 反馈深度正反馈负反馈第55页/共94页返回深度负反馈 当A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。第56页/共94页二、反馈类型及其判别电压负反馈 反馈信号取自输出电压,反馈信号与输出电压成比例;电流负反馈 反馈信号取自输出电流,反馈信号与输出电流成比例;串联负反馈 反馈信号与输入信号以串联的形式作用于输入端；并联负反馈 反馈信号与输入信号以并联的形式作用于输入端。串联电流负反馈 电压并联返回1.反馈类型第57页/共94页2.反馈类型的判别 反馈类型的判别包括反馈极性、直流反馈或交流反馈、电压反馈或电流反馈以及串联或并联反馈的分析判定。正反馈或负反馈的判别 瞬时极性法 假定输入信号在某一瞬时对地极性为正。由各级输入、输出之间的相位关系，分别推出其它有关各点的瞬时极性。判别反映到电路输入端的作用是加强了输入信号还是削弱了输入信号。若加强则为正反馈，削弱则为负反馈。返回第58页/共94页返回 电压反馈与电流反馈的判别 输出短路法 令输出电压端口短路，若此时反馈信号仍存在（非0），则电路为电流反馈，反之为电压反馈。并联反馈或串联反馈的判别净输入信号与负反馈信号是并联关系，且有净输入信号与负反馈信号是串联关系，且有第59页/共94页返回 A1 +ui A2 uoRRRuoRRF例、判断下图反馈类别。负反馈若ui0，uo0，则uo0电压反馈İiİf显然有并联反馈交、直流并联电压负反馈第60页/共94页三、负反馈对放大器性能的影响三、负反馈对放大器性能的影响 电压放大倍数被降低 电路加入负反馈，使净输入信号减小，等于削弱了输入信号，使得放大倍数减小。增加放大倍数的稳定性 电路加入负反馈，放大倍数被降低的同时，也使由于温度、负载、元器件等条件变化而引起的放大倍数的变化大大减小，放大倍数的稳定性得到提高。返回第61页/共94页扩展通频带|A|fBOBF 电路加入负反馈，通频带由BO加宽到BF。减小非线性失真 电路加入负反馈，使净输入信号减小，iC减小，改善了非线性失真。返回、|Af|O第62页/共94页串联负反馈增加输入电阻，并联负反馈减小输入电阻。电压反馈能稳定输出电压，减小输出电阻；电流反馈能稳定输出电流，增加输出电阻。抑制干扰和噪声放大电路反馈电路加入负反馈的电路，以降低放大倍数为代价，换来了放大器诸多方面性能的改善。返回第63页/共94页第六节第六节 集成运放在信号处理方面的应用集成运放在信号处理方面的应用 有源滤波器有源滤波器 采样保持电路采样保持电路 电压比较器电压比较器返 回第64页/共94页运放的非线性应用 非线性应用电路具有两种类型，一类是运放本身工作在非线性状态，如开环或正反馈状态。另一类是运放本身工作在线性状态，由外部电路中引入了非线性元件，使输出与输入不再是线性关系。返回第65页/共94页返回滤波电路的种类:按电路功能:低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器按所用元件:无源滤波器和有源滤波器按阶数:一阶、二阶、高阶 一、有源滤波器 所谓滤波器，它能使一定频率范围内的信号顺利通过，而在此频率范围以外的信号衰减很大，不易通过。第66页/共94页返回RR1RFC+-+一阶有源低通滤波器第67页/共94页返回第68页/共94页返回称0为截止角频率|Auf|Auf0|0.707|Auf0|0幅频特性曲线O第69页/共94页返回 二阶有源低通滤波器RR1RFC+-+CR阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器|Auf|Auf0|理想低通一阶低通二阶低通O第70页/共94页返回二、采样保持电路RC+-+S控制信号控制信号ui/uot采样采样采样保持保持保持 采样保持电路能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。O第71页/共94页O三、电压比较三、电压比较器器 过零比较器 比较器是一种用来比较输入信号ui和参考电压UR的电路。uiRRPuououi+UOMUOMu+u时，即ui 0，uoUOMui 0 负饱和uo UOM uoui+UOMUOM返回O第72页/共94页若ui为正弦波 uituotUOM+UOMuo为方波 关于UOM 饱和电压UOM UCC 返回OO第73页/共94页 任意电平比较器 限幅措施 uiRRPuoUZui 0 负饱和uo(UZ+UD)uoui+UZUZui UR 负饱和uo UZ uoui+UZUZUR uiR1R2uoUZUR返回OO第74页/共94页常用集成比较器LM311电压比较器12348765+V+GNDV返回第75页/共94页 比较器的特点及分析方法 比较器中运放处于开环或正反馈状态，输入与输出之间成非线性关系，因此虚短等深度负反馈概念不再适用，仅在判断临界状态时才适用。uT=UR临界电压，可称为门槛电平 ui=UT时，u+=u，uo=0在 ui UT 和 ui UT 两种不同情况下，比较器输出两个不同的电平（高、低），当ui变化经过UR时，输出发生跃变。返回第76页/共94页比较器的分析应从输出跳变时所对应的输入电压值（即阀值电压值）来分析输入输出之间的关系。ui 3V 正饱和uo+4.7 uo/Vui/V4.74.73 3VR1R2uo4Vui返回例1、比较器电路如图，试画出电路传输特性曲线。稳压管正向导通电压0.7V。O第77页/共94页例2、电压比较器电路如图所示，已知运放UOM=15V,UZ=7V,稳压管正向电压忽略 (1)画出电压传输特性uo=f(ui)曲线。(2)若在输入端加入如图所示正弦曲线，试画输出电压波形。uiR1Ruo2VRU+=(2/2R)R=1V ui=u1V uo=UZ=7V ui=u1V uo=+UZ=7V解：ui/Vt4uo/Vui/V+7711uo/Vt7+7返回OOO第78页/共94页例3、电路如图所示，已知运放UOM，画出电压传输特性uo=f(ui)曲线。解：u 0 负饱和uo UOM u0，ui=UTuoui+UOMUOMUT uiR2RPuoR1UR返回O第79页/共94页第七节第七节 集成运放在信号产生方面的应用集成运放在信号产生方面的应用 正弦信号发生器正弦信号发生器 非正弦信号发生器非正弦信号发生器返 回第80页/共94页一、正弦信号发生器一、正弦信号发生器返回1自激振荡的条件1S2当开关S接在“1”端时开关S换接到“2”端放大器的输出电压将保持不变 放大器不需外接输入电压信号，而是通过合适的正反馈来维持一定的输出电压，就可以形成自激振荡。第81页/共94页返回要产生自激振荡必须满足两个条件 振幅条件 相位条件第82页/共94页返回起振过程电路接通电源输入端产生微小的电压变化量产生正反馈满足相位平衡条件的频率的信号输出信号被放大电路开始振荡稳幅振荡第83页/共94页返回2RC桥式正弦信号发生器 R+RfR1 C RCUo选频网络放大器第84页/共94页返回 选频网络R RC CR RC C第85页/共94页返回 当 =0 0时，RC串并联电路的幅频特性的幅值为最大F13，相频特性的相角为0。第86页/共94页返回幅频特性013相频特性090900的大小取决于RCOO第87页/共94页返回二、非正弦信号发生器1方波发生器 方波发生器是一种能直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生器，又称为多谐振荡器。若uo=+UZ+RfR2R1CuCuoUZuRuo=UZC充电,uC 当uCUR时C放电再反向充电,uC 当uCUR时uo=UZ第88页/共94页返回OURuCtURUZuoOt UZ T波形图周期T的大小与Rf、C、R1、R2有关系第89页/共94页返回+R2R1CuoVD1VD2RP1RPRP2RUZ2.占空比可调的矩形波波发生器 积分电路中串入了RP，使得C的正向、反向充电时间常数不相等，调节RP就可调节矩形波的占空比。第90页/共94页返回3三角波发生器+R5R2CuoUZ+R4R1uo1R3RA1过零 比较器A2反相 积分器t0时，uo0 ，设uo1 UZ电容C充电，uo下降A1A2第91页/共94页返回电容C反向充电，uo上升当u1下降至0时，A1翻转 uo1 UZ当u1上升至0时，A1再次翻转 uo1 UZ第92页/共94页返回OuotUZuoOt UZ 波形图第93页/共94页感谢您的观看！第94页/共94页
