集成运算放大器的分析与应用.pptx
第第6章章 集成运放的分析及应用集成运放的分析及应用6.1 集成运算放的组成及基本特性6.2 集成运算放大器的主要参数6.3 运放的线性应用及理想运放模型6.4 基本运算电路6.5 电压比较器6.6 波形发生器6.7 集成运放的其他应用电路 小结第1页/共94页6.1 6.1 集成运算放的组成及基本特集成运算放的组成及基本特性性一、概述二、集成电路的基本结构三、模拟集成运放的典型电路第2页/共94页1）通用集成电路 2）模拟信号处理电路3）控制系统专用集成电路，如电机控制电路、可控硅控制电路等.4）通信系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等。5）测试系统专用集成电路，ATE电路、信号变换和处理电路等。6）仪器专用电路等。6.1 集成运算放大器的组成及基本特性1.模拟集成电路分类按照应用领域进行分类：一、概述第3页/共94页按照电路的功能进行分类1）运算放大器2）模拟乘法器（除法器）3）对数放大器4）函数发生器5）滤波器6）压控振荡器 7）集成功率放大器8）集成 稳压电源一、概述(续）6.1 集成运算放大器的组成及基本特性集成电路通用型专用型按照集成电路分类第4页/共94页1 集成电路的基本结构二 集成电路的基本结构第5页/共94页二 集成电路的基本结构(续）2 模拟集成电路组成输入级中间级输出级偏置电路第6页/共94页组成：运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。运放组成差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U+U-Uo三、模拟集成运放的典型电路运放旧符号运放国标符号第7页/共94页1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U 表示；另一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U表示。4.恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。3.低阻输出级：由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U-U+运放组成第8页/共94页集成运放F007的电路原理第9页/共94页2单极型集成运放 第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。第二级是共源放大电路，以N沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。第10页/共94页第11页/共94页6.2 6.2 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数集成运放的性能指标-主要参数如下：1电源电压2开环差模电压增益AUd3共模抑制比KCMR4差模输入电阻rid5输入失调电压Uos6输入失调电压的温漂dUos/dT7输入失调电流Ios8输入失调电流的温漂dIos/dT9输入偏置电流IB10最大共摸输入电压Uic,max11最大差模输入电压Uid,max12-3dB带宽13单位增益带宽BWG-fT14转换速率SR(摆率)|duo/dt|max第12页/共94页6.3 线性应用及理想运放模型一、线性应用和非线性应用二、理想运放模型第13页/共94页6.3 线性应用及理想运放模型运放模型分类按精度分类理想模型非理想模型运放宏模型按功能分类直流模型交流小信号模型大信号模型噪声模型第14页/共94页6.3 线性应用及理想运放模型（续）运放分析特点：芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。运放分析内容传输特性(输入与输出信号关系特性)频域特性时域特性温度特性噪声特性主要分析内容第15页/共94页1.线性应用：运放输入输出成线性关系的应用。闭环应用，如“运算电路”、“有源滤波电路”等。一、线性应用和非线性应用2.非线性应用：运放输入输出成非线性关系的应用。开环应用，如比较器。输入输出输入输出电压放大器电压比较器第16页/共94页二、理想运放模型1.理想运放的性能1)开环电压增益Aud=;2)输入电阻Rid=;3)输出电阻Ro=0;4)频带宽度F=;5)共模抑制比CMRR=;6)失调、漂移和内部噪声为零。主要条件条件较难满足，可采用专用运放来近似满足。第17页/共94页二、理想运放模型（续）-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)1）同相端与反相端呈开路状态。2）输出回路为一受控电压源AUd(U+-U-)，由于输出电阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U-)。2.理想运放模型第18页/共94页3.线性运用状态时主要特征1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零 ，称虚断。I+=I-02.理想运放的同相和反相输入端电位近似相等 ，称虚短。U+=U-Rid虚断虚短在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。虚地如将运放的同相端接地U+=0，则U-=0,即反相端是一 个不接“地”的“地”，称为“虚地”。虚地点对地的电阻为“0”由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为0，在分析处于线性状态运放时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。U+-U-=Uo/AU0-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)第19页/共94页4.饱和工作状态时特征（非线性工作状态）1)理想运放的同相和反相输入端电流近似为零2)当U+U-时，Uo为正饱和值；当U+UR时，输出应为负饱和值，Uo为低电平-VOL。UoRoDz当UiUR时，输出为正饱和值，Uo为高电平VOM。-UOLURUoUiUOM输出电压被限定在（UZ+UD)原理第49页/共94页例:电路如图(a)所示，当Ui如图(b)所示时，试画出Uo及Uo 的波形。图（a)电路图(b)波形图电路一、单门限比较器（续）第50页/共94页二、迟滞比较器-+R1UiR2URUoRf引入正反馈起加速输出电压变化UoUiVOHVOLU2U1原理:当输出Uo为高电平Uo=VOH时，同相端受到VOH和UR同时作用当UiU1时，输出将由高电平VOH跳变到低电平VOL。U1称为上门限电压，也称正向阈值电压。迟滞比较器：具有迟滞回环特性，输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。第51页/共94页二、迟滞比较器（续）-+R1UiR2URUoRfUoUiVOHVOLU2U1原理:当输出Uo为低电平Uo=VOL时，同相端受到VOL和UR同时作用当UiU2时，输出将由低电平VOL跳变到高电平VOH。U2称为下门限电压，也称负向阈值电压。U1第52页/共94页迟滞比较器上门限电压：下门限电压：门限宽度：7-4小结：1.改变基准电压UR可改变上、下门限电压U1、U2，但不影响门限宽度U。2.改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响U和 U1、U2。3.Uom、Uon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。UoUiVOHVOLU2U1第53页/共94页三、比较器的特点及应用1.工作在开环或正反馈状态。2.开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。3.非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。特点：第54页/共94页应用：比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。正弦波变换为矩形波三、比较器的特点及应用（续）有干扰正弦波变换为方波第55页/共94页6.6 6.6 波形发生器波形发生器一、矩形波发生电路二、三角波发生电路三、脉冲和锯齿波发生电路第56页/共94页1.基本组成部分 1)开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。2)反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。3)延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。一、矩形波发生电路 输出特点：输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。第57页/共94页2.2.电路组成正向充电：uO（+UZ）RC地反向充电：地C R uO（UZ）RC 回路滞回比较器一、矩形波发生电路（续）第58页/共94页3.3.工作原理分析方法：（1）初始态：设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：uO up uO，直至 uOUZ，uP+UT，第一暂态。一、矩形波发生电路（续）up第59页/共94页3.3.工作原理（续）原理：电容正向充电，t uN，t，uN UZ；但当uN+UT时，再增大uN，uO从+UZ跃变为-UZ，uP-UT，电路进入第二暂态。原理：电容反向充电，t uN，t，uN-UZ；但当uN-UT时，再减小uN，uO从-UZ跃变为+UZ，uP+UT，电路返回第一暂态。（2）第一暂态：uOUZ，uP+UT。up（3）第二暂态：uO-UZ，uP-UT。upuN第60页/共94页4.波形分析一、矩形波发生电路（续）第61页/共94页推导过程（了解）：利用一阶RC电路的三要素法列出方程如下：T1第62页/共94页推导过程（续）：T2第63页/共94页5.占空比可调电路 思考题:为了占空比调节范围大，R3应如何取值？正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。一、矩形波发生电路（续）T1T2第64页/共94页T1占空比可调电路分析过程：第65页/共94页 1.电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。两个RC环节实际电路将两个RC 环节合二而一为什么采用同相输入的滞回比较器？uO要取代uC，必须改变输入端。集成运放应用电路的分析方法：化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算。二、三角波发生电路uC第66页/共94页滞回比较器积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素uOH、uOL，UT。二、三角波发生电路(续）2.2.工作原理up1第67页/共94页三角波发生电路的振荡原理三角波发生电路的振荡原理初始态：合闸通电，通常C 上电压为0。设uO1 uP1 uO1，直至uO1 UZ（第一暂态）；第一暂态：积分电路反向积分，t uO，一旦uO过-UT，uO1从+UZ跃变为-UZ（第二暂态）。第二暂态：积分电路正向积分，t uO，一旦uO过+UT，uO1从-UZ跃变为+UZ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。电路状态翻转时，uP1=?up1第68页/共94页3.3.波形分析思考题：如何调整三角波的幅值和频率？振荡中间过程第69页/共94页三、锯齿波发生电路第70页/共94页1.RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？2.R3短路时的波形？三、锯齿波发生电路（续）思考题：第71页/共94页6.7 6.7 6.7 6.7 集成运放的其他应用电路集成运放的其他应用电路集成运放的其他应用电路集成运放的其他应用电路一、电压电流变换电路二、RC有源滤波器三、测量放大电路四、单电源供电放大电路五、线性稳压电路第72页/共94页一、电压电流变换电路 电流电压变换电路IsUo=-IsRfUoRfRP-+RLUsUo-+R1IL 电压电流变换电路IL=Us/R1第73页/共94页1.一阶低通有源滤波根据反相比例运算电路的分析频率特性截止频率滤波增益|A|=R2/R1二、RC有源滤波器第74页/共94页特性曲线：第75页/共94页2.2.一阶高通有源滤波据反相比例运算电路的分析:频率特性截止频率：滤波增益：|A|=R2/R1二、RC有源滤波器（续）第76页/共94页特性曲线:第77页/共94页1.一阶低通有源滤波和积分器(有直流负反馈）电路形式相同，工作原理有区别吗？思考题目截止频率滤波增益|A|=R2/R1作为低通源滤波器时：作为积分器时：滤波器强调频域特性。积分器强调时域特性。第78页/共94页分析：当信号频率较低时，信号积分过程可以忽略，输出失真可忽略。ui(t)tuo(t)t第79页/共94页分析：高频时，输出严重失真，输出是输出的积分。ui(t)tuo(t)t第80页/共94页2.2.一阶高通有源滤波和微分器实用电路形式相同，工作原理有区别吗？思考题目截止频率：滤波增益：|A|=R2/R1做为高通源滤波器时：做为微分器时：第81页/共94页分析：高频时，输出失真可以忽略。第82页/共94页分析：低频时，输出严重失真，输出是输入信号的微分。第83页/共94页三、测量放大电路 电桥放大器RfRRR RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。RX的阻值随被测量物体的变化而变，RX=R+R。当RX=R时电桥平衡，Ui=0,Uo=0。当RX产生R变化时，输出电压将变化Uo，Uo正比于R。当电阻RfR,且相对变化=R/RU-时，Uo为正饱和值；当U+U-时，Uo为负饱和值。第90页/共94页 闭环运放的两种基本电路1.反相放大器：它实质上是一个电压并联负反馈放大器，主要特点是反相输入端呈“虚地”。电压增益:AUf-RfRl式中，Rf是反馈电阻，R1是反相输入端电阻。反相放大器的输入电阻rif=R1，输出电阻rof=0。2.同相放大器：它实质上是一个电压串联负反馈放大器，电压增益:AUf1+RfRl注意：式中Rl是反相端电阻，Rf是反馈电阻。同相放大器的输入电阻rif=，输出电阻rof=0。小 结第91页/共94页重点难点重点：运放构成的电路系统分析。难点：理解虚短、虚断和虚地的概念；理解迟滞比较器的工作原理；理解方波和三角波发生器的工作原理。第92页/共94页第六章结束第93页/共94页感谢您的观看。第94页/共94页
