集成运算放大器.pptx

1.1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想理解运算放大器的电压传输特性，理解理想 运算放大器并掌握其基本分析方法。运算放大器并掌握其基本分析方法。3.3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和理解用集成运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器 的工作原理。的工作原理。4.4.理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第16章 集成运算放大器第1页/共77页16.1 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特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路分类模拟集成电路数字集成电路集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成A/DD/A等。在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大于200pF的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。（1）级间采用直接耦合方式第2页/共77页（2）电路结构和参数具有对称性 集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为10030K，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好（3）用有源器件代替无源器件第3页/共77页电路的简单说明电路的简单说明中间级输入级输出级偏置电路一、电路的基本组成及作用一、电路的基本组成及作用输入级：要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。都采用差分放大电路。中间级：提供足够的电压放大倍数，本身还应有高的输入电阻，以减小对前级的影响。第4页/共77页偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。+UCCUEEu uo ouu+输入级中间级 输出级同相输入端输出端反相输入端第5页/共77页主要参数1.最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好3.输入失调电压 UIO4.输入失调电流 IIO5.输入偏置电流 IIB第6页/共77页理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo ，rid ，ro 0，KCMR 2.电压传输特性 uo=f(ui)线性区：uo=Auo(u+u)非线性区：u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=+Uo(sat)u+0时，|T(j)|衰减很快 显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。uoRFCR+R1+ui+RC一阶二阶 幅频特性0|Auf0|T(j)|O第36页/共77页2.2.有源高通滤波器有源高通滤波器uiuoRFCR+R1+设输入为正弦波信号，则有故：第37页/共77页 可见，电路使频率大于0 的信号通过，而小于0 的信号被阻止，称为有源高通滤波器。若频率若频率 为变量，则为变量，则电路的传递函数电路的传递函数其模为 幅频特性0|Auf0|T(j)|O第38页/共77页模拟开关模拟输入信号1.1.电路16.3.2 采样保持电路 SuC+ui+uo+采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。用于数字电路、用于数字电路、计算机控制及程序计算机控制及程序控制等装置中。控制等装置中。采样存储电容控制信号电压跟随器第39页/共77页2.2.工作原理工作原理16.3.2 采样保持电路1.1.电路电路采样阶段采样阶段：uG为高电平，S 闭合(场效应管导通)，ui对存储电容C充电，uo=uC=ui。保持阶段保持阶段：uG为 0，S 断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+ui+uo+第40页/共77页16.3.316.3.3 电压比较器电压比较器电压比较器的功能：电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。用途：用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。第41页/共77页理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：1.1.输出只有两种可能输出只有两种可能 +U Uo o (sat)(sat)或或 U Uo o(sat)(sat)当当 u u+u u 时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uuu 时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uu 时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)即即 u ui iUUUR R 时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。参考电压动画第43页/共77页uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2单限电压比较器：单限电压比较器：当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。URuouiR2+R1+电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第44页/共77页ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat)URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第45页/共77页URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+Ot+Uo(sat)Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2第46页/共77页输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则 u ui i U UR R，u uo o=U UZ ZUZ UZuoRDZURuouiR2+R1+电压传输特性 Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURu ui iUUUR R 时，时，u uo o =U Uo o (sat)(sat)第47页/共77页过零电压比较器过零电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波URuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)u ui iu uo oOOU UR R=0=0tuiOOtuo+Uo(sat)Uo(sat)OO第48页/共77页2.2.滞回比较器滞回比较器上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压 电路中引入正反馈电路中引入正反馈(1)(1)提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；(2)(2)输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生 在同一门限电压上。在同一门限电压上。RF当 uo=+Uo(sat)，则 当 uo=Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2uoui+R1+第49页/共77页上门限电压上门限电压 UU+：u ui i 逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压下门限电压下门限电压UU+：u ui i 逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器RFR2uoui+R1+第50页/共77页根据叠加原理，有根据叠加原理，有改变参考电压改变参考电压U UR R，可使传输特性沿横轴移动，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+URRFR2uoui+R1+u ui iu uo oOO U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)电压传输特性电压传输特性当参考电压当参考电压U UR R不等于零时不等于零时第51页/共77页定义：定义：回差电压回差电压 与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：1.1.改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。2.2.回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，U U越大，抗干扰越大，抗干扰 能力越强。能力越强。结论：结论：1.1.调节调节R RF F 或或R R2 2 可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。2.2.改变改变U UR R可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，但不影回差但不影回差 电压电压 U U。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。第52页/共77页解：解：对图（对图（1 1）上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压例：例：电路如图所示，电路如图所示，U Uo o(sat)(sat)=6V=6V，U UR R =5V=5V，R RF F =20k=20k，R R2 2=1=10k0k，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）第53页/共77页解：解：对图（对图（2 2）例：例：电路如图所示，电路如图所示，U Uo o(sat)(sat)=6V=6V，U UR R =5V=5V，R RF F =20k=20k，R R2 2=1=10k0k，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）第54页/共77页（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）u ui iu uo oOO-6 6-2-22 26 6 图图(1)(1)的电压传输特性的电压传输特性图图(2)(2)的电压传输特性的电压传输特性u uo ou ui iOO -6 66 61.331.335.335.33第55页/共77页16.4 运放在波形产生方面的应用运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用：波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。三角波、锯齿波等）。特点：特点：不用外接输入信号，即有输出信号。不用外接输入信号，即有输出信号。第56页/共77页16.4.1 矩形波发生器1.1.电路结构电路结构 由滞回比较器、由滞回比较器、RC RC充放电电路组成，充放电电路组成，电容电压电容电压u uC C 即是比较器即是比较器的输入电压，的输入电压，2.2.工作原理工作原理设电源接通时，设电源接通时，u uo o =+=+U Uo o(sat)(sat)，u uC C(0)=0(0)=0。电阻电阻R R2 2两端的电压两端的电压U UR R即是比较器即是比较器的参考电压。的参考电压。u uo o 通过通过 R RF F 对电容对电容C C充电，充电，u uC C 按指数规律增长。按指数规律增长。R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+充电充电U UR R+第57页/共77页当当 u uo o =+=+U Uo o(sat)(sat)时，时，电容电容充电，充电，u uC C上升，上升，电容放电，电容放电，u uC C下降，下降，当当u uC C=U=UR R 时，时，u uo o 跳变成跳变成 U Uo o(sat)(sat)当当 u uC C=U=UR R 时，时，u uo o 跳变成跳变成 +U Uo o(sat)(sat)，电容又重新充电。，电容又重新充电。放电放电2.2.工作原理工作原理R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+充电充电U UR R+R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+U UR R+动画第58页/共77页3.3.工作波形工作波形充电充电放电放电uouCt t1 1t t3 3t t2 2T=TT=T1 1+T+T2 2电容充放电过程，电容充放电过程，u uC C 的响应规律为的响应规律为4.4.周期与频率周期与频率T T1 1T T2 2T T U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)第59页/共77页在充电过程中在充电过程中在放电过程中在放电过程中矩形波的周期矩形波的周期矩形波的频率矩形波的频率充放电时间常数相同：充放电时间常数相同：=RC 矩形波常用于数字电路中作为信号源矩形波常用于数字电路中作为信号源第60页/共77页 A A1 1：滞回比较器：滞回比较器 因因 u u =0 =0，所以当所以当 u u+=0 =0 时时，A A1 1状态改状态改变变16.4.3 三角波发生器1.1.电路结构电路结构A A2 2：反相积分电路：反相积分电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1第61页/共77页2.2.工作原理工作原理A1：滞回比较器 因 u-=0，所以当 u+=0时，A1状态改变输出输出 u uo1o1 改变改变(+(+U UZ Z 跃变到跃变到 U UZ Z 或或 U UZ Z 跃变到跃变到 +U UZ Z)，当同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R1动画第62页/共77页TT1T23.3.工作波形工作波形4.4.周期与频率周期与频率T=T1+T2=2T1=2T2uo1 UZ UZtOuo (1)改变比较器的输出 uo1、电阻R1、R2 即可改变三角波的幅值。(2)改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。动画第63页/共77页16.4.3 锯齿波发生器1.1.电路电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1三角波发生器三角波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R 4 4D D在三角波在三角波发生器的发生器的电路中，电路中，使积分电使积分电路的正、路的正、反向积分反向积分的时间常的时间常数不同，数不同，即可使其即可使其 输出锯齿输出锯齿波。波。第64页/共77页2.2.波形波形16.4.3 锯齿波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R4 4 D D1.1.电路电路t tU UZ ZUUZ Zu uo ou uo1o1Ou uo o动画第65页/共77页16.7 运算放大器电路中的负反馈运算放大器电路中的负反馈反馈的基本概念反馈的基本概念(1)(1)负反馈与正反馈负反馈与正反馈反馈：反馈：将电子电路（或某个系统）的输出端的信号将电子电路（或某个系统）的输出端的信号(电压或电压或电流电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。反馈电子电路的方框图反馈电子电路的方框图输出信号输出信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号净输入信号净输入信号反馈反馈电路电路F F基本放大基本放大电路电路A A+第66页/共77页反馈放大电路的三个环节：反馈放大电路的三个环节：基本放大电路基本放大电路比较环节比较环节反馈电路反馈电路反馈系数反馈系数放大倍数放大倍数净输入信号 若比较的结果使净输入信号减小，因而输出若比较的结果使净输入信号减小，因而输出信号也减小，称为负反馈。信号也减小，称为负反馈。反之若比较的结果使净输入信号增大，因而反之若比较的结果使净输入信号增大，因而输出信号也增大，称为正反馈。输出信号也增大，称为正反馈。第67页/共77页反馈类型的判别步骤3)3)判别是交流或直流反馈？判别是交流或直流反馈？2)2)采用瞬时极性法判别正负反馈采用瞬时极性法判别正负反馈4)4)是负反馈！判断是何种类型的负反馈？是负反馈！判断是何种类型的负反馈？1)1)找出反馈网络（一般是电阻、电容）。找出反馈网络（一般是电阻、电容）。(2)负反馈与正反馈的判别方法第68页/共77页i i1 1i if f i id du uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+R RL L设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i if f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差差值电流值电流)负反馈负反馈反馈电流反馈电流取自输出电压取自输出电压电压反馈电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较较并联反馈并联反馈 特点：特点：输入电阻低、输出电阻低输入电阻低、输出电阻低16.7.1 并联电压负反馈第69页/共77页16.7.2 串联电压负反馈+u uf f+u ud du uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+R RL L设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，差值电压差值电压 u ud d=u ui i u uf f各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图u uf f 削弱了净输入电压削弱了净输入电压(差值电压差值电压)负反馈负反馈反馈电压反馈电压取自输出电压取自输出电压电压反馈电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈串联反馈 特点：特点：输入电阻高、输出电阻低输入电阻高、输出电阻低第70页/共77页16.7.3 串联电流负反馈u uo ou ui iR R2 2R RL L+i io oR R+u uf f+u ud d设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，差值电压差值电压 u ud d=u ui i u uf f各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图u uf f 削弱了净输入电压削弱了净输入电压(差值电压差值电压)负反馈负反馈反馈电压反馈电压取自输出电流取自输出电流 电流反馈电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈串联反馈u uf f=RiRio o 特点：特点：输出电流输出电流 i io o 与负载电阻与负载电阻R RL L无关无关 同相输入恒流源电路或电压同相输入恒流源电路或电压-电流变换电路电流变换电路第71页/共77页16.7.4 并联电流负反馈R RF FR R1 1u ui iR R2 2R RL L+i io oR Ri i1 1i if fi id d设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i if f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差差值电流值电流)负反馈负反馈反馈电流反馈电流取取自输出电流自输出电流电流反馈电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较 并联反馈并联反馈第72页/共77页16.7.4 并联电流负反馈R RF FR R1 1u ui iR R2 2R RL L+i io oR Ri i1 1i if fi id d设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i if f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差差值电流值电流)负反馈负反馈反馈电流反馈电流取取自输出电流自输出电流电流反馈电流反馈特点：特点：输出电流输出电流 i io o 与负载电阻与负载电阻R RL L无关无关 反相输入恒流源电路反相输入恒流源电路第73页/共77页运算放大器电路反馈类型的判别方法：运算放大器电路反馈类型的判别方法：1.1.反馈电路直接从输出端引出的，反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；是电压反馈；从负载电阻从负载电阻R RL L的靠近的靠近“地地”端引出的，端引出的，是电流反馈；是电流反馈；2.2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，相和反相）上的，是串联反馈是串联反馈；加在同一个输入端；加在同一个输入端（同相或反相）上的，（同相或反相）上的，是并联反馈是并联反馈；3.3.对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，时，是负反馈；是负反馈；极性相反时，极性相反时，是正反馈是正反馈；4.4.对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，电流之差时，是负反馈；是负反馈；否则否则是正反馈。是正反馈。第74页/共77页例例1 1：试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器A2A2输出输出端引至端引至A1A1输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。u uf f+u uo1o1u ui iR R+u uo o+R RL LA1A1A2A2解：解：因反馈电路直接从运算放大器因反馈电路直接从运算放大器A2A2的输出端引的输出端引出，所以出，所以是电压反馈；是电压反馈；因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以和同相输入端上，所以是串联反馈；是串联反馈；因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈。负反馈。串联电压负反馈串联电压负反馈 先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；第75页/共77页例例2 2：试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器A2A2输出输出端引至端引至A1A1输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。解：解：因反馈电路是从运算放大器因反馈电路是从运算放大器A2A2的负载电阻的负载电阻R RL L的的靠近靠近“地地”端引出的，所以端引出的，所以是电流反馈；是电流反馈；因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以所以是并联反馈是并联反馈;因净输入电流因净输入电流 i id d 等于输入电流和反馈电流之差，等于输入电流和反馈电流之差，所以是所以是负反馈。负反馈。并联电流负反馈并联电流负反馈u uo1o1u ui iR R+u uo o+R RL LA1A1A2A2i i1 1i if fi id d第76页/共77页感谢您的观看！第77页/共77页