16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65页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。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo 高:80dB140dBrid 高:105 1011ro 低:几十 几百KCMR高:70dB130dB集成运放的符号：集成运放的符号：uo+Auou+u。+UCCUEE第2页/共65页+UCCUEEu uo ouu+电路的简单说明输入级中间级 输出级同相输入端输出端反相输入端 输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。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。第3页/共65页 在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻比较容易，而制造晶体管却最容易。运放举例：LM741 LM741 1 2 3 48 7 6 5 741761432582反相输入端 出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。6输出端3同相输入端4正电源端7负电源端8闲置端（NC）1、5接调零电位器第4页/共65页集成运放的外型封装结构集成运放的外型封装结构 集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装，如上图所示，金属壳封装有8、10、12管脚等种类，双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类。金属封装器件以管键为辨认标志，由器件顶上向下看，管键朝向自己，管键右方第一根引线为引脚1。双列直插式以缺口为辨认标记，由器件顶上向下看，标记朝向自己，标记右方第一根引线为引脚1，然后逆时针围绕器件，依次数出其余引脚数。第5页/共65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65页二、运放特点 实际运放特点 开环电压放大倍数高(104-107)；输入电阻高（约几百K）；输出电阻低（约几百）；漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低。3）开环输出电阻 ro02）差模输入电阻 rid 4）共模抑制比 KCMRR 理想运放及其分析依据 理想化条件：1）开环电压放大倍数 Auo +-u-u+uo理想运放电路模型第7页/共65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 ui=Ui 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35页/共65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36页/共65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37页/共65页模拟开关模拟输入信号1.1.电路采样保持电路 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38页/共65页2.2.工作原理工作原理采样保持电路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39页/共65页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。当两者幅度不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40页/共65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。参考电压第42页/共65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43页/共65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44页/共65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45页/共65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46页/共65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47页/共65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48页/共65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49页/共65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50页/共65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51页/共65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52页/共65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53页/共65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54页/共65页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55页/共65页矩形波发生器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56页/共65页当当 u uo o =+=+U Uo o(sat)(sat)时，时，电电容充电，容充电，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+第57页/共65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58页/共65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59页/共65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60页/共65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第61页/共65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。第62页/共65页锯齿波发生器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63页/共65页2.2.波形波形锯齿波发生器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第64页/共65页谢谢大家观赏！第65页/共65页