第4章 集成运算放大器的应用PPT讲稿.ppt

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1、第第4章章 集成运算放大集成运算放大器的应用器的应用第1页，共62页，编辑于2022年，星期一4.1 比例运算电路比例运算电路4.1.1 反相比例运算电路反相比例运算电路4.1.2 同相比例运算电路同相比例运算电路4.1.3 差动比例运算电路差动比例运算电路第2页，共62页，编辑于2022年，星期一4.1.1 反相反相比例运算电路比例运算电路因因 由线性区的特点得：由线性区的特点得：而而 第3页，共62页，编辑于2022年，星期一闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数当当R1=RF时，时，uo=ui，Af=-1，该电路称为反相器。，该电路称为反相器。图中电阻图中电阻Rp称为平衡电阻，通常取称为平衡电

2、阻，通常取 第4页，共62页，编辑于2022年，星期一4.1.2 同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路因因 由线性区的特点得：由线性区的特点得：第5页，共62页，编辑于2022年，星期一闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数当当RF=0或或R1=时，时，u0=ui，输出电压跟随输入电压，输出电压跟随输入电压，称为电压跟随器。称为电压跟随器。11第6页，共62页，编辑于2022年，星期一4.1.3 差动比例运算电路差动比例运算电路因因 由线性区的特点得：由线性区的特点得：第7页，共62页，编辑于2022年，星期一ui1单独作用时为反相输入比例运算电路，输出电压为：单独作用时为反相输入比例运算电路，

3、输出电压为：ui2单独作用时为同相输入比例运算，输出电压为：单独作用时为同相输入比例运算，输出电压为：叠加法：叠加法：第8页，共62页，编辑于2022年，星期一R1=R2,R3=RF 时时,R1=R2=R3=RF 时时,由此可见，输出电压与两个由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现输入电压之差成正比，实现了减法运算。了减法运算。第9页，共62页，编辑于2022年，星期一例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中u uo o与与与与u ui i1 1、u ui i2 2的关系。的关系。的关系。的关系。解解解解：第一级反相器第一级反相器第二级：加法运算电路级联而成。

4、第二级：加法运算电路级联而成。第10页，共62页，编辑于2022年，星期一例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中例：求图示电路中u uo o与与与与u ui i1 1、u ui i2 2的关系。的关系。的关系。的关系。第11页，共62页，编辑于2022年，星期一第12页，共62页，编辑于2022年，星期一第13页，共62页，编辑于2022年，星期一将放大电路的输出电压（或电流）的全部（或部分），通过将放大电路的输出电压（或电流）的全部（或部分），通过某种电路（称为反馈电路）引回到输入端，引回的反馈电压某种电路（称为反馈电路）引回到输入端，引回的反馈电压（或电流）与输入端的输入电压（或

5、电流）进行比较，从而（或电流）与输入端的输入电压（或电流）进行比较，从而影响放大电路的净输入信号（也叫驱动信号）的大小，这就影响放大电路的净输入信号（也叫驱动信号）的大小，这就是放大电路中的反馈。是放大电路中的反馈。4.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈4.2.1 反馈的概念反馈的概念第14页，共62页，编辑于2022年，星期一有反馈时，放大电路的电压放大倍数称为有反馈时，放大电路的电压放大倍数称为闭环电压闭环电压放大倍数放大倍数，即，即 反馈信号与输出信号之比称为反馈系数，即反馈信号与输出信号之比称为反馈系数，即 无反馈时，放大电路的电压放大倍数称为无反馈时，放大电路的电压放大倍数称为

6、开环电压放开环电压放大倍数大倍数，即，即 第15页，共62页，编辑于2022年，星期一反反馈馈类类型型通通常常称称为为反反馈馈组组态态，交交流流负负反反馈馈放放大大电电路路有有四四种种组组态态：串串联联电电压压负负反反馈馈、串串联联电电流流负负反反馈馈、并并联电压负反馈、并联电流负反馈联电压负反馈、并联电流负反馈。4.2.2 反馈的类型反馈的类型按反馈信号的极性分为：按反馈信号的极性分为：正反馈和负反馈正反馈和负反馈；按输入信号的性质分：直流反馈和交流反馈；按输入信号的性质分：直流反馈和交流反馈；按输入端信号的连接方式分为：按输入端信号的连接方式分为：串联型和并联型串联型和并联型；按输出端的取

7、样方式分为：按输出端的取样方式分为：电压型和电流型电压型和电流型；按反馈的位置分为：级间反馈和本级反馈按反馈的位置分为：级间反馈和本级反馈第16页，共62页，编辑于2022年，星期一1、正负反馈、正负反馈如如果果反反馈馈信信号号与与输输入入信信号号作作用用相相反反，使使净净输输入入信信号号xd减小，输出减小，输出xo减小，则为减小，则为负反馈负反馈；如果反馈信号与输入信号作用相同，使净输入信号如果反馈信号与输入信号作用相同，使净输入信号xd增加，输出增加，输出xo增加，则为增加，则为正反馈正反馈。第17页，共62页，编辑于2022年，星期一ube=ui-uf负反馈负反馈第18页，共62页，编辑

8、于2022年，星期一负负反馈与正反馈的判别反馈与正反馈的判别反馈与正反馈的判别反馈与正反馈的判别瞬时极性法瞬时极性法晶体管、场效应管、集成运放的瞬时极性如图晶体管、场效应管、集成运放的瞬时极性如图设接设接“地地”参考点的电位为零，则电路中某点在某瞬时参考点的电位为零，则电路中某点在某瞬时的电位高于参考点，则该点电位的瞬时极性为正（或瞬的电位高于参考点，则该点电位的瞬时极性为正（或瞬时值升高），用时值升高），用 标记，反之为负（或瞬时值降低），标记，反之为负（或瞬时值降低），用用标记。标记。第19页，共62页，编辑于2022年，星期一方法方法：先假设输入电压信号：先假设输入电压信号ui在某一瞬时

9、的极性为正在某一瞬时的极性为正，然后，然后顺着信号的传输方向顺着信号的传输方向，逐步推出输出信号和反，逐步推出输出信号和反馈信号的瞬时极性为馈信号的瞬时极性为 或或 ，最后判断反馈信号是增强，最后判断反馈信号是增强还是削弱净输入信号，削弱为负反馈，增强为正反馈。还是削弱净输入信号，削弱为负反馈，增强为正反馈。第20页，共62页，编辑于2022年，星期一假设基极瞬时极性为正，经过反馈元件，假设基极瞬时极性为正，经过反馈元件，反馈到基极反馈到基极的瞬时极性为负的瞬时极性为负，假设基极瞬时极性为正，经过反馈元件，假设基极瞬时极性为正，经过反馈元件，反馈到发射极反馈到发射极的瞬时极性为正，的瞬时极性为

10、正，这两种情况下，为负反馈，否则为正反馈这两种情况下，为负反馈，否则为正反馈分立元件放大电路的正负反馈分立元件放大电路的正负反馈第21页，共62页，编辑于2022年，星期一假设假设输入端为正输入端为正，经过反馈元件，反馈到，经过反馈元件，反馈到本输入本输入端端的瞬时极性的瞬时极性为负为负或反馈到或反馈到另外一个输入端另外一个输入端的的瞬时极性瞬时极性为正为正；这两种情况下，为负反馈。这两种情况下，为负反馈。第22页，共62页，编辑于2022年，星期一正反馈还是负反馈？正反馈还是负反馈？ib=ii-if负反馈负反馈第23页，共62页，编辑于2022年，星期一2、串联反馈和并联反馈、串联反馈和并联

11、反馈 如果反馈信号与输入信号以如果反馈信号与输入信号以电压串联电压串联的形式作用于净输的形式作用于净输入端（反馈信号与输入端信号以电压形式相加减）称入端（反馈信号与输入端信号以电压形式相加减）称为为串联反馈串联反馈；ube=ui-uf如果反馈信号与输入信号以如果反馈信号与输入信号以电流并联电流并联的形式作用于的形式作用于净输入端（反馈信号与输入端信号以电流形式相加净输入端（反馈信号与输入端信号以电流形式相加减）称为减）称为并联反馈并联反馈。ib=ii-if第24页，共62页，编辑于2022年，星期一串联负反馈串联负反馈第25页，共62页，编辑于2022年，星期一ib=ii-if并联负反馈并联负

12、反馈第26页，共62页，编辑于2022年，星期一并联反馈并联反馈串联反馈串联反馈l同点连接法同点连接法：若反馈支路与输入端同点连接为若反馈支路与输入端同点连接为并联并联反馈；反馈；若反馈支路与输入端不同点连接为若反馈支路与输入端不同点连接为串联串联反馈。反馈。第27页，共62页，编辑于2022年，星期一同点连接法同点连接法：反馈量与输入量连在同一个输入端，：反馈量与输入量连在同一个输入端，为并联反馈；否则为串联。为并联反馈；否则为串联。第28页，共62页，编辑于2022年，星期一3、电流反馈和电压反馈、电流反馈和电压反馈如如果果反反馈馈信信号号xf取取自自输输出出电电压压uo，xf与与uo成成

13、正正比比，称称为为电压反馈电压反馈；如果反馈信号如果反馈信号xf取自输出电流取自输出电流io，xf与与io成正比，称为成正比，称为电流反馈电流反馈。同点连接法同点连接法：反馈量与输出量连在同一个端，为电：反馈量与输出量连在同一个端，为电压反馈；否则为电流反馈。压反馈；否则为电流反馈。第29页，共62页，编辑于2022年，星期一串联电压负反馈串联电压负反馈第30页，共62页，编辑于2022年，星期一并联电流负反馈并联电流负反馈第31页，共62页，编辑于2022年，星期一串联电压负反馈串联电压负反馈并联电压负反馈并联电压负反馈第32页，共62页，编辑于2022年，星期一串联电流负反馈串联电流负反馈

14、并联电流负反馈并联电流负反馈第33页，共62页，编辑于2022年，星期一4.2.3 负负反馈的作用反馈的作用1直流负反馈，稳定静态工作点直流负反馈，稳定静态工作点射极偏置式放大电路射极偏置式放大电路2交流负反馈，改善放大特性交流负反馈，改善放大特性（1）能够使放大电路的放大倍数稳定性提高）能够使放大电路的放大倍数稳定性提高（2）电压型负反馈，减小输出电阻，稳定输出电压。）电压型负反馈，减小输出电阻，稳定输出电压。（3）电流型负反馈，增大输出电阻，稳定输出电流。）电流型负反馈，增大输出电阻，稳定输出电流。（4）串联型负反馈，提高输入电阻）串联型负反馈，提高输入电阻（5）并联型负反馈，减小输入电阻

15、）并联型负反馈，减小输入电阻 第34页，共62页，编辑于2022年，星期一4.3 加法运算和积分运算加法运算和积分运算4.3.1 反相比例求和运算电路反相比例求和运算电路因因 由线性区的特点得：由线性区的特点得：第35页，共62页，编辑于2022年，星期一可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法运算关系。这一运算关系可推广到有更多个信号输入的运算关系。这一运算关系可推广到有更多个信号输入的情况。情况。当当R1=R2=RF时，时，第36页，共62页，编辑于2022年，星期一由由可得可得而而由图可得由图可得则则4.3.2 积分运算电路积分运算

16、电路输出电压与输入电压对时间的积分成正比。输出电压与输入电压对时间的积分成正比。第37页，共62页，编辑于2022年，星期一应用举例：应用举例：输入方波，输出是输入方波，输出是?第38页，共62页，编辑于2022年，星期一4.4 测量实用电路测量实用电路 4.4.1 可调电压源可调电压源稳压管的稳定电压作为反稳压管的稳定电压作为反向输入端的固定电压。向输入端的固定电压。则则改变改变R1和和RF，可以，可以调节输出电压的大调节输出电压的大小，故为连续可调小，故为连续可调的恒压源。的恒压源。第39页，共62页，编辑于2022年，星期一4.4.2 直流电压测量电路直流电压测量电路为测量电路的电压和电

17、流，一般要求电压表内阻要为测量电路的电压和电流，一般要求电压表内阻要大，电流表内阻要小，实际很难满足要求。大，电流表内阻要小，实际很难满足要求。高精度直流电压表电路如图，实际上是电压电流高精度直流电压表电路如图，实际上是电压电流转换器。转换器。由集成运放的特点得：由集成运放的特点得：表明电流表的电流与表头内阻无关，只与表明电流表的电流与表头内阻无关，只与ui和和R1有关。电流有关。电流表指针偏转的角度，便可指示出待测电压的大小。表指针偏转的角度，便可指示出待测电压的大小。第40页，共62页，编辑于2022年，星期一4.4.3 直流电流测量电路直流电流测量电路高精度直流电流表电路如图，实际上是电

18、流电流高精度直流电流表电路如图，实际上是电流电流转换器。转换器。由集成运放的特点得：由集成运放的特点得：该式表明电流表的电流该式表明电流表的电流i与表头内阻无关，只与待测电流与表头内阻无关，只与待测电流ii有关。有关。第41页，共62页，编辑于2022年，星期一滤波器：是一种能使有用频率信号通过，而使无滤波器：是一种能使有用频率信号通过，而使无用频率信号受到抑制或大为衰减的电路。用频率信号受到抑制或大为衰减的电路。即选出所需要的频率范围内的信号，使其顺利通即选出所需要的频率范围内的信号，使其顺利通过；而对于频率超出此范围的信号，使其不易过；而对于频率超出此范围的信号，使其不易通过。通过。4.5

19、 有源滤波器有源滤波器第42页，共62页，编辑于2022年，星期一4.5.1 滤波器的功能和分类滤波器的功能和分类1、按滤波器所含元器件的不同、按滤波器所含元器件的不同无源滤波器（无源滤波器（仅仅R、C构成的滤波器）构成的滤波器）有源滤波器有源滤波器（由（由R、C和放大电路构成的滤波器）。和放大电路构成的滤波器）。2、按允许通过的信号的频率范围的不同，、按允许通过的信号的频率范围的不同，低通滤波器：低通滤波器：允许低频信号通过，将高频信号衰减；允许低频信号通过，将高频信号衰减；高通滤波器：高通滤波器：允许高频信号通过，将低频信号衰减；允许高频信号通过，将低频信号衰减；带带通通滤滤波波器器：允允

20、许许某某一一个个通通频频带带范范围围内内的的信信号号通通过过，将将之之外外的的信信号号衰衰减；减；带阻滤波器：带阻滤波器：与带通滤波器相反与带通滤波器相反第43页，共62页，编辑于2022年，星期一带通滤波器的功能是允许某一个频率范围的信号带通滤波器的功能是允许某一个频率范围的信号通过，而在此范围之外的信号不能通过。通过，而在此范围之外的信号不能通过。图中图中f1为下限频率，为下限频率，f2为上限频率。为上限频率。低通滤波器低通滤波器 高通滤波器高通滤波器 带通滤波器带通滤波器 带阻滤波器带阻滤波器 第44页，共62页，编辑于2022年，星期一4.5.2 低通滤波器（低通滤波器（LPF）（1）

21、电压放大倍数）电压放大倍数第45页，共62页，编辑于2022年，星期一幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：第46页，共62页，编辑于2022年，星期一（2）幅频特性）幅频特性该电路可使低频信号通过而该电路可使低频信号通过而抑制高频信号通过。抑制高频信号通过。在实际应用中，输出电压不能下降太多。通常规定电在实际应用中，输出电压不能下降太多。通常规定电压下降到输入电压的压下降到输入电压的0.707为最低限。此时为最低限。此时=0，称为，称为截止角频率截止角频率。第47页，共62页，编辑于2022年，星期一（3）相频特性：）相频特性：第48页，共62页，编辑于2022年，星期一4.5.3 高通滤

22、波器（高通滤波器（HPF）（1）电压放大倍数）电压放大倍数第49页，共62页，编辑于2022年，星期一幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：第50页，共62页，编辑于2022年，星期一（2）幅频特性）幅频特性该电路可使高频信号通过该电路可使高频信号通过而抑制低频信号通过。而抑制低频信号通过。第51页，共62页，编辑于2022年，星期一（3）相频特性：）相频特性：第52页，共62页，编辑于2022年，星期一4.6 电压比较器电压比较器 电压比较器是波形的产电压比较器是波形的产生与变换电路，其基本功生与变换电路，其基本功能是能是对两个输入电压的大对两个输入电压的大小进行比较小进行比较，在输出端显

23、，在输出端显示出比较的结果，常用作示出比较的结果，常用作模模/数字电路的接口电路数字电路的接口电路转换、越限报警以及各种转换、越限报警以及各种非正弦波的产生和变换等非正弦波的产生和变换等场合。场合。lud 0，即即u+u-，uoU OMlud 0，即即u+u-，即即ui UR，当当u+u-，即即ui u-，即，即ui UR，uOU OM当当u+UR，uO-U OM（2）反相输入）反相输入第55页，共62页，编辑于2022年，星期一UR=0时，输入电压时，输入电压ui与零电位比较，称为与零电位比较，称为过零比较器过零比较器。过过零零比比较较器器电电压压比比较较器器第56页，共62页，编辑于202

24、2年，星期一过零比较器过零比较器的输入为正弦波，则输出端为？的输入为正弦波，则输出端为？ui 0，uoU OMui UR时，时，uO-UOM，2、稳压管限幅电路、稳压管限幅电路设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管反向稳压，时，稳压管反向稳压，uO=UZ时。时。稳压管正向导通，稳压管正向导通，uO=0；第58页，共62页，编辑于2022年，星期一uiUR时，时，uO-UOM，管管2导通，管导通，管1稳压，稳压，uo=UZ；设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则，忽略正向导通电压，则第59页，共62页

25、，编辑于2022年，星期一例如图监控报警装置，如需对某一参数（如温度、例如图监控报警装置，如需对某一参数（如温度、压力等）进行监控时，可由传感器取得监控信号压力等）进行监控时，可由传感器取得监控信号ui，UR是参考电压。当是参考电压。当ui超过正常值时，报警灯亮，超过正常值时，报警灯亮，试说明电路的工作原理。试说明电路的工作原理。VD截止，晶体管导通截止，晶体管导通报警指示灯亮，说明监控信号报警指示灯亮，说明监控信号ui已超过正常值。已超过正常值。第60页，共62页，编辑于2022年，星期一教学要求教学要求1、理解运算放大器的电压传输特性，掌握理想运算放、理解运算放大器的电压传输特性，掌握理想

26、运算放大器在线性和非线性应用时的分析方法；大器在线性和非线性应用时的分析方法；2、掌握集成运算放大器的反相、同相和差动、掌握集成运算放大器的反相、同相和差动3种基本种基本输入方式及其电路的特点和分析；输入方式及其电路的特点和分析；3、掌握集成运算放大器的加法和积分运算电路分析；、掌握集成运算放大器的加法和积分运算电路分析；4、能分析由基本运算电路组合而成的其他运算电路；、能分析由基本运算电路组合而成的其他运算电路；5、了解有源滤波器的工作原理；、了解有源滤波器的工作原理；6、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；7、理解反馈的概念及负反馈类型的判断，了解负反馈、理解反馈的概念及负反馈类型的判断，了解负反馈对放大电路性能的影响对放大电路性能的影响第61页，共62页，编辑于2022年，星期一本章考点本章考点1、集集成成运运算算放放大大器器线线性性应应用用和和非非线线性性应应用用的的基基本条件和分析依据。本条件和分析依据。2、应应用用“虚虚断断”和和“虚虚短短”分分析析各各种种线线性性运运算算放大电路。放大电路。3、电压比较电路的分析计算。、电压比较电路的分析计算。4、负反馈极性与类型的判断；、负反馈极性与类型的判断；5、负反馈对放大电路性能的影响；、负反馈对放大电路性能的影响；第62页，共62页，编辑于2022年，星期一