第六章第一节集成运放应用电路组成原理PPT讲稿.ppt

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1、第六章第一节集成运放应用电路组成原理第1页，共67页，编辑于2022年，星期三第六章集成运算放大器及其应用电路第六章集成运算放大器及其应用电路第六章第六章 前言前言第一节第一节 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理第二节第二节 集成运放的性能参数及其对应用集成运放的性能参数及其对应用 电路的影响电路的影响第四节第四节 集成电压比较器集成电压比较器第2页，共67页，编辑于2022年，星期三 前言前言 集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器件。本章以反相放大器和同相放大器为基础，重点分析理想化条件下各种运算电路的组成原理、分析方法，简单了解运放实际性能参数对应用电路的影响。

2、熟悉电压比较器的工作原理及分析方法。它广泛应用于模拟信号处理的各个领域。当运放接成反馈电路时，可构成各种运算和处理电路。第3页，共67页，编辑于2022年，星期三6.1 教学要求1、熟悉集成运方电路的组成原理。掌握线性工作时，理想运方的两条重要法则：v-v+,i 02、掌握反相放大器与同相放大器的电路结构和性能特点3、能熟练利用虚断虚短的概念，分析各种运算电路，精密整流电路，仪器放大器等电路的性能4、熟悉电流传输器的性能特点，会分析应用电路的工作原理5、了解运放性能参数对应用电路的影响，零点掌握平衡电阻的基本概念6、掌握运放非线性工作时，单限比较器与迟滞比较器的电路结构，分析方法以及传输特性5

3、、本章6.3节根据教学需要，可作为扩展内容。第4页，共67页，编辑于2022年，星期三6.2 基本内容6.2.1 集成运放应用电路的组成6.2.2 集成运放理想化条件下的两条重要法则6.2.3 反相放大器和同相放大器6.2.4 集成运放线性应用电路1、精密整流电路2、仪器放大器3、电流传输器第5页，共67页，编辑于2022年，星期三6.2.5 非理想参数对应用电路性能的影响1、低频参数的影响2、直流参数的影响3、高频参数的影响6.2.6 集成运放非线性应用电路由集成运放构成的电压比较器工作在大信号状态，而其中的运放工作在开环或正反馈的非线性状态1、单限比较器2、迟滞比较器3、窗孔比较器第6页，

4、共67页，编辑于2022年，星期三3、模拟集成电路的种类有：集成运算放大器（加、减、微分、积分、对数、反对数、乘、除等）集成宽带放大器集成功率放大器集成稳压电路集成乘法器集成锁相环路集成模数和数模转换电路（A/D和D/A）电视机、收录机和电子设备中的专用集成电路第7页，共67页，编辑于2022年，星期三4、我们本章将要讨论集成运算放大器，简称集成运放 集成运方是一种性能优良的直接耦合放大器，又是一种通用性很强的多功能部件。随着集成器件的大量生产，它在自动控制、测量设备、计算机设备和电信等几乎一切电子技术领域中获得了日益广泛的应用。5、从电特性来看，集成运放实际上是一个高放大倍数的多级直放大接耦

5、合放大器，它的放大倍数可高达104 107（80 140）dB，输入电阻从几十K106 M，而输出电阻仅有几十；在静态工作时，它的输入电位和输出电位均为零。这样，在与其它集成运放连接时，就不需要考虑他们之间的电平配置问题。第8页，共67页，编辑于2022年，星期三6、从内部组成来看，集成运放是一个多级串接的直接耦合放大器。它的输入级均为各种改进型的差分放大电路；中间级是由一到两级（大多为一级）直接耦合共E(共S)或组合放大器组成；输出级大多为共C或共D；偏置电路均由恒流组成，提供各级所需的恒流偏置。第9页，共67页，编辑于2022年，星期三7、集成运放的主要参数（指标）大体上可分为五大类：大信

6、号动态特性差模特性共模特性电源特性输入误差特性第10页，共67页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 集成运放应用电路集成运放应用电路 的组成原理的组成原理第11页，共67页，编辑于2022年，星期三一、集成运放的理想化条件一、集成运放的理想化条件1、理想化条件：（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、开环差模电压放大倍数第12页，共67页，编辑于2022年，星期三注意：实际集成运放不可能具有上述理想特性，但在低频工作时，它的特点接近理想的。2、两个重要的结论：（1）、当集成运放线性工作时，只要集成运放的输出电压vo 为有限值，则输入差模电压 v+-v-0即 v+=v-由于理想化条件

7、，所以 v+-v-0称为虚短。（2）、i 0 由于差模输入电阻趋于无穷，因此流进集成运放的输入端电流 i 也就趋于零，称为虚断。第13页，共67页，编辑于2022年，星期三通常将这种输人端的极限状态称为虚短接，又称为零子，输出端的极限状态称为任意子，并用专门的电路符号表示，如图6-1-1所示。第14页，共67页，编辑于2022年，星期三二、三种输入方式：二、三种输入方式：1、反相输入（反相比例放大器）voRfR1vs电路如图所示输入信号从反相端输入根据两个重要结论：v+-v-=0i 0得：i1if i1=if 根据电路有i第15页，共67页，编辑于2022年，星期三所以则或表示为电路特点：输入

8、电阻（1）、输入与输出反相。（2）、反相端为虚地。voRfR1vs输出电阻第16页，共67页，编辑于2022年，星期三2、同相输入（同相输入放大器）电路如图所示voRfR1vs根据两个重要结论：v+-v-=0i 0得：根据电路有所以第17页，共67页，编辑于2022年，星期三或表示为voRfR1vs输入电阻输出电阻电路特点：（1）、输入与输出同相。（2）、差模电压增益始终大于1或等于1。特例：当 时如图所示第18页，共67页，编辑于2022年，星期三vovs根据电路可知vo 跟随vs 而变化。类似于共集电极放大器具有电压跟随特性。3、差动输入（差动输入放大器）根据两个重要结论：v+-v-=0i

9、 0 i1=if 根据电路有电路如图所示voRfR1vs1vs2i1ifR1Rf第19页，共67页，编辑于2022年，星期三voRfR1vs1vs2i1ifR1Rf或表示为第20页，共67页，编辑于2022年，星期三三、运算电路三、运算电路1、加、减法运算电路：、反相加法器电路如图所示voRfR1vs1R2vs2Ai2i1if根据两个重要结论：v+-v-=0i 0 i1+i2=if 根据电路有若取R1=R2=R 时第21页，共67页，编辑于2022年，星期三、同相加发器电路如图所示voRfR3vs1R2R1vs2A根据两个重要结论：v+-v-=0i 0利用电路的叠加原理可的：令 vs1=0则有

10、令 vs2=0则有所以第22页，共67页，编辑于2022年，星期三voRfR3vs1R2R1vs2A根据电路有所以第23页，共67页，编辑于2022年，星期三若取R1=R2、Rf =R3时2、积分和微分电路（1）、为有源积分电路根据电路可知，输入信号从反相端输入，因此为反相输入方式，v-=0(虚地）。当C上的起始电压为零时，根据两个重要结论：v+-v-=0i 0voCRvsiiif则第24页，共67页，编辑于2022年，星期三voCRvsiiif因为所以第25页，共67页，编辑于2022年，星期三若将 R 用开关电容电路模拟，则可构成开关电容积分器。电路如图所示voCC1vsiiifS1S2假

11、设、开关的通断频率fC 远大与输入信号频率，则开关电容电路模拟的等效电阻为：相应的积分时间常数第26页，共67页，编辑于2022年，星期三可见，当 fC 取定后，积分时间常数取决于两个电容的比值，而与电容的大小无关。（2）、微分电路：voCRvsiiif如图所示当C上的起始电压为零时，根据两个重要结论：v+-v-=0i 0则因为所以第27页，共67页，编辑于2022年，星期三（3）、积分电路和微分电路的应用是实现波性变换，滤波等信号处理功能的基本电路。所以第28页，共67页，编辑于2022年，星期三3、对数和反对数变换器（1）、基本对数运算电路：如图所示voTRvsiiiC根据两个重要结论：v

12、+-v-=0i 0根据电路可知第29页，共67页，编辑于2022年，星期三voTRvsiiiC又因为可表示为所以由此可知电路实现了对 vs 的对数运算。第30页，共67页，编辑于2022年，星期三（2）、实际应用对数电路：如图所示VCCT1R1vsi1iC1T2R5tA1iC2R2R3R4RLA2i2vB2根据两个重要结论：v+1-v-1=0i 0i 0 v+2-v-2=0根据电路有第31页，共67页，编辑于2022年，星期三若取 T1 与 T2 完全对称，即参数相同，1=2 、IS1=IS2 所以又因为则第32页，共67页，编辑于2022年，星期三所以VCCT1R1vsi1iC1T2R5tA

13、1iC2R2R3R4RLA2i2vB2第33页，共67页，编辑于2022年，星期三故式中、R4 为正温系数的热敏电阻。（3）、反对数运算电路（指数运算电路）：voTRfvsifiC v+-v-=0i 0根据电路可知第34页，共67页，编辑于2022年，星期三因为voTRfvsifiC所以故第35页，共67页，编辑于2022年，星期三4、乘、除法器：第二章介绍了跨导线性环实现电流量之间非线性运算组成的电路，若进一步用集成运放将电流量变换为电压量，就可以实现电压量之间的非线性运算。电路如图所示vyT1RxvxixvoiyRyvzizT4T3T2ioR4R3R2R1RzA4A3A2A1第36页，共6

14、7页，编辑于2022年，星期三vyT1RxvxixvoiyRyvzizT4T3T2ioR4R3R2R1RzA4A3A2A1 v+-v-=0i 0所以第37页，共67页，编辑于2022年，星期三根据电路有所以所以若取时则第38页，共67页，编辑于2022年，星期三若取为定值时电路为vx 和vy 的乘法器若取为定值时电路为vx 对vz的除法器第39页，共67页，编辑于2022年，星期三四、精密整流电路四、精密整流电路如图所示应用于当 vI 小于二极管导通电压时的情况：根据电路可知voR1R2vID1D2voA当 时：二极管 D1 和 D2 均截止，由于所以输出电压为当 时：为负值，二极管 D1 截

15、止、D2导通，由于所以输出电压为1、整流电路第40页，共67页，编辑于2022年，星期三voR1R2vID1D2voA当 时：为正值，二极管 D2 截止、D1导通，由于电路变为反相输入放大器。vItvot传输特性曲线vo0vI-R2/R1 输出波形，如图所示第41页，共67页，编辑于2022年，星期三2、精密转折点电路转折点电路：凡是具有折线转折传输特性的电路。例如、精密整流电路，就是自原点转折的精密转折点电路。现介绍可将转折点自原点移到X轴的特定位置上的电路。电路如图所示voR1R2VRD1D2voAVIR3计算特定转折点第42页，共67页，编辑于2022年，星期三voR2VRtD1D2vo

16、AvItR3/R1利用叠加定理将输入电压源变换为戴维南电路。根据电路可知当 时：二极管 D1 和 D2 均截止，第43页，共67页，编辑于2022年，星期三voR2VRtD1D2voAvItR3/R1所以输出电压为当 时：为负值，二极管 D1 截止、所以输出电压为D2导通。当 时：为正值，二极管 D2 截止、D1导通。电路变为反相输入放大器。由于由于第44页，共67页，编辑于2022年，星期三vovI-R2/R30第45页，共67页，编辑于2022年，星期三利用精密转折点电路可以构成传输特性为非线性函数的电路。例如，将一单调增长的非线性传输特性，用三段折线逼近，如图6113(a)所示第46页，

17、共67页，编辑于2022年，星期三第47页，共67页，编辑于2022年，星期三为了实现这个传输特性，可采用图6-1-13(b)所示电路，图中，A1、A2和A3为精密转折点电路，它们的转折点电压分别为通过分析求得相应的传输特性为第48页，共67页，编辑于2022年，星期三A4为反相加法器，它的输出电压 vO=-(vOl+vO2+vO3)，根据各折线段的斜率选定相应的电阻值，便可得到图6-1-13(a)所示折线逼近特性。第49页，共67页，编辑于2022年，星期三五、仪器放大器五、仪器放大器 在精密测量和控制系统中，需要将来自各种换能器的电信号进行放大，这种信号往往是换能器之间或者是换能器与基准信

18、号之间的微弱差值信号，通常选用仪器放大器。仪器放大器：又称数据放大器，是用来放大上述微弱差值信号的高精度放大器。特点：具有很高的共模抑制比，极高的输入电阻，而且增益能在大范围内可调。例如、三运放仪器放大器电路如图所示第50页，共67页，编辑于2022年，星期三vI2RGR1vI1R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2vo分析：已知 R1=R2、R3=R5、R4=R6。由于各运放均为理想运算放大器，因此有所以加在 RG 两端的电压为：因此，流过 RG 的电流 iG为：iG第51页，共67页，编辑于2022年，星期三vI2RGR1vI1R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2voiG所以

19、故 当R1=R2=R 时第52页，共67页，编辑于2022年，星期三vI2RGR1vI1R2vo1vo2R3R4R5R6A1A3A2voiG对运放 A3 来说，vo1 与 vo2 为A3 的输入信号，因此有由于整理得：第53页，共67页，编辑于2022年，星期三则仪器放大器的差值电压增益：由此，可以看出改变 RG，可设定不同的Avf 值。第54页，共67页，编辑于2022年，星期三二、采用有源反馈的仪器放大器第55页，共67页，编辑于2022年，星期三l 另一种采用有源反馈的仪器放大器，它的简化电路如图6-1-15所示。图中，T1、T2，R1、R2为差分放大器，RG是接在两管发射极间的负反馈电

20、阻。lTT3,T4为另一差分放大器，I0为它的偏置电流，Rs是接在两管发射极间的反馈电阻。A1、A2和A3为集成运放。第56页，共67页，编辑于2022年，星期三因而当R1=R2=R时第57页，共67页，编辑于2022年，星期三相应的电压增益(6-1-15)采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可以构成低噪声、高精度、增益可调的仪器放大器。仪器放大器应用十分广泛，目前已有单片集成产品问世。例如，LH0036，LH0038，AMP-02，AMP-03，AD365，AD524等。第58页，共67页，编辑于2022年，星期三作为举例，图6-1-16示出了用仪器放大器构成的桥路放大器。第59页，共67页

21、，编辑于2022年，星期三六、电流传输器六、电流传输器YXCCZ1、结构：有两个输入端，即X与Y,一个输出端Z.特点：（1）、输入端Y呈现的输入阻抗为无穷大，即 iY=0 。（2）、输入端X呈现的输入阻抗为零，并且输入端口的电压跟随Y端口电压变化，即 vY=vX ；而与流入端口的电流无关。（3）、流入X端口得电流，被传输到高阻抗的输出Z端口，即 iZ=iX，而与输出端口电压 vZ 无关。vYvXvZiY=0iXiZ第60页，共67页，编辑于2022年，星期三电路如图所示vYVSSVDDvZvXiXZYXAT1T2T5T6T3T4iZiD1iD2iD1iD2T!和 T2 为导电沟道互补的EMOS

22、管，它们的漏极电流 iD1 和 iD2 分别通过上，下两个由 T3、T4 和 T5、T6 组成的电流源传输到输出端。设、T3、T4、T5 和 T6 有相同的宽长比。则有2、电流传输器的内部电路：第61页，共67页，编辑于2022年，星期三vYVSSVDDvZvXiXZYXAT1T2T5T6T3T4iZiD1iD2iD1iD2由于必有 可见符合电流传输器的端口特性。第62页，共67页，编辑于2022年，星期三如果在图示电路中再接两个电流源，如图6-1-18(b)所示第63页，共67页，编辑于2022年，星期三例如、几种典型应用电路（1）、电路为互导放大器：YXCCZviiXRioRL由电路可知：所以已知所以互导增益为：其值与负载的大小无关。如图所示，第64页，共67页，编辑于2022年，星期三（2）、电路为电流放大器：YXCCZiSiXR2ioRLR1则所以电流放大增益为：由电路可知：如图所示，第65页，共67页，编辑于2022年，星期三YXCCZvoiiRLiZ1RYXCCZ（3）、电路为互阻放大器：根据电路可知所以互阻增益为如图所示：第66页，共67页，编辑于2022年，星期三（4）、电路为负阻变换器：根据电路可知Y2X2CCZ2Y1X1CCZ1viR2iX1RLR1iZ1iZ2ii所以如图所示：第67页，共67页，编辑于2022年，星期三