第二章集成运算放大器.pptx

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1、17 二月 20231集成运算放大器基本内部组成可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分，各部分单元电路均采用直接耦合方式。第二章 集成运算放大电路2.12.1集成运算放大器结构特点和理想集成运算放大器结构特点和理想 运算放大器运算放大器1输入级采用差分放大电路构成。对称性好、输入电阻高、可以有效减小零点漂移、抑制干扰信号等，可以有效放大有用信号。第1页/共40页17 二月 202322中间级第二章第二章 集成运算放大电路集成运算放大电路2.12.1集成运算放大器结构特点和理想集成运算放大器结构特点和理想 运算放大器运算放大器为整个电路提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放大

2、电路，集电极电阻用晶体管恒流源代替，恒流源的动态电阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。3输出级 输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足够大的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低，带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。4偏置电路为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流过大时将运放烧坏。第2页/共40页17 二月 20233集成运放的图形符号反相输入端同相输入端输出端uouu+ud+Ao+输入方式输入方式:反相输入反相输入 同相输入同相输入 差分输入差分输入F00781723456100 dB238

3、 715 46uu+uo+UCCUEEF007 的外部接线和管脚图返 回下一节上一页第二章 集成运算放大电路2.12.1集成运算放大器结构特点和理想运算放集成运算放大器结构特点和理想运算放大器大器第3页/共40页17 二月 202341.开环电压放大倍数（开环电压增益）Au0在输出端开路，无外接反馈电路时，两个输入端加电压输入信号，此时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数，简称开环电压放大倍数，一般用分贝表示。Au0越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。2.最大输出电压UOPP能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，3.开环差模输入电阻rid 它指的是集成运放加

4、入差模信号时的开环等效输入电阻，表征了输入级从信号源取用电流的大小，其值越大越好。理想运算放大器的rid 常认为是无穷大的。二、集成运算放大器的主要参数 2.12.1集成运算放大器结构特点和理想集成运算放大器结构特点和理想 运算放大器运算放大器第4页/共40页17 二月 202354.开环输出电阻ro 它指的是没有外接反馈电路时，输出级的输出电阻。表征了集成运放带负载的能力，其阻值越小越好。理想运算放大器的ro 常认为是零。5.输入失调电压ui0理想的集成运放，当输入信号为零时，一般输出电压也为零，但是实际的集成运放中，当输入电压为零时，输出电压不等于零，为使输出电压为零，须在输入端加补偿电压

5、，该补偿电压就称为输入失调电压。它表征了输入级差分对管UBE(或UGS)不对称的程度，一般在毫伏级。6.共模抑制比KCMR表示集成运放的差模放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值，即：KCMRR 越大，说明运算放大器抑制共模信号的性能越好。2.12.1集成运算放大器结构特点和理想集成运算放大器结构特点和理想 运算放大器运算放大器第5页/共40页17 二月 202367.7.最大共模输入电压U Uicmaxicmax表示集成运放输入端所能承受的最大共模电压。8.8.最大差模输入电压U Uidmaxidmax表示集成运放输入端所能承受的最大差模电压。9.9.输入偏置电流I Iibib表示集成运算放

6、大器输出电压为零时，两个输入端静态电流（I IBNBN和I IBPBP ）的平均值。10.10.输入失调电流I I0 011.11.输入失调电压温漂和输入失调电流温漂12.-3dB12.-3dB带宽f fH H13.13.转换速率SRSR第6页/共40页17 二月 20237 理想运放的主要条件：(1)开环放大倍数：Ao=(2)开环输入电阻：ri=(3)开环输出电阻：ro=0(4)共模抑制比：KCMRR=uouu+ud+理想运放的图形符号返 回上一节上一页三、理想集成运放技术指标及符号 2.12.1集成运算放大器结构特点和理想集成运算放大器结构特点和理想 运算放大器运算放大器四、集成运放的电压

7、传输特性电压传输特性表示输出电压随输入电压变化的规律。+UO(sat)UO(sat)理想特性实际特性Ouou+u-电压传输特性有两个工作区：线性工作区和非线性工作区。第7页/共40页17 二月 20238返 回上一节下一节上一页1集成运放线性工作的特点2.12.1集成运算放大器结构特点和理想集成运算放大器结构特点和理想 运算放大器运算放大器 如果集成运放工作在线性区，分析由它组成的电路时，有两条重要而普遍适用的结论：(1)“虚短”集成运放两个输入端的电压近似相等，即u+u-。如果集成运放反相端有信号输入时，同相输入端接“地”，由“虚短”现象可知，反相输入端的电位接近“地”电位，即反相输入端是一

8、个不接“地”的“地”电位，通常称为“虚地”。第8页/共40页17 二月 20239(2)“虚断”2.12.1集成运算放大器结构特点和理想集成运算放大器结构特点和理想 运算放大器运算放大器流进集成运放两个输入端的电流近似为零，即 i+i-0 。集成运放开环差模输入电阻很高(理想时)，输入回路相当于断路，故从两个输入端流入的电流可忽略不计，如同这两端被断开一样，但实际并不是真的断开，因此称为“虚断”。理想的集成运放无论工作在线性区还是非线性区，“虚断”现象总是存在的。(1)(2)两个输入端电压u+与 u-不一定相等，即“虚短”不一定成立。(3)输入电流仍等于零。尽管两个输入端电压不等，但因为理想运

9、放的rid=，仍可认为此时的输入电流等于零，即“虚断”现象仍然存在。2.集成运放非线性工作（饱和状态）的特点 当 u+u时：uo=+UO(sat)当 u+u时：uo=UO(sat)第9页/共40页17 二月 202310uo+一、反相输入组态（反相比例运算电路）R1uiRfRpuu+u=u+=0虚地i1ifi1=ifuiR1=uoRfuo=f1ui闭环电压放大倍数 Auf第二章 集成运算放大电路2.2 2.2 集成运算放大器的三种输入组态集成运算放大器的三种输入组态(1)(1)反相比例运算电路当 Rf=R1 时：uo=ui反相器反相器平衡电阻平衡电阻平衡电阻:Rp=R1/Rf平衡电阻的作用：保

10、证集成运放同相输入端和反相输入端的外接电阻相等，消除静态基极电流对输出电压的影响。第10页/共40页17 二月 202311第二章 集成运算放大电路 2.2 2.2 集成运算放大器的三种输入组态集成运算放大器的三种输入组态二、同相输入组态（同相比例运算电路）uo+R1RpuiRfuu+i1ifu=u+=uiif=i1u uo Rf=-=-uR1uo=RfR1)ui(1+平衡电阻平衡电阻:Rp=R1/Rfuo+ui上一页闭环电压放大倍数 Auf当 电压跟随器电压跟随器 再令再令 第11页/共40页17 二月 202312第二章 集成运算放大电路2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的

11、应用举例一、加法运算电路1.反相加法运算电路 上一节上一页uo+R12RfRpR11ui1ui2R13ui3当 第12页/共40页17 二月 202313第二章 集成运算放大电路 2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例返 回上一页2.同相加法运算电路 为使电路能够补偿输入偏置电流、失调电流及其漂移的影响。应用叠加原理，u+可由ui1和ui2单独作用求出：ui1单独作用时，令ui2=0，ui2单独作用时，令ui1=0两个电压源共同作用：根据“虚短”现象，若选取 第13页/共40页17 二月 202314第二章 集成运算放大电路 2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放

12、大器的应用举例二、减法运算电路R3uo+R1RfR2ui1ui2下一节1应用集成运放“虚短”和“虚断”特点求解 由“虚短”的特点，当R1=R2和RF=R3时当RF=R1时第14页/共40页17 二月 202315第二章 集成运算放大电路 2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例2应用叠加原理求解 R3uo+R1RfR2ui1ui2当当ui1单独作用时单独作用时:+R3uo+R1RfR2ui1R3uo+R1RfR2ui2当当ui2 单独作用时单独作用时:uu+第15页/共40页17 二月 202316当时：平衡电阻:R2/R3=R1/RfR3uo+R1RfR2ui1ui2第二

13、章 集成运算放大电路 2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例第16页/共40页17 二月 202317例4-3 下图示电路是具有四个输入电压的双端输入和差运算电路。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的关系式。解：若令则该电路为同相加法运算电路。第二章 集成运算放大电路 2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例若令则电路为反相加法运算电路。若令第17页/共40页17 二月 202318uo=ui dt1R1C第二章 集成运算放大电路 2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例三、积分运算电路uo+CuiR1uu+R2i1if+uC

14、u=u+=0uC=uuo=uoif=i1 i1=uiR1if=CduCdt=Cduodt积分时间常数平衡电阻平衡电阻:0uit0uotUi t1R1CUO（sat）R2=R1下一节(b)波形(a)电路Ui第18页/共40页17 二月 202319uo+CuiRfuu+R2(a)电路五、微分运算电路i1if+uCu=u+=0uC=uiif =i1i1=CduCdtif=uoRfuo=Rf Cduidt微分时间常数平衡电阻：R2=Rf0uit0uot(b)波形上一节上一页Ui第二章 集成运算放大电路 2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例第19页/共40页17 二月 2023

15、20基本微分电路存在如下的缺点：输出端可能出现输出噪声淹没微分信号的现象；电路中反馈网络构成的 RFC 滞后环节，与集成运放的滞后环节合在一起，使电路稳定储备减小，电路容易引起自激振荡；突变的输入电压可能造成uo超过集成运放允许的最大输出电压，产生堵塞现象，造成自锁状态，使电路不能正常工作。右图是一种改进型的微分运算电路。图中输入回路小电阻R1限制了噪声干扰和突变的输入信号。且由于R1的引入，加强了电路中负反馈的作用。反馈支路引入小电容CF和RF并联形式来进行相位补偿。适当选取电路参数能使电路稳定工作。第二章 集成运算放大电路 2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例第20

16、页/共40页17 二月 202321例4-7 试求图示电路的uo与ui的关系式。此电路是一个反相比例运算和微分运算相结合的电路，因此称为比例微分调节器（简称PD调节器），用于控制系统中，使调节过程起到加速作用。解 由图可列出第二章 集成运算放大电路2.32.3集成运算放大器的应用举例集成运算放大器的应用举例第21页/共40页17 二月 202322第二章第二章 集成运算放大电路集成运算放大电路2.42.4集成运算放大器在算术运算电路应用中需注意的问题集成运算放大器在算术运算电路应用中需注意的问题一、选择和熟悉集成电路（查询手册、辨认端子、实际测量）二、改善集成运算放大器性能的方法1、调零（平衡

17、输出的失调，有同相端、反相端、差分输入的同相端、跟随器调零四种调零方法）2、UIO的补偿3、偏流补偿三、保护措施1、输入保护2、输出保护3、电源端保护第22页/共40页17 二月 202323一、电压比较电路第二章 集成运算放大电路信号处理电路信号处理电路电压比较电路的基本功能是对输入模拟电压进行比较和鉴别,根据输入模拟电压是大于还是小于给定的参考电压来决定电路的输出状态,也可以由比较电路的输出状态来判断输入电压的大小，故称为电压比较器。构成比较器的集成运放一般接成开环或正反馈状态，使其工作于非线性区。分类：基本比较电路和施密特比较电路反相输入基本比较电路。反相输入端输入模拟电压ui，同相输入

18、端接参考电压UREF。也可根据需要把参考电压UREF加在反相输入端，而输入信号电压ui加在同相输入端，构成同相输入基本比较电路。第23页/共40页17 二月 2023241过零比较电路 第二章 集成运算放大电路信号处理电路信号处理电路比较器输出电压翻转时刻对应的输入电压称为阈值电压或门限电压。第24页/共40页17 二月 202325例4-9 电路如图所示，输入电压为正弦波，电路的时间常数 T，T是正弦波的周期，且uo(0)=0，试画出uo1和uo2的波形。解：同相输入过零比较器第二章 集成运算放大电路信号处理电路信号处理电路第25页/共40页17 二月 2023262.任意电平比较器当URE

19、F0时，则为任意电平比较电路。第二章 集成运算放大电路信号处理电路信号处理电路为稳定输出电压，可在输出端加稳压管。第26页/共40页17 二月 2023273.基准电压比较器 第二章 集成运算放大电路信号处理电路信号处理电路令得第27页/共40页17 二月 202328二、施密特比较器 单限比较器电路简单、灵敏度高，但抗干扰能力差的。为提高比较器抗干扰能力，可在开环比较器基础上增加由电阻构成的正反馈环节，称为施密特比较电路，又称施密特触发电路。第二章 集成运算放大电路信号处理电路信号处理电路比较器有两个不同的门限电平。第28页/共40页17 二月 202329 第二章 集成运算放大电路信号处理

20、电路信号处理电路 称为回差电压称上门限电压称下门限电压回差电压的大小取决于UZ、RF和R2，与UREF无关。改变UREF将同时改变UT1和UT2，回差电压不变。传输特性平行右移或左移。施密特比较器具有较强的抗干扰能力。第29页/共40页17 二月 202330例4-11 稳压管稳定电压UZ=6V，R2=10k，RF=15k，UREF=0，ui=5sint(V)，试求两个门限电压，并画出uo的波形。解：第二章 集成运算放大电路信号处理电路信号处理电路第30页/共40页17 二月 202331第二章 集成运算放大电路信号处理电路信号处理电路第31页/共40页17 二月 202332一、方波产生电路

21、 组成：滞回比较器和RC充放电回路组成的自激振荡电路。第二章 集成运算放大电路信号产生电路信号产生电路1.工作原理 滞回比较器的两个门限电压：初始状态为uo通过RF2向C充电，uc上升，当uc上升到稍大于UT1时，在正反馈作用下，uo由+UZ迅速转换为-UZ，C充电电压uc达到最大值。C通过RF2放电,uc下降,uc下降到小于UT1时,uo由-UT1转换为+UT1。第32页/共40页17 二月 202333第二章 集成运算放大电路信号产生电路信号产生电路2振荡周期和频率 第33页/共40页17 二月 202334二、矩形波发生器 占空比：正脉冲持续时间与波形的周期之比占空比可根据需要进行调节。

22、可用电容充电时间与放电时间不等来实现，电路的输出电压形式为矩形波。充电时间常数：放电时间常数：第二章 集成运算放大电路信号产生电路信号产生电路第34页/共40页17 二月 202335*三三角波发生电路 在方波发生电路中，电容的电压是按照指数规律变化的，近似为三角形。当从电容上输出电压时，其波形与三角波形有一定的差别。若用恒流源代替电路中的电阻RF1，使电容C恒流充、放电，就可以形成较为理想的三角波发生器。第二章 集成运算放大电路信号产生电路信号产生电路第35页/共40页17 二月 2023361工作原理 三角波产生电路，是由一个同相输入的滞回比较器N1和反相积分器N2组成的。滞回比较器N1的

23、同相输入端电压u+与uo1和uo有关，根据叠加原理，可得：假设初始时刻t0时，滞回比较器N1的输出为低电平，即且假设初始时刻积分电容上的电压为零，即uC0。则N1同相输入端的电压为：第二章 集成运算放大电路信号产生电路信号产生电路 或ZoURRRuRRRu322323+=+第36页/共40页17 二月 202337u+=0，同时u+将跳变成一个正值。此后，积分电路的输出电压将随着时间往负方向线性增长，u+随之下降，当下降到u+-u-=0时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使u+=-Uz，同时，u+也跳变成一个负值。2振荡周期和频率当积分电路对输入电压-Uz进行积分时，在半个振荡周期的时间TH内

24、，输出电压，uo将从-Uz上升至+Uz，根据积分电路的输出、输入关系获得：由于积分电路的正反向积分时间常数相等，所以第二章 集成运算放大电路信号产生电路信号产生电路第37页/共40页17 二月 2023383三角波的幅值 分析三角波从-Uz到+Uz的过程，当uo1发生跳变时，三角波的输出电压达到最大值+Uz，使uo1发生跳变的条件是：u+=u-=0和uo1=-Uz代入三角波输出的幅度为：得到第二章 集成运算放大电路信号产生电路信号产生电路第38页/共40页17 二月 202339*四、锯齿波产生电路 改变三角波产生电路的正反向积分时间常数，在输出端就可以得到锯齿波信号。该电路的结构和工作原理与三角波产生电路完全相同，输出幅度也相同 第二章 集成运算放大电路信号产生电路信号产生电路第39页/共40页17 二月 202340感谢您的观看！第40页/共40页