集成运算放大电路的线性应用.pptx
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1、1 作业作业:8-2,8-4,8-7 8-16,8-19,自测:8-3,8-10,8-17,8-21 第1页/共116页2重点和难点重点和难点难点:难点:运算电路运算关系的分析和识别;对数、指数运算电路和有源滤波电路的分析计算。重点重点:比例、求和、加减、积分、微分、指数、对数等运算电路,利用“虚短”和“虚断”的概念分析这些运算电路输出电压和输入电压的运算关系。第2页/共116页38.1 概述8.1.1 应用分类 根据在不同电路中集成运放所处的工作状态,可以把集成运放的应用分为两大类:线性应用和非线性应用 第3页/共116页41.线性应用 当集成运放带深度负反馈,或者是兼有正负反馈而以负反馈为
2、主时,集成运放工作在线性状态。集成运放输出量与净输入量成线性关系。但是,整个应用电路的输出与输入之间仍可能是非线性的关系。8.1.1 应用分类第4页/共116页52.非线性应用 集成运放处于无反馈(开环)或带正反馈的工作状态。集成运放的输出量与净输入量成非线性关系,输出量不是处于正饱和值就是负饱和值。本章所讲述的各种电路中,集成运放均是线性应用。8.1.1 应用分类第5页/共116页6 对不同类型的集成运放应用电路,应该采取不同的分析方法:8.1.2 集成运放应用电路的分析方法1)分析每个运放所带的反馈性质及其工作状态,写出输出与输入的函数关系。2)分析整个应用电路的功能及其输出与输入的函数关
3、系。3)在分析各种实用电路时,通常都将集成运放的性能指标理想化。第6页/共116页71线性应用电路的分析方法 设集成运放同相输人端和反相输入端的电位分别为 U+、U-,电流分别为I+、I-。当理想集成运放工作在线性区时,应满足:“虚短”和“虚断”8.1.2 集成运放应用电路的分析方法第7页/共116页8虚短路:U+U-,是指集成运放的两个输入端电位无穷接近,但不是真正短路。虚地:当集成运放的一个输入端电位为地时,则另一端为“虚地”点(由虚短推出)。虚断路:I+=I-0,指集成运放两个输入端的电流趋于零,但不是真正断路。“虚短”和“虚断”第8页/共116页92.非线性应用电路的分析方法 在非线性
4、应用中,集成运放不是处于开环就是处于带正反馈的工作状态。当u+u -时,uo=+UOM;当u+u -时,uo=-UOM。2)净输入电流为零,即i+=i-0。集成运放仍然具有“虚断路”的特点。1)输出电压只有两种可能的情况:正的最大值或负的最大值。第9页/共116页108.2 基本运算电路 集成运放构成负反馈(深度负反馈)时,工作在线性区,完成运算功能:比例、加减、积分、微分、对数、指数、乘法和除法等运算电路。第10页/共116页118.2.1 运算电路中集成运放的输入情况 集成运放的输入可以有:a)反相端输入b)同相端输入c)差动输入虚地第11页/共116页12由于集成运放输入级一般采用差动电
5、路,要求输入电路由于集成运放输入级一般采用差动电路,要求输入电路两半的参数对称,因此一般要求:两半的参数对称,因此一般要求:Rn=RpRn 为集成运放反相输入端到地之间向外看的等效电阻,为集成运放反相输入端到地之间向外看的等效电阻,Rp为集成运放同相输入端到地之间向外看的等效电阻。为集成运放同相输入端到地之间向外看的等效电阻。第12页/共116页138.2.2 比例运算电路 比例运算电路的输出量与输入量(一般是电压)之间成比例关系,其比例系数就是反馈放大电路的电压增益。输出量的极性或相位可以与输入量相反(反相端输入)或相同(同相端输入)。第13页/共116页141.反相比例运算电路(虚断)(虚
6、断)(虚地)(虚地)整理得整理得:输入电阻:输入电阻:电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻:输出电阻:第14页/共116页152同相比例运算电路 注注意意:存存在在“虚虚短短”、“虚虚断断”但但不不存存在在“虚虚地地”,有有共共模模输输入入电压。电压。整理得:整理得:第15页/共116页16引入电压串联深度负反馈,其引入电压串联深度负反馈,其Ri高(理想为高(理想为),),Ro低(理想为低(理想为0)。)。但因存在但因存在共模输入,应选高共模抑制比的运放。共模输入,应选高共模抑制比的运放。特例:特例:R=时,时,Uo=Ui,称之为称之为电压跟随器。电压跟随器。第16页/共116页17电压跟随器
7、 由运放构成的电压跟随器跟随特性好,性由运放构成的电压跟随器跟随特性好,性能优良。能优良。第17页/共116页18对于单一信号作用的运算电路,在分析运算关系时:(1)首先列出关键节点的电流方程,通常是集成运放的同相输入端(+)和反相输入端(-)的电流方程。(2)然后根据“虚短”和“虚断”的原则进行计算,即可得到输出电压和输入电压的运算关系。小小 结结第18页/共116页19例8-1:电压电流变换电路(U-I)图中引入电流并联负反馈。图中引入电流并联负反馈。输出电流与输入电压输出电流与输入电压之间关系为:之间关系为:第19页/共116页20 在这两种变换电路中,负载电流与负载电阻无关,所以是一个
8、恒流源。负载电流:例:电压电流变换电路 改用串联负反馈,可以提高输入阻抗。第20页/共116页21例8-2 电流电流变换电路(I-I)通过负载的电流IL与RL无关,对负载相当于内阻无穷大的理想电流源。第21页/共116页22基本反相比例电路:Ri=R。例8-3:T形反馈网络的反相比例运算电路 可能不再成立。如果比例系数为-50,当第22页/共116页23由电阻R2、R3和R4构成T形网络。试分析输出电压与输入电压之间的关系。第23页/共116页24取可以看出,该电路的比例系数为-50,输入电阻为:,而反馈电阻不必很大。第24页/共116页258.2.3 加减运算电路1.加法运算电路(1)反相端
9、输入1)节点电流法求解:节点电流法求解:第25页/共116页268.2.3 加减运算电路2)利用叠加原理求解依次类推,得:Ui1单独作用时,第26页/共116页278.2.3 加减运算电路(2)同相端输入第27页/共116页288.2.3 加减运算电路并且,若R/RF=R1/R2/R3,可省略R。第28页/共116页298.2.3 加减运算电路2.加减法运算电路(1)差动输入当只有反相输入端有信号时,利用叠加原理,如果第29页/共116页308.2.3 加减运算电路 使用单个集成运放构成加减运算电路时存在两个缺点:1)应考虑同相和反相输入端输入电阻的平衡,电阻的选择和调整比较困难;2)有的输入
10、信号的输入电阻比较小。可以采用两级集成运放来实现加减运算电路。第30页/共116页318.2.3 加减运算电路(1)两级运放构成加减运算电路可以采用同相端输入,也可以采用反相端输入。可以采用同相端输入,也可以采用反相端输入。1)两级集成运放反相端输入实现加减运算第31页/共116页32当RF1=R3时第32页/共116页338.2.3 加减运算电路采取同相端输入的方法,可提高输入阻抗。2)两级集成运放同相端输入实现加减运算第33页/共116页34第34页/共116页35若R1=RF2,R3=RF1,则有:差动输入输入电阻第35页/共116页36多个集成运放构成的复杂电路的分析时:1)认清每一个
11、运放的运算功能,以便确定它的输出和输入之间的关系;2)对接成负反馈的运放,要善于应用“虚短”(有时还存在“虚地”)和“虚断”等概念来确定电路中某些点的电位和电流之间的关系;3)根据上述关系确定整个电路的输出和输入之间的关系。小结小结 第36页/共116页37例8-4 高输入阻抗和高共模抑制比的仪表放大电路 A1、A2组 成 第一级差动电路;A3构成第二级差动电路。1第37页/共116页38根据“虚短”、“虚断”有:A3两边参数对称(Rn=Rp),有:1第38页/共116页39 该放大器电路第一级是具有深度电压串联负反馈的电路,输入电阻高。差动输入电路有较强的共模抑制能力、较小的输出漂移电压和较
12、高的差模电压增益。进一步提高电路的性能,几个外接电阻R2、R3、R4必须严格匹配。高输入阻抗和高共模抑制比的仪表放大电路 1第39页/共116页40 电路广泛应用于测量仪表,特别是在测量几微伏的微弱信号时。如果使用单端输入的运放,往往无法抑制高频噪声干扰。如果使用差动运放,通过两根输入线相绞合可以抑制噪声干扰。目前这种仪用放大器已有多种型号的单片集成电路。高输入阻抗和高共模抑制比的仪表放大电路 第40页/共116页41差动运放用于微弱信号测量实例 第41页/共116页428.2.4 反相输入运算电路的组成规律存在“虚地”采用不同类型的元件1和2,可使运算电路的uO与uI之间具有不同的运算关系。
13、反相输入运算电路的一般结构图反相输入运算电路的一般结构图第42页/共116页431.正函数型的反相输入运算电路 uO与uI之间的运算关系是输入回路中函数元件1的iI和uI的函数关系。此类反相输入运算电路叫做“正函数型”的运算电路。函数元件1:使iI=f1(uI),反馈回路里采用电阻元件2,使 第43页/共116页442.反函数型的反相输入运算电路 在输入回路里采用电阻元件1,使uO与uI之间的运算关系是反馈回路中函数元件2的iF和uO的反函数关系。此类反相输入运算电路叫做“反函数型”的运算电路。反馈回路里采用函数元件2,使iF=f2(uO),第44页/共116页458.2.5 积分和微分运算电
14、路1.积分运算电路(1)基本积分运算电路 反相输入的反函数型运算电路电容元件C的电流和电压的关系为 第45页/共116页46(1)基本积分运算电路 输出电压 t0到t时刻 积分值uo在 t0时刻的初始电压。uo终值为t时刻的电压。第46页/共116页47积分运算电路在不同输入情况下的波形当当UI为常量时:为常量时:1)输入为阶跃信号)输入为阶跃信号第47页/共116页482)输入为方波输入为方波将方波变成三角波第48页/共116页493)输入为正弦波)输入为正弦波输入正弦信号时,输出为余弦信号。第49页/共116页50(1)基本积分运算电路 输入为阶跃信号、方波信号和正弦波信号时的输出波形第5
15、0页/共116页51(1)基本积分运算电路 把积分电路的输出电压作为电子开关或其他类似装置的输入控制电压,则积分电路可以起延时作用。积分电路在模数转换中,可以把电压量转换为与之成比例的时间量。积分电路用作波形变换电路,可以把输入的方波变换成三角波。第51页/共116页52(2)基本积分电路存在的问题 1)积分饱和:当输出电压值不断增大达到负向电压饱和值时,运放进入非线性区,积分作用停止,集成运放同相和反相输入端不再是虚短,反相输入端不再是虚地。2)积分漂移:由于集成运放存在输入失调电压、失调电流以及它们的温漂,即使输入信号为0,积分电路输出电压仍不断向某一方向缓慢变化,直至输出电压达到饱和值。
16、解决方法:是选用性能优良的运放,或在C上并联RF,引入直流负反馈。第52页/共116页532.微分运算电路 只要把积分电路中的C和R的位置互换,就可以构成微分电路。(1)基本微分电路该电路是正函数型运算电路,输出电压和输入电压的关系与电容C的电流和电压的关系相同,为微分运算电路。第53页/共116页54(1)基本微分运算电路 输出电压 输出电压和输入电压的变化率成比例。第54页/共116页55(1)基本微分运算电路 当输入端加上阶跃信号ui时,运放的输出端在ui发生突变时将出现脉冲电压。其大小和R、C以及dui/dt有关,最大值受运放输出电压饱和值限制。ui不变时,uo为0。微分电路的输入输出
17、波形 第55页/共116页56 微分电路对输入电压的变化率非常敏感,基本微分运算电路在使用中存在以下问题:(2)基本微分电路存在的问题 1)抗干扰性能差;2)可能会引起电路的自激振荡;3)当输入电压突变时,反馈回路中电流与电阻的乘积可能超过运放的最大输出电压,甚至可能使电路不能正常工作。解决方法 第56页/共116页57实用分微运算电路 输出电压和输入电压近似成微分关系。限流限压相位补偿第57页/共116页58例8-5 PID参数调节器 自动控制系统中,通常采用的PID(proportional-integral-differential)调节电路,即比例积分微分。利用虚短和虚断,分析输出电压
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