掌握集成运算放大器.pptx

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1、4.14.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 4.24.2 放大电路中的反馈放大电路中的反馈 实践应用实践应用小结小结下一页 返回第1页/共78页4.1 集成运算放大器简介 运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。第2页/共78页集成运算放大器的基本组成集成运算放大器的基本组成1.结构 集成运算放大器是一种高增益的直接耦合多级放大电路，通常由高电阻输入级、中间电压放大级、低电阻输出级及偏置电路四

2、部分组成，其结构如图10-1所示。图图 4.1集成运算的基本组成集成运算的基本组成输入级中间级输出级偏置电路第3页/共78页集成运算放大器的基本组成集成运算放大器的基本组成 偏置电路偏置电路向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。输入级输入级通常由双输入差分放大电路构成。一般要求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。在集成运放发展过程中，输入级的变化是最大的。第4页/共78页集成运算放大器的基本组成集成运算放大器的基本组成中间级中间级带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级，主要作用是提

3、高电压增益。一般放大倍数达千倍以上。输出级输出级采用互补对称功放或射极输出器组成，具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，主要是降低输出电阻，提高带负载能力。第5页/共78页集成运算放大器的基本组成集成运算放大器的基本组成 硅片上不能制作大容量电容，所以集成运放均采用直接耦合 方式。运放中大量采用差动放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制漂移和稳定工作点。集成运放内部电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多一个和少一个。硅片上不宜制作高阻值电阻，通常用有源元件代替大阻值的电阻。常用符合复合晶体管代替单个晶体管和场效应管，以使运放性能最好。2.特点 第6页/共78页集成运算放大器的基本组

4、成集成运算放大器的基本组成3.集成运放的符号 运放具有两个输入端v vP P和v vN N和一个输出端v vo o，这两个输入端一个称为同相端，另一个称为反相端，这里同相和反相只是输入电压和输出电压之间的关系，若输入正电压从同相端输入，则输出端输出正的输出电压，若输入正电压从反相端输入，则输出端输出负的输出电压。+A反相输入端同相输入端输 出 端第7页/共78页集成运算放大器的基本组成集成运算放大器的基本组成运算放大器的常用符号如图10-2所示。图图 10.2运算放大器的常用符号运算放大器的常用符号第8页/共78页集成运放大器的电压传输特性集成运放大器的电压传输特性 集成运放输出电压V Vo

5、o与输入电压（V VP PV VN N）之间的关系曲线称为电压传输特性。对于采用正负电源供电的集成运放，电压传输特性如图10-310-3所示。图图 10.3集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性第9页/共78页集成运放大器的电压传输特性集成运放大器的电压传输特性 从传输特性可以看出，集成运放有两个工作区，线性放大区和饱和区，在线性放大区，曲线的斜率就是放大倍数，在饱和区域，输出电压不是V Vo o+就是V Vo o。由传输特性可知集成运放的放大倍数：一般情况下，运放的放大倍数很高，可达几十万、甚至上百万倍。通常，运放的线性工作范围很小，比如，对于开环增益为100dB100dB，电源电压为

6、 10V10V的F007F007，开环放大倍数A Ad=105d=105，其最大线性工作范围约为：第10页/共78页集成运放大器的主要参数集成运放大器的主要参数 集成运放的主要技术参数，大体上可以分为输入误差特性、开环差模特性、共模特性、输出瞬态特性和电源特性。1.1.输入误差特性 输入失调电压Vos 定义：在室温及标准电压下，输入为零时，为了使输出电压为零，输入端所加的补偿电压称为输入失调电压Vos。Vos大小反映了运放的对称程度。Vos越大，说明对称程度越差。一般Vos的值为1 V 20mV。输入误差特性参数用来表示集成运放的失调特性，描述这类特性的主要是以下几个参数：第11页/共78页集

7、成运放大器的主要参数集成运放大器的主要参数 输入失调电压的温漂 dVos/dT 定义：指在指定的温度范围内，Vos随温度的平均变化率。dVos/dT是衡量温漂的重要指标。不能通过外接调零装置进行补偿，对于低漂移运放，dVos/dTPV VN N时，V Vo=o=V Vo o；当V VPP0时 vo=vo+，就是输出为正饱和值。当vivR时 vo=vo+，就是输出为正饱和值。当vivR2时，vo=vz当vcvR2时，vo=+vz第37页/共78页集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用2 2方波发生器图4-17 方波发生器工作原理图假定接通电源瞬时，vo=+vz，vc=0，方波发生器的工作原理图

8、。那么有 电容沿图10-17a所示方向充电，vc上升。当 时，vo变为-vz，充电过程结束；接着，由于vo由+vz变为-vz，电容开始放电，放电方向如图10-17b所示，同时vc下降。第38页/共78页集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用2 2方波发生器图4-18 方波发生器工作波形图vo由vz变为+vz，重复上述过程。工作过程波形图见图10-18。当下降到综上所述，这个方波发生器电路是利用正反馈，使运算放大器的输出在两种状态之间反复翻转，RC电路是它的定时元件，决定着方波在正负半周的时间T1和T2，由于该电路充放电时常数相等，即方波的周期为 T=T1+T2 第39页/共78页4.2 放大

9、电路中的反馈 集成运放在实际使用的组成电路中，总要引入反馈，以改善放大电路性能，因此掌握反馈的基本概念与判断方法是研究集成运放电路的基础。第40页/共78页4 4.2.1 .2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念1.什么是电子电路中的反馈 定义：在电子电路中，将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式馈给输入回路，与输入信号一起共同作用于放大器的输入端，称为反馈。反馈放大电路组成框图如10-19所示。图图4-19 反馈放大器框图反馈放大器框图第41页/共78页4 4.2.1 .2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念1.什么是电子电路中的反馈 组成：由基本放大器和反馈网络组成。由图10-19有基本放大

10、器的净输入信号Xd=XiXf，反馈网络的输出Xf=FxXo，基本放大器的输出Xo=AxXd。图图4-19 反馈放大器框图反馈放大器框图Ax和Fx中的下标X表示是如下的一种：称为电压增益称为电流增益称为互阻增益 第42页/共78页4 4.2.1 .2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念图图4-19 反馈放大器框图反馈放大器框图称为互导增益 称为电压反馈系数 称为电流反馈系数 称为互阻反馈系数 称为互导反馈系数 第43页/共78页4 4.2.1 .2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念2.正反馈与负反馈 定义：若放大器的净输入信号比输入信号小，则为负反馈，反之若放大器的净输入信号比输入信号大，则为正反

11、馈。就是说若XiXd，则为负反馈。图图4-19 反馈放大器框图反馈放大器框图第44页/共78页4 4.2.1 .2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念3.直流反馈与交流反馈 定义：若反馈量只包含直流信号，则称为直流反馈，若反馈量只包含交流信号，就是交流反馈，直流反馈一般用于稳定工作点，而交流反馈用于改善放大器的性能，所以研究交流反馈更有意义，本节重点研究交流反馈。图图4-19 反馈放大器框图反馈放大器框图第45页/共78页4 4.2.1 .2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念4.开环与闭环 定义：从反馈放大电路框图可以看出，放大电路加上反馈后就形成了一个环，若有反馈，则说反馈环闭合了，若无反馈，

12、则说反馈环被打开了。所以常用闭环表示有反馈，开环表示无反馈。图图4-19 反馈放大器框图反馈放大器框图第46页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型1反馈的判断 有无反馈的判断 若放大电路中存在将输出回路与输入回路连接的通路，即反馈通路，并由此影响了放大器的净输入，则表明电路引入了反馈。图图4-20 反馈是否存在的判断反馈是否存在的判断第47页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型1反馈的判断 反馈极性的判断即判断是正反馈还是负反馈。方法：首先规定输入信号在某一时刻的极性，然后逐级判断电路中各个相关点的电流流向与电位的

13、极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；图图4-21 反馈极性的判断反馈极性的判断第48页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型1反馈的判断 反馈组态的判断u 电压与电流反馈的判断 反馈量取自输出端的电压，并与之成比例，则为电压反馈；若反馈量取自电流，并与之成比例，则为电流反馈。方法：判断方法是将放大器输出端的负载短路，若反馈不存在就是电压反馈，否则就是电流反馈。图图4-22 电压反馈与电流反馈的判断电压反馈与电流反馈的判断第49页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型1反馈的判断 反馈组

14、态的判断u 串联反馈与并联反馈的判断 若放大器的净输入信号vd是输入电压信号vi与反馈电压信号vf之差，则为串联反馈。若放大器的净输入信号id是输入电流信号ii与反馈电流信号if之差，则为并联反馈图图4-23 串联反馈与并联反馈的等效电路串联反馈与并联反馈的等效电路第50页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电压串联负反馈图图4-24 电压串联负反馈电路电压串联负反馈电路 判断图4-24所示电路的反馈组态方法：首先将负载RL短路，就相当于输出端接地，这时vo=0，反馈的原因不存在，所以是电压反馈。从输入端来看，净输入信号vd等于输入信号

15、vi与反馈信号vf之差，就是说输入信号与反馈信号是串联关系，所以反馈组态是电压串联反馈。使用瞬时极性法判断正负反馈，各瞬时极性如图所示，可见vi与vf极性相同，净输入信号小于输入信号，故是负反馈。第51页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电压串联负反馈图图4-24 电压串联负反馈电路电压串联负反馈电路输出电压的计算：在输入vpvN，故有从而得到，所以输出电压由图可得反馈系数Fv第52页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电压串联负反馈图图4-24 电压串联负反馈电路电压串联负反

16、馈电路对输入电阻的影响：，而有反馈时由于得到当无反馈时，第53页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电压串联负反馈图图4-25 输出电阻计算等效电路输出电阻计算等效电路对输出电阻的影响：由图有因为vi=0，所以vd=-vf=-FvVo=-FvV，所以有 设运放的输出电阻为Ro，令反馈放大器的输入vi=0，去掉负载电阻RL，然后在放大器的输出端接一个实验电压源V，见图10-25。最后得到第54页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态 电流串联负反馈 图图4-26 电流串联负反馈电路电

17、流串联负反馈电路 判断图10-26所示电路的反馈组态，方法：首先将负载RL短路，这时仍有电流流过R1电阻，产生反馈电压vf，所以是电流反馈。从输入端来看，净输入信号vd等于输入信号vi与反馈信号vf之差，就是输入信号与反馈信号是串联关系，所以反馈组态是电流串联反馈。使用瞬时极性法判断正负反馈，各瞬时极性如图所示，可见vi与vf极性相同，净输入信号小于输入信号，故是负反馈。第55页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电流串联负反馈输出电流的计算：在输入vpvN，故有从而得到，所以输出电流由图可得反馈系数Fr 图图4-26 电流串联负反馈电

18、路电流串联负反馈电路第56页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电流串联负反馈对输入电阻的影响：图图4-26 电流串联负反馈电路电流串联负反馈电路 因为是串联反馈，所以反馈时的输入电阻Rif是无反馈时的1+AgFr倍，这里Ag是基本放大器的互导增益。第57页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电流串联负反馈对输出电阻的影响：由图有所以 设运放的输出电阻为Ro，令反馈放大器的输入vi=0，去掉负载电阻RL，然后在放大器的输出端接一个实验电流源I，见图4-27。最后得到图4-27 输

19、出电阻计算等效电路 第58页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电压并联负反馈 图图4-28 电压并联负反馈电压并联负反馈 判断图10-28所示电路的反馈组态方法：首先将负载RL短路，就相当于输出端接地，这时vo=0，反馈的原因不存在，所以是电压反馈。从输入端来看，输入信号ii与反馈信号if并联在一起，净输入信号id等于输入电流信号ii与反馈电流信号if之差，所以反馈组态是电压并联反馈。使用瞬时极性法判断正负反馈，各瞬时极性和瞬时电流方向如图所示，可见if瞬时流向是对ii分流，使id减小，净输入信号id小于输入信号ii，故是负反馈。第5

20、9页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电压并联负反馈 图图4-28 电压并联负反馈电压并联负反馈输出电压的计算：在输入vpvN，故有从而得到，所以输出电压由图可得反馈系数Fg第60页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电压并联负反馈 图图4-28 电压并联负反馈电压并联负反馈对输入电阻的影响：，而有反馈时由于得到当无反馈时，就是说反馈时的输入电阻Rif是无反馈时的1/（1+ArFg）倍。第61页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种

21、负反馈组态电流并联负反馈 图4-29 4-29 电流并联负反馈电路 判断图10-29所示电路的反馈组态，方法：首先将负载RL短路，这时仍有电流流过R1电阻，产生反馈电流if，所以是电流反馈。从输入端来看，输入信号ii与反馈信号if并联在一起，净输入电流信号id等于输入电流信号ii与反馈电流信号if之差，所以该电路的反馈组态是电流并联反馈。使用瞬时极性法判断正负反馈，各瞬时极性和瞬时电流方向如图所示，可见if瞬时流向是对ii分流，使id减小，净输入信号id小于输入信号ii，故是负反馈。第62页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电流并联负

22、反馈输出电流的计算：在输入vpvN，故有从而得到，所以输出电流由图可得反馈系数Fi图4-29 电流并联负反馈电路第63页/共78页4 4.2.2 .2.2 反馈的判断方法和类型反馈的判断方法和类型2.四种负反馈组态电流并联负反馈对输入电阻的影响：图图4-29 电流并联负反馈电路电流并联负反馈电路 由于是并联反馈，所以该电路反馈时的输入电阻Rif比无反馈时的Ri小1+AiFi倍，这里Ai是基本放大器的电流放大系数。对输出电阻的影响：由于是电流反馈，所以该电路反馈时的输出电阻是无反馈时的输出电阻的1+AiFi倍。第64页/共78页4 4.2.3 .2.3 负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影

23、响1.负反馈对放大倍数的影响对增益大小的影响：也就是说在深度负反馈条件下，闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数，与三极管等有源器件的参数基本无关。负反馈对增益的影响包括二方面，即负反馈对增益大小的影响和负反馈对增益稳定性的影响。当环路增益|1时，即深度负反馈时，闭环放大倍数 根据负反馈基本方程，不论何种负反馈，都可使反馈放大倍数下降|1+AF|倍，对电压串联负反馈第65页/共78页4 4.2.3 .2.3 负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响2.负反馈对增益稳定性的影响 在负反馈条件下增益的稳定性也得到了提高，这里增益应该与反馈组态相对应 有反馈时，增益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF

24、)倍。要注意对电压负反馈使电压增益的稳定性提高；对电流负反馈使电流增益的稳定性提高。不同的反馈组态对相应组态的增益的稳定性有所提高。第66页/共78页4 4.2.3 .2.3 负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响3.负反馈对输入和输出电阻的影响对输入电阻的影响：（1）当是串联负反馈时，反馈电压与输入电压加在放大电路输入回路的两个点，且极性相同，所以净输入电压减小，输入电流减小，这相当输入电阻增加。理论推导可以证明串联负反馈可以使输入电阻增加（1+AF）倍。（2）在并联负反馈放大电路的输入端，输入信号与反馈信号加在同一个点，由于反馈极性为负，反馈电路将分流一部分输入电流，使输入电流增大，

25、相当输入电阻减小。理论推导可以证明并联负反馈可以使输出电阻减少(1+AF)倍。第67页/共78页4 4.2.3 .2.3 负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响3.负反馈对输入和输出电阻的影响对输出电阻的影响：（1）电压负反馈使输出电阻减小。电压负反馈可以稳定输出电压，使放大电路接近电压源，输出电压稳定，也就是放大电路带负载能力强，相当输出电阻减小。输出电阻小，输出电压在内阻上的电压降就小，输出电压稳定性就好，这与电压负反馈可使输出电压稳定是一致的因果关系。理论推导可以证明电压负反馈可以使输出电阻减少（1+AF）倍。（2）电流负反馈使输出电阻增加。电流负反馈可以使输出电阻增加，这与电流负

26、反馈可以稳定输出电流有关。输出电流稳定，使放大电路接近电流源，因此放大电路的输出电阻，即内阻增加，电流负反馈使输出电流稳定与输出电阻增大是一致的因果关系。理论推导可以证明电流负反馈可以使输出电阻增加（1+AF）倍。第68页/共78页4 4.2.3 .2.3 负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响4.负反馈对通频带的影响 放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。有反馈时的通频带为无反馈时的通频带的(1+AF)倍。负反馈放大电路扩展通频带有一个重要的特性，即增益与通频带之积为常数。第69页/共78页4 4.2.3 .2.3 负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响5.负反馈对非

27、线性失真的影响 负反馈可以改善放大电路的非线性失真，但是只能改善反馈环内产生的非线性失真。因加入负反馈，放大电路的输出幅度下降，不好对比，因此必须要加大输入信号，使加入负反馈以后的输出幅度基本达到原来有失真时的输出幅度才有意义。6.负反馈对噪声、干扰和温漂的影响 负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用，且必须加大输入信号后才使抑制作用有效。第70页/共78页实践应用 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图10-30所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输

28、入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“VO”为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的位相反；Vi+为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。常用集成运放芯片的应用 第71页/共78页实践应用它的主要技术指标如下：输入失调电压：2mV 输入失调电流：5nA输入偏置电流：45nA 差模电压增益：100dB温度漂移：7V/单电源工作电压：3-30V双电源工作电压：1.5 15 静态电流：500ALM324的管脚排列如图4-31所示。其中引脚11为负电源或地线，引脚4为正电源。常用集成运放芯片的应用 图4-30 四运放LM324 图4-

29、31 四运放LM324引脚排列图第72页/共78页实践应用 电路见图10-32。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf Co和Ci为耦合电容。1.反相交流放大器图4-32 反相交流放大器 第73页/共78页实践应用 图4-33中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2组成分

30、压电路为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当UiU1时，运放A1输出高电平；当UiU2，则当输入电压Ui越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。2.比较器 图4-33 比较器第74页/共78页实践应用 如图4-34。电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完毕，运放A1正输入端电压U2等

31、于电源电压V+，故A1输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1U2，故运放A1输出低电平。当输入电压变高时，二极管D1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2 U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。3.单稳态触发器第75页/共78页实践应用 如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2U1时，A1输出才变为高电平。工作波形见图10-35。3.单稳态触发器图4-35 单稳态触发器工作波形图4-34 单稳态触发器 第76页/共78页 本章主要讲述了集成运放放大器的结构特点，电路组成，主要性能参数，基本分析方法及实际运用。同时对放大电路中反馈的基本概念，反馈的判别方法和类型及反馈对放大电路的影响作了阐述。本章小结第77页/共78页感谢您的观看！第78页/共78页