第9章 集成运算放大器.pptx

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1、9.1 集成运算放大器的简介集成运算放大器的简介9.1.19.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。一种模拟集成电路。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo 高高:80dB140dBrid 高高:105 1011 ro 低低:几十几十 几百几百 KCMR高高:70dB130dB集成运放的符号：集成运放的符号：uo+Auou+u。+UCCUEE 第1页/共6

2、5页+UCCUEEu uo ouu+9.1.2 9.1.2 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相输入端输出端反相输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放信号，都采用带恒流源的差放。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。大电路构成。输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。第2页/

3、共65页9.1.3 集成运算放大器的主要参数1.最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好3.输入失调电压 UIO4.输入失调电流 IIO5.输入偏置电流 IIB第3页/共65页9.1.4 9.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo ，rid ，ro 0，KCMR 2.电

4、压传输特性电压传输特性 uo=f(ui)线性区：线性区：uo=Auo(u+u)非线性区：u+u 时，uo=+Uo(sat)u+u 时，uo=+Uo(sat)u+0 ui=Ui 0时，时，|T(j)|衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶

5、有源低通滤波器。uoRFCR+R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性 0|Auf0|T(j)|O第31页/共65页2.2.有源高通滤波器有源高通滤波器uiuoRFCR+R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有故：故：第32页/共65页 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。若频率若频率 为变量，则为变量，则电路的传递函数电路的传递函数其模为其模为 幅频特性幅频特性 0|Auf0|T(j)|O第33页/共65页模拟开关模拟输入信号1.1.电路9.3.2 9

6、.3.2 采样保持电路采样保持电路采样保持电路采样保持电路 SuC+ui+uo+采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模-数转换电路（数转换电路（A/D）之之前前。由于。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。用于数字电路、用于数字电路、计算机控制及程序计算机控制及程序控制等装置中。控制等装置中。采样存储电容控制信号电压跟随器第34页/共65页2.2.工作原理工作原理9.3.2 9.3.2

7、 采样保持电路采样保持电路采样保持电路采样保持电路1.1.电路电路采样阶段采样阶段：uG为高电平，S 闭合(场效应管导通)，ui对存储电容C充电，uo=uC=ui。保持阶段保持阶段：uG为 0，S 断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+ui+uo+第35页/共65页9.3.39.3.3 电压比较器电压比较器电压比较器的功能：电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电

8、平。由此来判断输入信号的 大小和极性。用途：用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。运放工作在开环状态或引入正反馈。第36页/共65页理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：1.1.输出只有两种可能输出只有两种可能 +U Uo o (sat)(sat)或或 U Uo o(sat)(sat)当当 u u+u u 时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uuu 时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uu 时，时，u uo o=U Uo o (sat

9、)(sat)即即 u ui iUUUR R 时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)可见，在 ui=UR 处输出电压 uo 发生跃变。参考电压动画第38页/共65页uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2单限电压比较器：单限电压比较器：当 ui 单方向变化时，uo 只变化一次。URuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第39页/共65页ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat)URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+U Uo o(sat)(s

10、at)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第40页/共65页URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+Ot+Uo(sat)Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2第41页/共65页输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导

11、通压降忽略稳压管的正向导通压降则则 u ui i U UR R，u uo o=U UZ ZUZ UZuoRDZURuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURu ui iUUUR R 时，时，u uo o =U Uo o (sat)(sat)第42页/共65页过零电压比较器过零电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波URuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)u ui iu uo oO OU UR R=0=0tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(

12、sat)O O第43页/共65页2.2.滞回比较器滞回比较器上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压RF当当 uo=+Uo(sat)，则则 当当 uo=Uo(sat)，则则门限电压受输出电压的控制R2uoui+R1+第44页/共65页上门限电压上门限电压 UU+：u ui i 逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压下门限电压下门限电压UU+：u ui i 逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器RFR2uoui+R1+第45页/共65页定义：定义：

13、回差电压回差电压 与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：1.1.改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。2.2.回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，U U越大，抗干扰越大，抗干扰 能力越强。能力越强。结论：结论：1.1.调节调节R RF F 或或R R2 2 可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。2.2.改变改变U UR R可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，但不影回差但不影回差 电压电压 U U。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应

14、用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。第47页/共65页解：解：对图（对图（1 1）上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压例：例：电路如图所示，电路如图所示，U Uo o(sat)(sat)=6V=6V，U UR R =5V=5V，R RF F =20k=20k ，R R2 2=1=10k0k ，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）第48页/共65页解：解：对图（对图（2 2）例：例：电路如图所示，电路如图所示，U Uo o(s

15、at)(sat)=6V=6V，U UR R =5V=5V，R RF F =20k=20k ，R R2 2=1=10k0k ，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）第49页/共65页（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）u ui iu uo oO O-6 6-2-22 26 6 图图(1)(1)的电压传输特性的电压

16、传输特性图图(2)(2)的电压传输特性的电压传输特性u uo ou ui iO O -6 66 61.331.335.335.33第50页/共65页9.4 运算放大器组成的波形产生电路运算放大器组成的波形产生电路波形发生器的作用：波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。三角波、锯齿波等）。特点：特点：不用外接输入信号，即有输出信号。不用外接输入信号，即有输出信号。第51页/共65页9.4.1 9.4.1 矩形波发生器矩形波发生器1.1.电路结构电路结构 由滞回比较器、由滞回比较器、RCRC充放电电路组成，充放电电

17、路组成，电容电压电容电压u uC C 即是比较器即是比较器的输入电压，的输入电压，2.2.工作原理工作原理设电源接通时，设电源接通时，u uo o =+=+U Uo o(sat)(sat)，u uC C(0)=0(0)=0。电阻电阻R R2 2两端的电压两端的电压U UR R即是比较器即是比较器的参考电压。的参考电压。u uo o 通过通过 R RF F 对电容对电容C C充电，充电，u uC C 按指数规律增长。按指数规律增长。R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+充电充电U UR R+第52页/共65页当当 u uo o =+=+U Uo o(sat)(sa

18、t)时，时，电容电容充电，充电，u uC C上升，上升，电容放电，电容放电，u uC C下降，下降，当当u uC C=U=UR R 时，时，u uo o 跳变成跳变成 U Uo o(sat)(sat)当当 u uC C=U=UR R 时，时，u uo o 跳变成跳变成 +U Uo o(sat)(sat)，电容又重新充电。，电容又重新充电。放电放电2.2.工作原理工作原理R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+充电充电U UR R+R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+U UR R+动画第53页/共65页3.3.工作波形工作波形充电充

19、电放电放电uouCt t1 1t t3 3t t2 2T=TT=T1 1+T+T2 2电容充放电过程，电容充放电过程，u uC C 的响应规律为的响应规律为4.4.周期与频率周期与频率T T1 1T T2 2T T U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)第54页/共65页在充电过程中在充电过程中在放电过程中在放电过程中矩形波的周期矩形波的周期矩形波的频率矩形波的频率充放电时间常数相同：充放电时间常数相同：=RC 矩形波常用于数字电路中作为信号源矩形波常用于数字电路中作为信号源第55页/共65页 A A1 1：滞回比较器：滞回比较器 因因因因 u u =0 =0，所以

20、当所以当所以当所以当 u u+=0 =0 时时，A A1 1状态改变状态改变9.4.3 9.4.3 三角波发生器三角波发生器1.1.电路结构电路结构A A2 2：反相积分电路：反相积分电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1第56页/共65页2.2.工作原理工作原理A1：滞回比较器 因因 u-=0，所以当，所以当 u+=0时，A1状态改变输出输出 u uo1o1 改变改变(+(+(+(+U UZ Z 跃变到跃变到 U UZ Z 或或 U UZ Z 跃变到跃变到 +U UZ Z)，当同时积

21、分电路的输入、输出电压也随之改变。同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R1动画第57页/共65页TT1T23.3.工作波形工作波形4.4.周期与频率周期与频率T=T1+T2=2T1=2T2uo1 UZ UZtOuo (1)改变比较器的输出 uo1、电阻R1、R2 即可改变三角波的幅值。(2)改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。动画第58页/共65页9.4.3 9.4.3 锯齿波发生器锯齿波发生器1.1.电路电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1

22、1R R1 1三角波发生器三角波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R 4 4D D在三角波发在三角波发生器的电路生器的电路中，使积分中，使积分电路的正、电路的正、反向积分的反向积分的时间常数不时间常数不同，即可使同，即可使其其 输出锯齿输出锯齿波。波。第59页/共65页2.2.波形波形9.4.3 9.4.3 锯齿波发生器锯齿波发生器锯齿波发生器锯齿波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R

23、R1 1u uo1o1R R4 4 D D1.1.电路电路t tU UZ ZUUZ Zu uo ou uo1o1Ou uo o动画第60页/共65页9.4 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题1.1.选用元件选用元件根据实际要求来选用运算放大器根据实际要求来选用运算放大器,主要是根据使用条件主要是根据使用条件及运放的参数进行选择及运放的参数进行选择.2.2.消振消振这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响生参数的影响,使电路产生自激振荡使电路产生自激振荡,即外加消振的方法即外加消振的方法.3.3.调零调

24、零由于运放内部参数不可能完全对称由于运放内部参数不可能完全对称,输入信号为零输入信号为零,输出输出可能不为零可能不为零,为此为此,在使用时必须调零在使用时必须调零.第61页/共65页电源保护电源保护防止电源接反，防止电源接反，串二极管保护。串二极管保护。输入保护输入保护为防止差模或共模信号过大，损坏输为防止差模或共模信号过大，损坏输入级或引起自锁，采用二极管限幅。入级或引起自锁，采用二极管限幅。限制差模信号限制差模信号限制共模信号限制共模信号3.调零第62页/共65页输出保护输出保护为防止输出端触及外不高电压引起过流或击穿，可为防止输出端触及外不高电压引起过流或击穿，可采用稳压管限幅。采用稳压管限幅。uS8R1RPRfuODZuS8R1RPRfuODZUOM=(UZ+UD)第63页/共65页4.扩大输出电流 当负载需要较大的电流来驱动时，可在输出端加驱动电路。第64页/共65页感谢您的观看！第65页/共65页