章集成运算放大器页PPT学习教案

会计学1第二部分 电子技术基础第1页/共63页第3章 集成运算放大电路3.3 3.4 3.5 运算放大电路的反馈分析3.6 运算放大器的应用电路举例3.7 集成运放构成的信号发生器第2页/共63页 第3页/共63页将多级放大电路级与级之间直接，相连 可以放大缓慢变化的信号或直流信号。1、前、后级静态工作点相互影响2、零点漂移图2.3.1 第4页/共63页uotO输入电压信号ui为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。环境温度变化、电源电压波动、电路元件参数变化。1、全面考虑静态工作点的合理配置；2、采用差分放大电路第5页/共63页图2.3.3 结构对称，两管的特性及元件的参数值完全一样。双电源，两个输入和两个输出。两管静态工作点相同，互不影响。多种输入输出方式：单入、双入、单出、双出。第6页/共63页3.2.11、依靠电路的对称性ui1=ui2 =0T IC1 VC1 IB1 IC2 VC2 IB2 uO=uC1uC2 =0 IC1=IC2；VC1=VC2 2、依靠RE的负反馈作用图2.3.3 0u第7页/共63页3.2.2利用对称性采用单边直流通路图2.3.3 BCII EEECCCCCE2ERIRIUU C2C1B1B1IIII ；设设基极回路方程EEEBEBB2ERIURI EBBEEEBB1RRUEERI 时时，则则：BEBBEE2URIRI 当当 CCCCCEE201RIUUV ；第8页/共63页3.2.3 1、输入信号之间的关系()()dCi2dCi1i2i1Ci2i1d-=+=+21=21=uuuuuuuuuuuu；-例：ui1=9 mV,ui2=5 mV 差模分量：ud=2mV共模分量：uC=7 mV第9页/共63页3.2.3 2、差模输入动态分析利用对称性，采用单管差模微变等效电路分析。图2.3.3 2LR -beBLi1O1d1+=Ar rRRuu 2=LCLRRR 第10页/共63页3.2.3 2、差模输入动态分析2LRidi2i121=uuuu-2/=LCLRRRO1O2O1OO1O22=uuuuuu -COfO2=2=Rrr ()beBid+2=rRr -beBLd1i1O1iOd+=A=22=Ar rRRuuuu 第11页/共63页3.2.3 3、共模输入动态分析()EbeBLi1O1C2C1+1+=A=A2RRRuu r r -beBLd1d+=A=Ar rRR()EbeBLC1+1+=A2RRR r r差模信号，抑制共模信号。一是利用对称性；二是利用强共模负反馈。第12页/共63页3.2.3 4、共模抑制比CdCMRR=AAK dBlg20dBcdCMRAAK 差模放大倍数共模抑制比共模抑制比工程上，常用分贝表示共模抑制比第13页/共63页3.2.4 双端输入、双端输出（双双）双端输入、单端输出（双单）单端输入、双端输出（单双）单端输入、单端输出（单单）第14页/共63页3.2.4 beBCd1d+21=A21=ArRR beBLd1d+21=A21=ArRR()beBid+2=rRr CO=Rr LCL/=RRR不接RL：接RL：第15页/共63页 集成运算放大器是具有高放大倍数带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应用最广泛的模拟集成电路。Auo 高:80dB140dBrid 高:105 1011ro 低:几十 几百KCMR高:70dB130dBuo+Auou+u。第16页/共63页 （1）（1 （1）（2）（3）（4）第17页/共63页 集成运放是具有高增益、高输入电阻、低输出电阻、低零漂，并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路，其基本放大电路由四部分组成。图2.3.6 采用差放、零漂小、输入电阻高使各级有合适的工作点放大输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路组成第18页/共63页第19页/共63页开环电压放大倍数 AO差模输入电阻 ri开环输出电阻 rO共模抑制比 KCMRR;0;图2.3.7 理想同相输入端输出端反相输入端信号传输方向提示：外管脚排列图及电源范围需查阅有关手册。第20页/共63页ui略大于0 正饱和区输入输出关系曲线uO=f（ui）uo=A0ui=A0（u+u）-uuuiui略小于0 负饱和区 要使运放工作在线性区，常引入深度负反馈。图2.3.8 集成第21页/共63页ui 0i-i+0u-u+=i-i+i ii iruii=+-ir00Auiuuu 0A0 iu第22页/共63页（1）最大输出电压UOPP（2）开环差模电压增益 Auo（3）输入失调电压 UiO（4）输入失调电流 IiO（5）输入偏置电流IiB（6）最大共模输入电压UiCM第23页/共63页3.4.1 图2.3.9 反相比例电路分析：R1反相输入电阻Rf反馈电阻R2平衡电阻R2=R1/RfRf引入电压并联负反馈运放工作在线性区第24页/共63页3.4.1 电路分析：根据线性区的分析依据：“虚断”i i-0+i+ii得 i=if+i-if“虚短”u-u =0所以F1i-=-RuuRuuF1i=RuRu1FiOuf=ARRuu即闭环电压放大倍数取R1=RFiOiOuf=1=Auuuu反相器第25页/共63页3.4.1【例3.4.1】在图2.3.9中，设R1=10k,RF=50k，求Auf，如果ui=0.5V,uO=?【解】5=1050=A1FiOufRRuu()V52=505=A=iufO uu第26页/共63页3.4.2 图2.3.10 同相比例电路分析：Rf反馈电阻R2平衡电阻R2=R1/Rf反相端R1经接地Rf引入电压串联负反馈，运放工作在线性区。第27页/共63页3.4.2 电路分析：根据线性区的分析依据：“虚断”i i-0得 i=if+i-if“虚短”u-u+=ui所以F1-=-RuuRu0 0Fi1i=RuuRu1FiOuf+1=ARRuu即闭环电压放大倍数取R1=（断开）或RF=0iOiOuf=1=Auuuu+i+iiu-=uii1FO+1=uRRu）（第28页/共63页【例3.4.2】分析图2.3.11中输出电压与输入电压的 关系，并说明电路的作用?3.4.2【解】图2.3.11 例3.4.2题图ZiO=uuu第29页/共63页3.4.3 图2.3.12 反相加法电路分析：根据线性区的分析依据：“虚断”i i-0“虚短”u-u+=0整理得当R11=R12=R13=R1时ii=ii1+ii2+ii3）（i313Fi212Fi111FO+=uRRuRRuRRu）（i3i2i11FO+=uuuRRuR2=R11/R12/R13/RF第30页/共63页【例3.4.3】一个测量系统的输出电压和一些待测量的关系为u0=2ui1+0.5ui2+4ui3，试用集成运放构成信号处理电路，若取RF=100k，求各电阻值。3.4.2【解】RF=100kR11=50kR12=200kR13=25kRb1=16k第一级第二级R21=RF=100kRb2=50k第31页/共63页3.4.4 图2.3.14 减法1、差分输入放大电路信号由两个输入端输入1F1ii111i1-+-=-=RRRuuuRiuu332i2+=RRRuu因为 u-u+，所以i11Fi23231FO-+1=uRRuRRRRRu）（当R1=R2 和R3=RF时，则）（i1i21FO-=uuRRu当R1=RF时，则i1i2O-=uuu第32页/共63页3.4.4 2、具有高输入电阻的减法运算电路图2.3.14 高输入电阻的减法电路分析：为提高减法器的输入电阻，第一级采用同相比例运算电路，第二级为差分比例运算电路。第33页/共63页3.4.4 2、具有高输入电阻的减法运算电路电路分析：i112F211F1i212F2O112F2i212F2O+1-+1=-+1=uRRRRuRRuRRuRRu）（）（）（i111F1O1+1=uRRu）（取RF1=R12 R11=RF2时，）（）（i1i212F2O-+1=uuRRu该 电 路 的实际 输 入 电阻可 高 达 几十兆欧。第34页/共63页3.4.4 图2.3.14 减法1、差分输入放大电路信号由两个输入端输入1F1ii111i1-+-=-=RRRuuuRiuu332i2+=RRRuu因为 u-u+，所以i11Fi23231FO-+1=uRRuRRRRRu）（当R1=R2 和R3=RF时，则）（i1i21FO-=uuRRu当R1=RF时，则i1i2O-=uuu第35页/共63页RF直接与输出端相连为电压反馈，反之为电流反馈。RF与信号输入端相连为并联反馈，反之为串联反馈。RF与反相输入端相连为负反馈，反之为正反馈。确定反馈类型，了解负反馈对放大电路的影响。为改善放大电路的性能提供理论依据。第36页/共63页3.5.1 图2.3.16 串联电压负反馈RF和R1构成反馈支路RF直接与输出端相连为电压反馈。RF没有直接与信号输入端相连，故为串联反馈。RF与反相输入端相连，为负反馈。F1FOf+=RRRuuF第37页/共63页3.5.2 图2.3.17 并联电压负反馈RF和R1构成反馈支路RF直接与输出端相连为电压反馈。RF直接与信号输入端相连，故为并联反馈。同前，为负反馈。FOf1=RuiF第38页/共63页3.5.3 图2.3.18 串联电流负反馈RF构成反馈支路RF没有直接与输出端相连，为电流反馈。RF没有直接与信号输入端相连，故为串联反馈。同前，为负反馈。FOf=RiuF第39页/共63页3.5.4 图2.3.18 串联电流负反馈RF和R构成反馈支路RF没有直接与输出端相连，为电流反馈。RF直接与信号输入端相连，故为并联反馈。同前，为负反馈。FOf=RRiiF第40页/共63页3.5.5 判断多级运算放大电路反馈类型的方法基本与单级相同但在判断正、负反馈时要用瞬时极性法，具体方法见例题。【例3.5.1】判断两级运放电路的反馈类型。图2.3.20 例3.5.1题图 由反馈电阻RF构成交直流并联电压负反馈。第41页/共63页3.6.1 积分图2.3.21 反相积分运算电路输入与输出电压成积分关系电路功能：由 u-u+=0 得 i=if 1i1=Rui i=if tdiQuFFFFFC1C tdiuuFFF0C1-tduRtdiuui1F1FF0C1C1-第42页/共63页3.6.1 积分输入阶跃电压波形变换：输入矩形波图2.3.22 反相积分运算电路输出为时间的一次函数输出为三角波第43页/共63页+i+ii“虚断”i i-0+i -beBLd1i1O1iOdF1i+=A=22=A-=-r rRRuuuuRuuRuu 1FiOufF1i=A=RRuuRuRu()v52=505=A=iufO uui1Fi313Fi212Fi111FO+1+=uRRuRRuRRuRRu）（Fi1i=RuuRu i=if 1i1=Rui1iFFFFF=C1=C=RudtiQutdiF由 u-u+=0 得第44页/共63页【例3.6.1】如图2.3.23所示电路，反相比例运算与积分运算结合起来构成的比例积分调节器。试求出输出电压与输入电压的关系。图2.3.23 3.6.1题图3.6.1 积分【解】CFFOuRiuu-tdiRiufFFf0C1-i i-0得由 u-u+=0 tduRuRRuiiF11F0C1第45页/共63页图2.3.24 电压电流变换器3.6.2 电压电流变换器负载不接地的电压电流变换器 将输入电压信号变换成与之成正比的输出电流信号1i1RuiiL 由理想运放的条件得：结论：负载电阻RL上的电流iL与输入电压ui成正比。该电路对负载是一个恒流源。第46页/共63页图2.3.25 电压-电流变换器负载电阻接地的电压电流变换器：3.6.2 电压电流变换器 由理想运放的条件得：“虚断”i i-0“虚短”u-u+LLORRiuu LLRiu 输出电流为：REiL 结论：负载电流iL与输入电压E成正比。第47页/共63页图2.3.26 3.6.3 电压比较器 将输入电压信号与参考电压相比较，比较器工作在运放的非线性区 uiUR uO=+UO（Sat）uiUR uO=UO（Sat）uiUR uiUR第48页/共63页图2.3.27 3.6.3 电压比较器2、过零限幅比较器 将输入电压信号与零电平进行比较，可加双向稳压管限幅。稳压管接在输出端 稳压管接在输出和反相之间端第49页/共63页3.6.3 电压比较器（1）输出电压的跃变条件：u+=u-（2）电压传输特性：u+u-；uO 0 u+u-；uO 0输出端不接稳压管时，uO=UO（Sat）输出双相限幅时，uO=UZ（3）电压比较器的输入与输出之间为非线性关系。第50页/共63页3.6.3 电压比较器 在运放中加入正反馈，形成具有滞回特性的比较器，RF为正反馈电阻，R3 DZ与组成稳压电路，反向端电阻R1接地。图2.3.22 过零滞回比较器 设uo=-Uz I 0；I I F2iRuuRuu 整理得：FiFZ2F2iF2RuRU-RRRuRuRu 若ui减小，0Z2iFUR-uR 电路翻转，输出电压为+UZ第51页/共63页 求出翻转电平（上门限电平）：整理得：FiFZ2F2iF2RuRU-RRRuRuRu 若ui减小，0Z2iFUR-uR 电路翻转，输出电压为+UZZF2i1URRuu 第52页/共63页 设uo=Uz FiFZ2F2iF2RuRURRRuRuRu 若ui增大，0Z2iFURuR 电路翻转，输出电压为-UZ 求出翻转电平（下门限电平）：ZF2i2URRuu ZF2221URR2Ru-uU 回差电压：U 第53页/共63页3.6.4 测量放大器 实用的、高测量精度的测量放大器如图2.3.29 所示。1246uf2uf1iu1R2RRRAAuuA图2.3.29 测量放大器 第54页/共63页图2.3.30 正弦波振荡器方框图3.7.1 正弦信号发生器 在放大电路中加入正反馈及满足一定条件时，放大器无输入信号时，仍有输出信号，这种现象称为自激振荡。S合1:ud=ui 无反馈 S合2:uf=ud=ui 正反馈 OfiOUUFUU 1if FUU，电路产生自激振荡电路产生自激振荡第55页/共63页 ，2102FAn n1F 3.7.1 正弦信号发生器1F1F 到到第56页/共63页3.7.1 正弦信号发生器第57页/共63页图2.3.31 运放构成的RC桥式振荡器3.7.1 正弦信号发生器第58页/共63页3.7.1 正弦信号发生器图2.3.32 幅频特性和相频特性，时时RCff 2O F0 3 3 1F第59页/共63页3.7.1 正弦信号发生器1F1RR 1F2RR RCf 21O第60页/共63页图2.3.33 矩形波信号发生器电路3.7.2 矩形波信号发生器 电路由RC积分电路和滞后电压比较器组成，DZ 起限幅作用，R3 为限流电阻。输出波形如图：第61页/共63页3.7.2 矩形波信号发生器 设t=0时，uo=UzZ212UFuRRRu uo=Uz通过RF向电容充电CRF uC u+=FUz，uo=UzZ212UFuRRRu 电容通过RF向运放输出端放电uC下降 uC u+=FUz，uo=Uz，输出矩形波第62页/共63页