第七章集成运算放大器及其应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 集成运算放大器及其应用,7.1,集成运算放大器的简介,7.2,放大电路中的负反馈,7.3,集成运放的线性应用,7.4,集成运放的非线性应用,7.1,集成运放简介,一,.,集成运放的总体结构,二,.,简单的集成运放,原理电路：,u,-,u,+,u,o,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,反相输入端,同相输入端,输出端,三,.,集成运算放大器各部分的作用,原理电路：,A,B,1.,偏置电路：,偏置电路用于提供各级放大电路直流偏置，,通常采用恒流源电路以起到稳定各级静态工作点和抑制温漂的作用。,2.,输入级：,输入级采用差动放大电路,她具有温漂小和输入电阻较高的特点，用于放大微弱的输入信号。,3.,中间级：,中间级在尽量提高通频带的情况下，实现较高的电压增益。,输出级一般为射极输出器。,用来提高集成运放的输出电流和功率，它具有输出电阻小、带负载能力强的特点。,4.,输出级：,1.,输入失调电,U,IO,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,四、 集成运算放大器的主要参数,2.,输入失调电流,I,IO,：,在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.,开环差模电压放大倍数,A,o,d,：,无反馈时的差模电压增益。,一般,A,od,在,10,4,10,7,左右。,4.,差模输入电阻,r,id,：,输入差模信号时运放的输入电阻。,数值越大，对信号源的影响越小。,5.,差模输出电阻,r,od,：,输入差模信号时运放的输出电阻。,数值越小，说明运放的带负载能力越大。,6.,共模抑制比,K,CMR,：,K,CMR,=20lg(,A,v,d,/,A,v,c,),(dB),其典型值在,80dB,以上，性能好的高达,160dB,。,7.,开环,带宽,f,H,：,运放的开环电压放大倍数在高频段下降,3dB,所定义的带宽,f,H,。,9.,转换速率,S,R,(,压摆率,),：,反映运放在大信号情况下对快速变化信号的反应能力。,S,R,越大，说明运放的高频特性越好，它通常在,1.580V/,s,。转换速率,S,R,的表达式为,8.,最大输出电压,U,opp,：,运放的开环电压放大倍数在高频段下降,3dB,所定义的带宽,f,H,。,五、理想集成运算放大器,理想运放的主要性能参数,:,开环差模电压放大倍数,共模抑制比,差模输入电阻,输出电阻,为了计算方便，常常把集成运放理想化，即认可所有越大越好的性能指标均假设为无穷大，所有越小越好的性能均假设为零。,运放在,线性工作,时的特点：,当集成运放,连接成闭环负反馈状态时，,集成运放工作在线性区，,其特点是：,（,1,）,同相输入端和反相输入端,“,虚短,”，,即,（,2,）同相输入端和反相输入端,“,虚断,”,，即,“虚短”和“虚断”是集成运放工作在线性区的两个重要的特点，是分析运放电路的基础。,运放在,非,线性工作,时的特点：,当集成运放处于开环或正反馈状态时，集成运放工作在非线性区。此时集成运放的输出只有两种状态，高电平 和低电平 状态。,在非线性区，集成运放,满足,:,当 时，,当 时，,从一个例子说起,输入量：,u,i,、,u,be,、,i,b,反馈,将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。,7.2.1,反馈的基本概念,输出量：,u,o,、,u,ce,、,i,c,正向传输,信号从输入端到输出端的传输,T,U,BE,I,C,I,C,U,E,I,B,稳定工作点电路：,U,B,一定,基本放大电路,A,反馈网络,F,放大,：,迭加：,1.,方框图：,A,称为开环放大倍数,+,反馈,：,A,F,称为闭环放大倍数,A,F,=X,o,/ X,i,输出信号,输入信号,反馈信号,净输入信号,F,称为反馈系数,设,X,f,与,X,i,同相,一,.,负反馈放大电路的方框图,负反馈放大器,2.,负反馈放大器的一般关系,闭环放大倍数：,放大,：,反馈,：,迭加：,A,F,=X,o,/ X,i,=X,o,/ (,X,d,+,X,f,)= X,o,/ ( +,X,o,F,),=,X,o,A,1,1,A,+F,=,A,1+AF,3.,关于反馈深度的讨论,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,二,.,几个,基本概念,1.,开环与闭环,电路中只有正向传输，没有反向传输，称为,开环状态。,正向传输,信号从输入端到输出端的传输,反向传输,信号从输出端到输入端的传输,既有正向传输，又有反馈 称为,闭环状态,。,信号的正向传输,信号的正向传输,反馈传输,(,通路,),（反馈网络）,直流反馈,若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。,2.,直流反馈与交流反馈,该电路引入直流反馈的目的,，,是为了稳定静态工作点,Q,。,交流反馈,若电路将交流量反馈到输入回路，则称交流反馈。,（如去掉电容,C,e,）,交流反馈，影响电路的交流工作性能,。,直流反馈,交流反馈,i,c,解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。,例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。,交、直流反馈,交流反馈,注意电容的“隔直通交”作用！,例：基本放大器，无反馈，净输入量,u,be,=,u,i,，,电压放大倍数为：,3.,负反馈与正反馈,负反馈,输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，放大倍数减小。,引入反馈后，净输入量,u,be,=,u,i,-,u,f,，,电压放大倍数为：,可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。,正反馈,输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，放大倍数增加。,7.2.2,负反馈放大器的四种类型,负反馈类型,有四种组态,:,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,一,.,电压串联负反馈,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为,电压串联负反馈,从输入端看，有：,u,d,=,u,i,-,u,f,故为串联负反馈。,用,“,瞬时极性法,”,判断反馈极性：,假设某一瞬时，在放大电路的输入端加入一个正极性的输入信号，按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。,反馈电压：,因为反馈量与输出电压成比例，所以称电压反馈。,二,.,电压并联负反馈,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为,电压串联负反馈。,i,d,=,i,i,-,i,f,从输入端看有：,因为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。,反馈电流：,故为并联负反馈。,三,.,电流并联负反馈,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为,电流并联负反馈。,又因为,在输入端有,:,i,d,=,i,i,-,i,f,反馈电流：,因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。,故为并联负反馈。,四,.,电流串联负反馈,反馈电压：,u,f,=,i,o,R,f,根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为,电流串联负反馈,u,d,=,u,i,-,u,f,又因为,在输入端有,因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。,故为串联负反馈。,五,.,反馈类型及判别方法总结,1.,直流反馈与交流反馈,注意电容的“隔直通交”作用,例题,1:,试判断下图电路中有哪些反馈支路，各是直流反馈还是交流反馈？,2.,反馈极性：正反馈与负反馈,判定方法,“,瞬时极性法”,例题,2:,试判断下列电路中反馈支路的反馈极性。,对于串联反馈：,输入量与反馈量作用在不同的两点上，若输入量与反馈量的瞬时极性相同为负反馈，瞬时极性相反为正反馈。,对于并联反馈：,输入量与反馈量作用在同一点上，若反馈元件两端瞬时极性相反为负反馈，瞬时极性相同为正反馈。,3.,取样方式,电压反馈与电流反馈,假设输出端交流短路（,R,L,=0,），即,u,o,=0,，,若反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。,电压反馈：,反馈信号的大小与输出电压成比 例。,判断方法,输出短路法：,电流反馈：,反馈信号的大小与输出电流成比 例。,例题,3:,试判断下列电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈。,电流反馈 电压反馈,4.,比较方式,串联反馈和并联反馈,串联反馈：,反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极。有：,u,d,=,u,i,-,u,f,并联反馈：,反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极。有：,i,d,=,i,i,-,i,f,此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。,此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。,对于三极管电路：,若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极，则为并联反馈。,若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。,对于运放电路：,若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端为并联反馈。,若反馈信号与输入信号一个加在同相端一个加在反相端则为串联反馈。,7.2.3,负反馈对放大电路性能的影响,提高放大倍数的稳定性,改善了波形失真,展宽了通频带,改变输入电阻和输出电阻,在放大器中引入负反馈,降低了放大倍数,使,放大器的性能得以改善：,一,.,提高放大倍数的稳定性,闭环时,则,只考虑幅值有,即闭环增益相对变化量比开环减小了,1+,AF,倍,另一方面,:,在深度负反馈条件下,即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。,2.,改善放大器的非线性失真,A,u,i,u,f,u,i,u,o,u,d,加反馈前,加反馈后,A,F,+,失真,改善,u,o,u,o,3.,扩展放大器的通频带,放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。,无反馈时放大器的通频带：,f,bw,=,f,H,f,L,f,H,有反馈时放大器的通频带：,f,bwf,=,f,Hf,f,Lf,f,Hf,可以证明：,f,bwf,= (1+,AF,),f,bw,放大器的一个重要特性：,增益与通频带之积为常数。,即：,A,mf,f,bwf,=,A,m,f,bw,0,20lg|A|（dB）,F,（Hz）,A,m,f,L,f,H,f,Lf,f,Hf,A,mf,4.,负反馈对输入电阻的影响,(1),串联负反馈使输入电阻增加,无,反馈时：,有,反馈时：,(2),并联负反馈使输入电阻减小,无,反馈时：,有,反馈时：,5.,负反馈对输出电阻的影响,电压负反馈稳定输出电压（当负载变化时）恒压源输出电阻小。,(1),电压负反馈使输出电阻减小,电流负反馈稳定输出电流（当负载变化时）恒流源输出电阻大。,(2),电流负反馈使输出电阻提高,为改善性能引入负反馈的一般原则,要稳定直流量,引直流负反馈,要稳定交流量,引交流负反馈,要稳定输出电压,引电压负反馈,要稳定输出电流,引电流负反馈,要增大输入电阻,引串联负反馈,要减小输入电阻,引并联负反馈,7.3.1,比例运算电路,一,.,反相比例运算,虚地点,i,1,=,i,f,（,虚断）,因为有负反馈，,利用虚短和虚断,u,+,=0,u,=,u,+,=0,（,虚地）,反馈方式：,电压并联负反馈,电压放大倍数,:,例题,1.,R,1,=10k,R,f,=20k, ,u,i,=-1V,。,求,:,u,o,、,R,i,。,说明,R,0,的作用，,R,0,应为多大？,特点：,共模输入电压,=0,（,u,=,u,+,=0,）,缺点：,输入电阻小（,R,i,=,R,1,）,R,0,为平衡电阻,(,使输入端对地的静态电阻相等,):,R,0,=,R,1,/,R,f,二,.,同相比例运算电路,u,-,=,u,+,=,u,i,i,1,=,i,f,（,虚断）,平衡电阻,R=R,f,/R,1,因为有负反馈，,利用虚短和虚断,反馈方式：,电压串联负反馈,特点：,输入电阻高,缺点：,共模输入电压,0,（,u,=,u,+,=,u,i,）,电压放大倍数,:,反相加法器,：,若,R,1,=,R,2,=,R,平衡电阻,R,0,=,R,1,/,R,2,/,R,f,i,1,+,i,2,=,i,f,7.3.2,基本运算电路,一,.,加法运算电路,虚地,叠加原理,1,、差动减法器,u,i1,作用,二,.,减法运算电路,则,有：,u,i2,作用,2,、利用加法器和反相比例器,1.,积分电路,三,.,积分和微分电路,练习,:,画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,t,u,i,0,2,1,2,3,4,5,t,u,o,0,-2,-4,-6,应用举例：,输入方波，输出是三角波。,t,u,i,0,t,u,o,0,2.,微分电路：,u,-,=,u,+,= 0,7.3.1,集成运放的非线性应用,电压比较器是常用的信号处理电路，它可以对两个输入电压的相对大小进行比较，比较的结果用输出电压的两个电平来区分。,过零比较器,电压比较器,方波发生器,运放作为一个比较器存在，被双向稳压二极管限幅至 ，,RC,为充放电电路。,