电子技术第16章ppt课件

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第,16,章 集成运算放大器,16.1,集成运算放大器的简单介绍,16.2,运算放大器在信号运算方面的应用,16.4,运算放大器在波形产生方面的应用,16.5,运算放大器在信号测量方面的应用,16.3,运算放大器在信号处理方面的应用,第16章 集成运算放大器16.1 集成运算放大器的简单介,1.,了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。,2.,理解运算放大器的电压传输特性，理解理想,运算放大器并掌握其基本分析方法。,3.,理解用集成运放组成的比例、加减、等运算电 路的工作原理，,本章要求,第,16,章 集成运算放大器,1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。本章要求第16,16.1,集成运算放大器的简单介绍,16.1.1 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。,集成电路分类,模拟集成电路,数字集成电路,集成运算放大器、集成,功率放大器、集成稳压电源、集成A/D,D/A等。,在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大于200pF的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采,（1）级间采用直接耦合方式,16.1 集成运算放大器的简单介绍16.1.1 集成运算放,16.1.1 集成运算放大器的特点,用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。,（2）电路结构和参数具有对称性,集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为100,30K，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻；,必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。,由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好,（3）用有源器件代替无源器件,16.1.1 集成运算放大器的特点用直接耦合，必须使用电容,16.1.2 电路的简单说明,中间级,输入级,输出级,偏置电路,一、电路的基本组成及作用,输入级：,要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。都采用差分放大电路。,中间级：,要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。,16.1.2 电路的简单说明中间级输入级输出级偏置电路一、,输出级：,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。,+,U,CC,U,EE,u,o,u,u,+,输入级,中间级,输出级,同相,输入端,输出端,反相,输入端,偏置电路：,为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。,输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由,16.1.3 主要参数,1. 最大输出电压,U,OPP,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,A,u,o,运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。,A,u,o,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,U,ICM,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,3. 输入失调电压,U,IO,4. 输入失调电流,I,IO,5. 输入偏置电流,I,IB,16.1.3 主要参数1. 最大输出电压 UOPP2.,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,1. 理想运算放大器,A,u,o, ，,r,id, ，,r,o, 0 ，,K,CMR, ,2. 电压传输特性,u,o,=,f,(,u,i,),线性区：,u,o,=,A,u,o,(,u,+,u,),非线性区：,u,+, u,时，,u,o,=,+,U,o(sat),u,+, u,时，,u,o,=,+,U,o(sat),u,+,1，称为,深度负反馈,，此时：,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,2.提高放大倍数的稳定性引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。放,例,：,A,=300，,F,=0.01,。,例：A=300，F=0.01。,1.线性应用,电路结构上存在从输出端到输入端的负反馈支路输入信号幅度足够小，以保证集成运算放大器的输出处于最大输出电压的范围内。,集成运算放大器的应用,2.非线性应用,电路结构上，集成运算放大器处于开环（无反馈）或存在从输出端到输入端的正反馈支路，输出总是处于饱和状态，即输出在正、负最大值之间变化。,集成运算放大器电路分析的方法,首先判断应用类型，然后利用理想运算放大器的特征对电路进行分析。,1.线性应用 电路结构上存在从输出端到输入端,16.2,运算放大器在信号运算方面的运用,集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。,运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。,16.2 运算放大器在信号运算方面的运用 集成运算放,16.2.1 比例运算,1,.,反相比例运算,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,因,虚短,所以,u,=,u,+,= 0，,因,虚断，,i,+,= i,= 0,，,i,f,i,1,i,i,+,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,所以,i,1,i,f,因要求静态时,u,+,、,u,对地电阻相同，,所以,平衡电阻,R,2,=,R,1,/,R,F,16.2.1 比例运算1. 反相比例运算（1）电路组,结论：,A,u,f,为负值，即,u,o,与,u,i,极性相反。,因为,u,i,加,在反相输入端。,A,u,f,只与外部电阻,R,1,、R,F,有关，与运放本,身参数无关。, |,A,u,f,| 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。,因,u,= u,+,= 0 ，,所以,反相输入端“虚地”。,结论： Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反,例：,电路如下图所示，已知,R,1,= 10 k,，,R,F,= 50 k, 。,求：1.,A,u,f,、R,2,；,2. 若,R,1,不变，要求,A,u,f,为,10，则,R,F,、,R,2,应为 多少？,解：,1.,A,u,f,=,R,F,R,1,= 50,10 = 5,R,2,=,R,1,R,F,=10 50,(,10+50),= 8.3,k,2.,因,A,uf,=,R,F,/,R,1,=,R,F,10,=,10,故得,R,F,=,A,u,f,R,1,= (,10),10 =100,k,R,2,= 10 100,(,10 +100) = 9. 1,k,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,例：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 5,2. 同相比例运算,因,虚断，,所以,u,+,=,u,i,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,因,虚短，,所以,u,=,u,i,，,反相输入端不“虚地”,因要求静态时,u,+,、,u,对地电阻相同，,所以,平衡电阻,R,2,=,R,1,/,R,F,u,+,u,2. 同相比例运算因虚断，所以u+ = ui （1）电路组,结论：,A,u,f,为正值，即,u,o,与,u,i,极性相同。,因为,u,i,加,在同相输入端。,A,u,f,只与外部电阻 R,1,、R,F,有关，与运放本,身参数无关。, A,u,f, 1 ，不能小于 1 。,u,= u,+, 0 ，反相输入端不存在“虚地”现象。,结论： Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相,当,R,1,=,且,R,F,=,0 时，,u,o,= u,i,，,A,u,f,= 1，,称电压跟随器。,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,由运放构成的电压跟,随器,输入电阻高、输出,电阻低，,其跟随性能比,射极输出器更好。,u,o,u,i,+,+,+,+,左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载,R,L,变化时，其两端电压,u,o,不会随之变化。,u,o,+,+,+,15k,R,L,15k,+15V,7.5k,例：,当 R1= 且 RF = 0 时，uo = ui ，,16.2.2 加法运算电路,1. 反相加法运算电路,因,虚短,u,= u,+,=,0,平衡电阻：,R,2,= R,i1,/ R,i2,/ R,F,i,i2,i,i1,i,f,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,i2,R,i1,+,+,R,2,+,因,虚断,，,i,= 0,所以,i,i1,+ i,i2,=,i,f,16.2.2 加法运算电路 1. 反相加法运算电路因,16.2.3 减法运算电路,由虚断可得：,由虚短可得：,分析方法1：,u,i2,u,o,R,F,u,i1,R,3,R,2,+,+,R,1,+,+,+,如果取,R,1,= R,2,，,R,3,= R,F,如,R,1,= R,2,=,R,3,= R,F,R,2,/ R,3,= R,1,/ R,F,输出与两个输入信号的差值成正比。,常用做测量,放大电路,16.2.3 减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方,理想运放工作在饱和区的特点：,1. 输出只有两种可能 +,U,o,(sat),或,U,o,(sat),当,u,+, u,时，,u,o,= +,U,o,(sat),u,+,u,时，,u,o,= +,U,o,(sat),u,+,u,时，,u,o,=,U,o,(sat),即,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,o,(sat),可见，在,u,i,=,U,R,处输出电压,u,o,发生跃变。,参考电压,电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)运放处于开环,u,i,t,O,U,R,O,u,o,t,+,U,o,(sat),U,o,(sat),t,1,t,2,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,电压传输特性,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat,u,i,U,R,，,u,o,=+ U,o,(sat),u,i,UR，uo=+ Uo (sat)URuouiR2+,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,u,i,u,o,U,R,R,2,+,+,R,1,+,+,+,O,t,+,U,o,(sat),U,o,(sat),u,o,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,u,i,t,O,U,R,O,u,o,t,+,U,o,(sat),U,o,(sat),t,1,t,2,URuouiR2+R1+uiuoURR2+,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为,U,Z,，,双向稳压管将输出电压限制在,U,Z,U,Z,忽略稳压管的正向导通压降,则,u,i,U,R,，,u,o,= ,U,Z,U,Z,U,Z,u,o,R,D,Z,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,电压传输特性,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,o,(sat),输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，UZ UZ,过零电压比较器,利用电压比较器,将正弦波变为方波,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,电压传输特性,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,= 0,t,u,i,O,t,u,o,+,U,o,(sat),U,o,(sat),O,过零电压比较器利用电压比较器URuouiR2+R1+,2. 滞回比较器,上门限电压,下门限电压,电路中引入正反馈,(1) 提高了比较器的响应速度；,(2) 输出电压的跃变不是发生,在同一门限电压上。,R,F,当,u,o,= + U,o,(sat),， 则,当,u,o,= U,o,(sat),， 则,门限电压受输,出电压的控制,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,2. 滞回比较器上门限电压下门限电压 电路中引入正,上门限电压,U,+,：,u,i,逐渐增加时的门限电压,下门限电压,U,+,：,u,i,逐渐减小时的门限电压,u,i,u,o,O,U,o,(sat),+,U,o,(sat),电压传输特性,u,i,t,O,u,o,O,t,+,U,o,(sat),U,o,(sat),两次跳变之间具有迟,滞特性,滞回比较器,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,上门限电压 U+ ：下门限电压U+：uiuoO Uo(,根据叠加原理，有,改变参考电压,U,R,，可使传输特性沿横轴移动,。,可见：,传输特性不再对称于纵轴，,+,U,R,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,u,i,u,o,O,U,o,(sat),+,U,o,(sat),电压传输特性,当参考电压,U,R,不等于零时,根据叠加原理，有改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可,定义：,回差电压,与过零比较器相比具有以下优点：,1. 改善了输出波形在跃变时的陡度。,2. 回差提高了电路的抗干扰能力，,U,越大，抗干扰,能力越强。,结论：,1. 调节,R,F,或,R,2,可以改变回差电压的大小。,2. 改变,U,R,可以改变上、下门限电压， 但不影回差,电压,U,。,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用。,定义：回差电压 与过零比较器相比具有以下优点：结论：,解：,对图（1）,上门限电压,下门限电压,例：,电路如图所示，,U,o,(sat),=6V，,U,R,= 5V，,R,F,= 20k,，,R,2,=1,0k,，求上、下门限电压。,（1）,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,+,U,R,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,（2）,解：对图（1） 下门限电,解：,对图（2）,例：,电路如图所示，,U,o,(sat),=6V，,U,R,= 5V，,R,F,= 20k,，,R,2,=1,0k,，求上、下门限电压。,（1）,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,+,U,R,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,（2）,解：对图（2） 例：电路,（1）,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,+,U,R,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,（2）,u,i,u,o,O,-,6,-2,2,6,图(1)的电压传输特性,图(2)的电压传输特性,u,o,u,i,O,-,6,6,1.33,5.33,（1）RFR2uoui+R1+URRFR2,