集成运算放大器应用student.ppt

第六章集成运算放大器应用及负反馈放大电路 1 掌握集成运放特性 了解集成运放组成 工作原理及使用注意事项 2 熟悉反馈基本概念 掌握反馈类型的判别方法 3 熟悉负反馈对放大电路性能的影响 会进行简单反馈电路的设计 4 掌握运放线性应用电路的分析方法 并能进行简单电路的设计 5 了解电压比较器的工作原理和应用 基本要求 主要内容 6 1集成运算放大器的简介 6 3运算放大器线性应用电路 6 5运算放大器在波形产生中的应用 自学 6 4运算放大器非线性应用电路 6 2负反馈放大电路 6 1 1集成运算放大器的组成及特点 集成运算放大器 是一种高放大倍数 高输入电阻 低输出电阻的多级直接耦合放大电路 6 1集成运算放大器简介 二 符号 同相输入端 反相输入端 6 1 2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 KCMRR 2 电压传输特性uo f ui 线性区 uo Auo u u 非线性区 u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 线性区 理想特性 实际特性 饱和区 O 三 运放的特点 返回目录 6 1 2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 3 输入失调电压UIO4 输入失调电流IIO5 输入偏置电流IIB 3 理想运放工作在线性区的特点 因为uo Auo u u 所以 1 差模输入电压约等于0即u u 称 虚短 2 输入电流约等于0即i i 0 称 虚断 电压传输特性 Auo越大 运放的线性范围越小 必须加负反馈才能使其工作于线性区 O 4 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 Uo sat 或 Uo sat 2 i i 0 仍存在 虚断 现象 电压传输特性 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 不存在 虚短 现象 例F007运算放大器的正 负电源电压为 15V 开环电压放大倍数AU0 2 105 输出最大电压 即 Uo sat 为 13V 在下图电路中分别加如下电压 求输出电压及其极性 解 只要两个输入端之间的电压绝对值超过65 V 输出电压就达到正或负的饱和值 输出电压 输出电压 输出电压 输出电压 6 2 1反馈的基本概念 反馈 将放大电路输出端的信号 电压或电流 的一部分或全部引回到输入端 将输出电流引到输入端 将输出电压引到输入端 反馈通路 反馈网络 信号反向传输的渠道 2 反馈网络 反馈通路 反馈网络 信号的正向传输 开环 无反馈通路 闭环 有反馈通路 开环放大倍数 比较环节 反馈放大电路的一般方框图 反馈系数 输出信号 输入信号 反馈信号 净输入信号 比较环节 闭环放大倍数 6 2 反馈类型 正反馈 引入反馈后 使净输入量变大了 负反馈 引入反馈后 使净输入量变小了 判别方法 瞬时极性法 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 一 正反馈与负反馈 例 净输入量 净输入量 负反馈 正反馈 反馈通路 反馈通路 级间反馈通路 净输入量 级间负反馈 交 直流分量的信号均可通过RE 所以RE引入的是交 直流反馈 如果有发射极旁路电容 RE中仅有直流分量的信号通过 这时RE引入的则是直流反馈 E 二 交流反馈 直流反馈与交直流反馈 交流反馈 存在于交流通路中的反馈 直流反馈 存在于直流通路中的反馈 seriesfeedback parallelfeedback 反馈信号在输入端 比较端 的连接分为 串联反馈 满足电压叠加关系 并联反馈 满足电流叠加关系 判别方法 三 串联反馈与并联反馈 串联反馈 并联反馈 voltagefeedback currentfeedback 从输出端 采样端 采样信号在输出端分为取电压和取电流两种方式 电流反馈 将负载短路 反馈信号仍然存在 电压反馈 将负载短路 反馈信号为零 电压反馈 稳定输出电压 电流反馈 稳定输出电流 判别方法 负载短路法 四 电压反馈与电流反馈 并联反馈电压反馈 串联反馈电流反馈 四种类型的负反馈阻态 电压串联反馈 电压并联反馈 电流串联反馈 电流并联反馈 uf削弱了净输入电压 差值电压 负反馈 1 电压串联负反馈 反馈电压 ui与uf接在不同的端 串联反馈 反馈过程 uo uf ud uo 电压负反馈具有稳定输出电压的作用 2 电压并联负反馈 if削弱了净输入电流 差值电流 负反馈 反馈电流 取自输出电压 电压反馈 反馈信号与输入信号接在相同端 并联反馈 特点 输入电阻低 输出电阻低 3 电流串联负反馈 差值电压ud ui uf uf削弱了净输入电压 差值电压 负反馈 RL短路 反馈信号仍存在 电流反馈 反馈信号与输入信号接在不同端 串联反馈 4 电流并联负反馈 差值电流id i1 if if削弱了净输入电流 差值电流 负反馈 反馈信号与输入信号接在相同端 并联反馈 RL短路 反馈信号仍存在 电流反馈 反馈类型的判别步骤 1 有无反馈是否存在把输出回路和输入回路连接起来的支路 2 交流反馈与直流反馈反馈存在于直流或交流或交直流通路中 3 正反馈与负反馈瞬时极性法 4 反馈的组态输出端 电压 电流 输入端 串联 异点 并联 同点 练习 电压串联负反馈 有反馈 正 负反馈 电压 电流反馈 串联 并联反馈 练习 电压并联负反馈 有反馈 正 负反馈 电压 电流反馈 串联 并联反馈 练习 有反馈 正 负反馈 电压 电流反馈 串联 并联反馈 电压串联负反馈 练习 电流并联负反馈 有反馈 正 负反馈 电压 电流反馈 串联 并联反馈 2 负反馈对放大电路性能的改善 反馈放大电路的基本方程 反馈系数 净输入信号 开环放大倍数 1 对放大倍数的影响 负反馈使放大倍数下降 引入负反馈使放大倍数的稳定性提高 负反馈时 xf和xd同相 所以AoF是正实数 放大倍数下降1 AoF 倍 其稳定性提高1 AoF 倍 中 则有 例 Ao 300 F 0 01 若 称为深度负反馈 此时 在深度负反馈的条件下 放大倍数只与反馈网络有关 反馈深度 后一页 前一页 返回 2 改善了波形失真 加反馈前 加反馈后 小 大 小 大 负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真 因此只能减小失真 而不能完全消除失真 3 改变了输入电阻和输出电阻 在同样的Ib下 Ui Ube Uf Ube rif提高 1 串联负反馈 无负反馈时 有负反馈时 使电路的输入电阻提高 无负反馈时 有负反馈时 在同样的Ube下 Ii Ib If Ib rif降低 后一页 前一页 返回 2 并联负反馈 使电路的输入电阻降低 电压负反馈具有稳定输出电压的作用 即有恒压输出特性 故输出电阻降低 电流负反馈具有稳定输出电流的作用 即有恒流输出特性 故输出电阻提高 3 电压负反馈使电路的输出电阻降低 4 电流负反馈使电路的输出电阻提高 4 扩展频带 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 fbw fH fL fH有反馈时放大器的通频带 fbwf fHf fLf fHf 要稳定直流量 引直流负反馈 改善交流性能 引交流负反馈 要稳定输出电压 减小输出电阻 引电压负反馈 要稳定输出电流 增加输出电阻 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 为改善性能引入负反馈的一般原则 例 为稳定输出电压 增加输入电阻 应用引入何种类型反馈 在图中连线 解 电压串联负反馈 第六章集成运算放大器 6 1集成运算放大器的简单介绍 6 3运算放大器在信号运算方面的应用 6 5运算放大器在波形产生方面的应用 自学 6 6使用运算放大器应注意的几个问题 6 4运算放大器在信号处理方面的应用 6 2放大电路中的负反馈 6 3运算放大器在信号运算方面的运用 6 3 1比例运算 6 3 2加法运算 6 3 3减法运算 6 3 4积分运算 6 3 5微分运算 6 3 1比例运算 1 反相比例运算 1 电路组成 以后如不加说明 输入 输出的另一端均为地 2 电压放大倍数 因虚短 所以u u 0 称反相输入端 虚地 反相输入的重要特点 因虚断 i i 0 所以i1 if 因要求静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 RF 3 输入电阻 输入电阻小 虚地 无共模信号输入 4 特点 问题 1运放饱和电压对电路工作有无影响 2已知运放的Vsat 10V Rf 100K R1 10K 若VI 0 1V 输出电压为多少 若VI 1 5V 输出电压 为保证不失真放大 电路的最大输入电压为多少 例 电路如下图所示 已知R1 10k RF 50k 求 1 Auf R2 2 若R1不变 要求Auf为 10 则RF R2应为多少 解 1 Auf RF R1 50 10 5 R2 R1 RF 10 50 10 50 8 3k 2 因Auf RF R1 RF 10 10故得RF Auf R1 10 10 100k R2 10 100 10 100 9 1k 2 同相比例运算 因虚断 所以u ui 1 电路组成 2 电压放大倍数 因虚短 所以u ui 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R2 R1 RF 2 同相比例运算 电压放大倍数 因虚短 所以u ui 反相输入端不 虚地 当R1 或RF 0时 uo ui Auf 1 称电压跟随器 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 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RL变化时 其两端电压uo不会随之变化 例 图中同相比例运算电路 求 需要帮忙吗 点击我会有新发现 解 此电路为同相比例运算电路 于是 返回 返回目录 负载电流的大小与负载无关 例2 负载浮地的电压 电流的转换电路 1 能测量较小的电压 2 输入电阻高 对被测电路影响小 流过电流表的电流 6 3 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 R2 Ri1 Ri2 RF 因虚断 i 0 所以ii1 ii2 if 2 同相加法运算电路 方法1 根据叠加原理ui1单独作用 ui2 0 时 同理 ui2单独作用时 方法2 平衡电阻 Ri1 Ri2 R1 RF u u 也可写出u 和u 的表达式 利用u u 的性质求解 当改变某一路输入电阻时 对其它路无影响 同相加法运算电路的特点 当改变某一路输入电阻时 对其它路有影响 反相加法运算电路的特点 6 3 3减法运算电路 由虚断可得 由虚短可得 分析方法1 如果取R1 R2 R3 RF 如R1 R2 R3 RF R2 R3 R1 RF 输出与两个输入信号的差值成正比 常用做测量放大电路 分析方法2 利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加 u 例 图示是集成电路的串级应用 试求输出电压 解答 返回目录 解 想一想 为什么要加A1 返回 返回目录 例1 设计一加减运算电路 设计一加减运算电路 使Vo 2Vi1 5Vi2 10Vi3 解 用双运放实现 如果选Rf1 Rf2 100K 且R4 100K 则 R1 50KR2 20KR5 10K 平衡电阻R3 R1 R2 Rf1 12 5K R6 R4 R5 Rf2 8 3K 思考 用一加法和减运算电路怎样实现 例2 求电路的电压放大倍数Avf 6 3 4积分运算电路 由虚短及虚断性质可得i1 if if 当电容CF的初始电压为uC t0 时 则有 若输入信号电压为恒定直流量 即ui Ui时 则 积分饱和 线性积分时间 线性积分时间 Uo sat ui Ui 0 ui Ui 0 采用集成运算放大器组成的积分电路 由于充电电流基本上是恒定的 故uo是时间t的一次函数 从而提高了它的线性度 输出电压随时间线性变化 Ui Ui 例已知 vc 0 0 画输出电压波形 解 1 t 0 t1 vo t1 8V 2 t t1 t2 vo t2 0V 三角波 方波 6 3 5微分运算电路 由虚短及虚断性质可得i1 if Ui Ui 微分电路 第六章集成运算放大器 6 1集成运算放大器的简单介绍 6 3运算放大器在信号运算方面的应用 6 5运算放大器在波形产生方面的应用 自学 6 6使用运算放大器应注意的几个问题 6 4运算放大器在信号处理方面的应用 6 2放大电路中的负反馈 6 4 1电压比较器 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平 由此来判断输入信号的大小和极性 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 6 4运放在信号处理方面的应用 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 Uo sat 或 Uo sat 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 不存在 虚短 现象2 i i 0仍存在 虚断 现象 电压传输特性 电压传输特性 Uo sat Uo sat 运放处于开环状态 1 基本电压比较器 阈值电压 门限电平 输出跃变所对应的输入电压 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 即uiUR时 uo Uo sat 可见 在ui UR处输出电压uo发生跃变 参考电压 单限电压比较器 当ui单方向变化时 uo只变化一次 ui UR uo Uo sat ui UR uo Uo sat 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 2 输出带限幅的电压比较器 设稳压管的稳定电压为UZ 忽略稳压管的正向导通压降则uiUR uo UZ uiUR时 uo Uo sat 3 过零电压比较器 利用电压比较器将正弦波变为方波 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 第六章集成运算放大器 6 1集成运算放大器的简单介绍 6 3运算放大器在信号运算方面的应用 6 5运算放大器在波形产生方面的应用 自学 6 6使用运算放大器应注意的几个问题 6 4运算放大器在信号处理方面的应用 6 2放大电路中的负反馈 6 5 1方波发生器 6 5运放在波形产生方面的应用 6 5 2三角波发生器 6 5 3锯齿波发生器 集成运放按技术指标分为 通用型和特殊型 通用型开环增益可达100dB 基本能兼顾各方面的要求 在实际应用时优先选用 如uA741 LM324 5G24等 1 运放的选择 通常根据设计要求选择具有相应指标的芯片包括信号源的性质 负载的性质 精度要求 环境条件四方面要求 6 6使用运算放大器应注意的几个问题 1 集成运放的管脚 常见封装形式多为双列直插式封装 8 10 12 14 16管脚等 使用注意查阅手册 辨认管脚 以便正确连线 2 粗测运放好坏 用万用表电阻中间档 100 测量有无短路和断路现象 接成电压跟随器形式进行器件检查 3 调零或调整偏置电压消除失调电压 2 使用注意事项 1 输入保护 防差模输入电压过大 4 保护措施 2 输出端保护 返回目录 3 电源保护 返回目录 4 扩大输出电流 返回目录 5 其它 运放反相放大电路中 反馈电阻不能太大 否则会产生较大的噪声和漂移 一般为几十千欧至几百千欧 尽量保证运放输入端对称 设计思考题讨论 1 vo 10vS1且Ri 10K 2 vo 2vS1 5vS2 由同相求和电路及反号器构成 由反相求和电路及反号器构成 由一个运放构成 vo 2vS1 5vS2 3 vo 6vS1 5vS2 3vS3 由一个运放实现 由二个运放实现 例 图中同相比例运算电路 求 需要帮忙吗 点击我会有新发现 练习5 有反馈 正 负反馈 电压 电流反馈 串联 并联反馈 电流并联负反馈 例 为稳定输出电压 增加输入电阻 应用引入何种类型反馈 在图中连线 解 电压串联负反馈