运放的常见应用方法.ppt

山西财贸职业技术学院应用电子系 薛香娥 电工电子 第8章集成运算放大器 教学目的要求 了解差动放大器 放大电路中的负反馈 理解集成运放构成及特点 理想运放及其分析依据 理想化条件 掌握运放应用电路 比例放大 加减法 微积分运算电路 集成运算放大器 第一节集成运算放大器基本组成 1 集成运算放大器基本组成2 差动放大电路结构 零点漂移的概念 集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 集成电路的优点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 集成电路的分类 模拟集成电路 数字集成电路 小 中 大 超大规模集成电路 集成概念 集成运放的组成 集成运算放大器实质上是一种双端输入 单端输出 具有高增益 高输入阻抗 低输出阻抗的多极直接耦合放大电路 当给他施加不同的反馈网络时 就能实现模拟信号的多种数学运算功能 如比例 求和 求差 积分 微分 故被称为集成运算放大电路 简称集成运放 集成运放内部组成框图 图8 1集成运放内部组成框图 输入级输入级又称前置级 它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路 一般要求其输入电阻高 差模放大倍数大 抑制共模信号的能力强 静态电流小 中间级中间级是整个放大电路的主要放大电路 其作用是使集成运放具有较强的放大能力 多采用共射 或共源 放大电路 而且为了提高电压放大倍数 经常采用复合管做放大管 以恒流源作集电极负载 其电压放大倍数可达千倍以上 输出级输出级具有输出电压线性范围宽 输出电阻小 即带负载能力强 非线性失真小等优点 多采用互补对称发射极输出电路 偏置电路偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点 与分立元件不同 集成运放多采用电流源电路为各级提供合适的集电极 或发射极 漏极 静态工作电流 从而确定了合适的静态工作点 电路元件制作在一个芯片上 元件参数偏差方向一致 温度均一性好 电阻元件由硅半导体构成 范围在几十到20千欧 精度低 高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接 几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成 大电容要外接 二极管一般用三极管的发射结构成 集成电路内部结构的特点 反相输入端 同相输入端 原理框图 UEE UCC u uo u 输入级 中间级 输出级 与uo反相 与uo同相 对输入级的要求 尽量减小零点漂移 尽量提高KCMRR 输入阻抗ri尽可能大 对中间级的要求 足够大的电压放大倍数 对输出级的要求 主要提高带负载能力 给出足够的输出电流io 即输出阻抗ro小 集成运放的结构 采用四级以上的多级放大器 输入级和第二级一般采用差动放大器 输入级常采用复合三极管或场效应管 以减小输入电流 增加输入电阻 输出级采用互补对称式射极跟随器 以进行功率放大 提高带负载的能力 零点漂移 图8 直接耦合放大电路的零点漂移 当放大器的环境温度或电源电压发生变化时 晶体管的静态工作点也要随之发生变化 即使在输入信号为零时 输出端也会出现缓慢的不规则变动 如图8 所示 这种现象称之为 零点漂移 产生零点漂移的原因 产生零点漂移的原因很多 如温度的变化 包括环境温度的变化及三级管工作时由于管耗引起的结温变化 电源电压的波动以及电路元件以及电路元件参数的变化等 都会引起放大电路的零点漂移 其中又以温度的变化使三级管参数随之变化引起的漂移最为严重 当温度上升时 将引起ICBO及 增大 Ube减小 从而使静态工作点Q上移 集电极电流IC增加 产生零点漂移现象 基本差分式放大电路 基本差分式放大电路如图8 3所示 图8 3基本差分式放大电路 工作原理 静态分析UO UC1 UC2 0 动态分析 抑制零点漂移的原理 由于差分放大电路与普通的单端输入 单端输出的放大电路不同 其输入 输出都可能是双端 为了更好的分析差分放大电路的特性 我们定义差分放大电路的输入信号为两种形式 差模信号和共模信号 所谓差模信号 是指两个输入信号之差 用uId表示 它在差分放大管T1 T2的基极接入的是幅值相等 相位相反的一对信号 即uI1 uI2 所谓共模信号 是指两个输入信号的算术平均值 用uIC表示 它在差分放大管T1 T2的基极接入的是幅值相等 相位相同的一对信号 即uI1 uI2 当输入共模信号时 uI1 uI2 理想双端输出时差分放大电路的输出电压uOC Au uI1 uI2 0 可见 差分放大电路能抑制共模信号输出 抑制零漂的原理 主要技术指标的计算 差模电压放大倍数 双端输入 双端输出的差模电压放大倍数在图8 3所示的电路的交流通路如图4 4所示 图8 4基本差分式放大电路的交流通路 当集电极C1 C2两点间接入负载电阻RL时其中 双端输入 单端输出的差模电压放大倍数 如输出电压取自其中一管的集电极 uo1或uo2 则称为有单端输出 此时由于只取一管的集电极电压变化量 所以这时的电压放大倍数只有双端输出时的一半 即 差模输入电阻和输出电阻 根据输入 输出电阻的定义 从图8 4可以看出 单端输出时 差模输出电阻为 共模抑制比 共模抑制比定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值 即 差模电压放大倍数越大 共模电压放大倍数越小 则共模抑制能力越强 放大电路的性能越优良 因此希望KCMR值越大越好 共模抑制比有时也用分贝 dB 数来表示 输入信号分类 差模 differentialmode 输入 ui1 ui2 ud 共模 commonmode 输入 ui1 ui2 uC 任意输入的信号ui1 ui2 都可分解成差模分量和共模分量 比较输入 ui1 uC ud ui2 uC ud 例 ui1 20mV ui2 10mV 则 ud 5mV uc 15mV 差模分量 共模分量 ui1 15mV 5mV ui2 15mV 5mV 共模电压放大倍数AC 共模输入信号 ui1 ui2 uC 大小相等 极性相同 理想情况 ui1 ui2 uC1 uC2 uo 0 共模电压放大倍数 很小 1 但因两侧不完全对称 uo 0 差模电压放大倍数Ad 差模输入信号 ui1 ui2 ud 大小相等 极性相反 很大 1 设uC1 UC1 uC1 uC2 UC2 uC2 因ui1 ui2 uC1 uC2 uo uC1 uC2 uC1 uC2 2 uC1 差模电压放大倍数 共模抑制比 CMRR 的定义 例 Ad 200Ac 0 1KCMRR 20lg 200 0 1 66dB CMRR CommonModeRejectionRatio KCMRR KCMRR dB 分贝 差放电路的几种接法 对Ad而言 双端输入与单端输入效果是一样的 第二节集成运算放大器的基本特性 1 运算放大器的符号2 运算放大器的主要参数3 理想运算放大器特性 运算放大器的符号 集成运放的主要参数 传输特性参数 开环差模增益Aud在集成运放无外加反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模增益共模抑制比KCMR共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值差模输入电阻Rid集成运放在输入差模信号时的输入电阻 输出电阻Ro集成运放开环状态下的输出电阻 直流参数 输入失调电压UIO及其温漂dUIO dT理想集成运放 当输入为零时 输出也为零 但实际集成运放的差分输入级不易做到完全对称 在输入为零时 输出电压可能不为零 为使其输出为零 人为的在输入端加一补偿电压 称此补偿电压为输入失调电压 用UIO表示输入失调电流IIO及其温漂dIIO dT集成运放在常温下 当输出电压为零时 两输入端的静态电流之差 称为输入失调电流 用IIO表示 输出信号的响应参数 ri大 几十k 几百k 运放的特点 KCMRR很大 ro小 几十 几百 Auo很大 104 107 运放符号 理想运算放大器特性 Auo越大 运放的线性范围越小 必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围 例 若UOM 12V Auo 106 则 ui 12 V时 运放处于线性区 线性放大区 由于运放的开环放大倍数很大 输入电阻高 输出电阻小 在分析时常将其理想化 称其所谓的理想运放 理想运放的条件 放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行 运放工作在线性区的特点 第三节放大电路中的负反馈 1 负反馈概念2 负反馈的类型 凡是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 与输入信号迭加 就称为反馈 若引回的信号削弱了输入信号 就称为负反馈 若引回的信号增强了输入信号 就称为正反馈 这里所说的信号一般是指交流信号 所以判断正负反馈 就要判断反馈信号与输入信号的相位关系 同相是正反馈 反相是负反馈 负反馈的概念 放大器 输出 输入 取 加强输入信号正反馈用于振荡器 取 削弱输入信号负反馈用于放大器 开环 闭环 反馈信号 实际被放大信号 反馈框图 判断负反馈的方法 瞬时极性法假设输出端信号有一定极性的瞬时变化 依次经过反馈 比较 放大后 再回到输出端 若输出信号与原输出信号的变化极性相反 则为负反馈 反之为正反馈 判断负反馈的方法 例 判断Rf是否负反馈 是负反馈 例 判断Rf是否负反馈 uo ui i iB iF uF RE2 Rf RE1 RC1 RC2 UCC iE2 是反馈 负反馈 交流反馈 直流反馈 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 稳定静态工作点 负反馈的类型 是否负反馈 是负反馈 那么是何种类型的负反馈 判断反馈的组态 找出反馈网络 电阻 是交流反馈还是直流反馈 负反馈的分析步骤 交流反馈 反馈只对交流信号起作用 直流反馈 反馈只对直流信号起作用 若在反馈网络中串接隔直电容 则可以隔断直流 此时反馈只对交流起作用 在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容 可以使其只对直流起作用 有的反馈只对交流信号起作用 有的反馈只对直流信号起作用 有的反馈对交 直流信号均起作用 交流反馈与直流反馈 增加隔直电容C后 Rf只对交流起反馈作用 注 本电路中C1 C2也起到隔直作用 增加旁路电容C后 RE1只对直流起反馈作用 电压反馈 反馈信号取自输出电压信号 电流反馈 反馈信号取自输出电流信号 电压负反馈 可以稳定输出电压 减小输出电阻 电流负反馈 可以稳定输出电流 增大输出电阻 根据反馈所采样的信号不同 可以分为电压反馈和电流反馈 电压反馈和电流反馈 电压反馈采样的两种形式 采样电阻 电流反馈采样的两种形式 采样电阻 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同 可以分为串联反馈和并联反馈 串联反馈 反馈信号与输入信号串联 即反馈电压信号与输入信号电压比较 并联反馈 反馈信号与输入信号并联 即反馈信号电流与输入信号电流比较 串联反馈使电路的输入电阻增大 并联反馈使电路的输入电阻减小 串联反馈和并联反馈 ib i if 并联反馈 ube ui uf 串联反馈 电压反馈与电流反馈判别方法 电压反馈一般从后级放大器的集电极采样 电流反馈一般从后级放大器的发射极采样 并联反馈与串联反馈判别方法 并联反馈的反馈信号接于晶体管基极 串联反馈的反馈信号接于晶体管发射极 总结 例 判断反馈的类型 此电路是电压并联负反馈 例 判断反馈的类型 此电路是电流并联负反馈 并联电压负反馈 削弱净输入为负反馈 反馈取自输出电压 为电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式做比较 为并联反馈 电压并联负反馈 负反馈的类型 串联电压负反馈 削弱净输入为负反馈 反馈取自输出电压 为电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式做比较 为串联反馈 电压串联负反馈 串联电流负反馈 为负反馈 反馈取自输出电流为电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式做比较为串联反馈 电流串联负反馈 并联电流负反馈 为负反馈 反馈取自输出电流 为电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式做比较 为并联反馈 电流并联负反馈 反馈电路的三个环节 放大 反馈 叠加 负反馈对放大电路工作性能的影响 开环放大倍数 闭环放大倍数 反馈系数 负反馈放大器的一般关系 同相 所以 则有 负反馈使放大倍数下降 引入负反馈使电路的稳定性提高 在深度负反馈的情况下 放大倍数只与反馈网络有关 改善波形的失真 加反馈前 对输入 输出电阻的影响 串联负反馈使电路的输入电阻增加 并联负反馈使电路的输入电阻减小 例如 射极输出器 理解 串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻 故输入电阻增加 理解 并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路 故输入电阻减小 电压负反馈使电路的输出电阻减小 例如 射极输出器 理解 电压负反馈目的是阻止 uo的变化 稳定输出电压 放大电路等效右图框中为电压源 输出电阻越小 输出电压越稳定 理解 电流负反馈目的是阻止 io的变化 稳定输出电流 放大电路等效为右图框中电流源 输出电阻越大 输出电流越稳定 电流负反馈使电路的输出电阻增加 第四节集成运算放大器的应用 1 反相输入比例运算电路2 同相输入比例运算电路3 加法运算电路4 减法运算电路5 积分法运算电路6 微分法运算电路 运放线性应用 虚拟短路虚拟断路放大倍数与负载无关 可以分开分析 作用 将信号按比例放大 类型 同相比例放大和反相比例放大 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 比例运算电路 i1 i2 虚短路 虚开路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从反相端输入 反相输入 RP R1 R2 uo 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小 u u ui 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 虚短路 虚开路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 同相输入 此电路是电压并联负反馈 在电路中作用与分离元件的射极输出器相同 但是电压跟随性能好 结构特点 输出电压全部引到反相输入端 信号从同相端输入 电压跟随器是同相比例运算放大器的特例 电压跟随器 作用 将若干个输入信号之和按比例放大 类型 同相求和和反相求和 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 加法运算 反相求和运算 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻 不影响输入电压和输出电压的比例关系 调节方便 同相求和运算 此电路如果以u 为输入 则输出为 u 与ui1和ui2的关系如何 注意 同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响 不能单独调整 流入运放输入端的电流为0 虚开路 左图也是同相求和运算电路 如何求同相输入端的电位 解出 减法运算 用叠加原理求解 输入方波 输出是三角波 积分运算 应用举例2 如果积分器从某一时刻输入一直流电压 输出将反向积分 经过一定的时间后输出饱和 积分电路的主要用途 在电子开关中用于延迟 波形变换 例 将方波变为三角波 A D转换中 将电压量变为时间量 移相 u u 0 微分运算 运算放大器在信号处理方面的应用 滤波电路的分类 按信号性质分类 按电路功能分类 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 按所用元件分类 模拟滤波器和数字滤波器 无源滤波器和有源滤波器 按阶数分类 一阶 二阶 高阶 有源滤波器的优点 不使用电感元件 体积小重量轻 有源滤波电路中可加电压串联负反馈 使输入电阻高 输出电阻低 输入输出之间具有良好的隔离 只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路 无需考虑级间影响 除滤波外 还可放大信号 放大倍数容易调节 有源低通滤波器 幅频特性 相频特性 时 有源高通滤波器 幅频特性 o 0 电路中的运放处于非线性状态 运放电路中没有负反馈 运放处于非线性状态 电压比较器 特点 运放处于开环状态 当ui UR时 uo Uom当ui UR时 uo Uom ui从同相端输入 当uiUR时 uo Uom ui从反相端输入 过零比较器 UR 0时 电路改进 用稳压管稳定输出电压 分析 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当uo正饱和时 uo UOM U 3 当uo负饱和时 uo UOM 特点 电路中使用正反馈 运放处于非线性状态 迟滞比较器 分别称UH和UL上下门限电压 称 UH UL 为回差 当ui增加到UH时 输出由Uom跳变到 Uom 当ui减小到UL时 输出由 Uom跳变到Uom 传输特性 小于回差的干扰不会引起跳转 跳转时 正反馈加速跳转 例 迟滞比较器的输入为正弦波时 画出输出的波形 电路结构 上下限 矩形波发生器 运算放大器在波形产生方面的应用 u A u u 1 R f R Z R Z D O R C u C 工作原理 设uo UZ 此时 uO给C充电 uc 则 u UT 一旦uc UT 就有u u uo立即由 UZ变成 UZ 在uc UT 时 u u 设uC初始值uC 0 0 uo保持 UZ不变 u A u u 1 R f R Z R Z D O R C u C 此时 C向uO放电 再反向充电 当uo UZ时 u UT uc达到UT 时 uo上跳 当uo重新回到 UZ后 电路又进入另一个周期性的变化 u A u u 1 R f R Z R Z D O R C u C 完整的波形 u A u u 1 R f R Z R Z D O R C u C 三角波发生器 工作原理 若uo1 UZ uo2 u 当u 0时 uo1翻转为 UZ 若uo1 UZ uo2 u 当u 0时 uo1翻转为 UZ u R A1 R Z 2 Z D u 4 R o2 R 1 R 3 5 R C u u o1 A2 波形图 振荡周期 u R Z u R R 1 2 A1 u 4 R C A2 R Z D 5 u o1 o2 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1 判断下图中有哪些反馈回路 是交流反馈还是直流反馈 注意电容的 隔直通交 作用 交 直流反馈 交流反馈 u u 1 A R f R o i C 2 2 R 1 C 例题 本级反馈 反馈只存在于某一级放大器中 级间反馈 反馈存在于两级以上的放大器中 例2 判断下图中的本级反馈与级间反馈 级间反馈 本级反馈 本级反馈 V V f L V CC T R be e2 R c2 c1 O u R f u R R C b1 b1 R b2 C u 2 T 1 i u R e1 电流并联负反馈 例3 判断以下各图的反馈类型 电流并联负反馈 u u R 1 f o f o L i R R R i i d A i i i R c1 c2 R V c2 i R O s R f f 1 2 u T i s R R T i CC i b i u L e2 电压并联负反馈 电流串联负反馈 T L R c u i b i CC s R i V O u u s s R R f f i V cc i u u O 1 R R 2 3 R R 4 R 5 6 R 电压串联负反馈 电流串联负反馈 u u R 1 f o L R R i A d u f u o i 电流并联负反馈 例4 判断反馈类型 及电路的工作过程 u u 1 A i i R i o i d i f i o f R R L R R c1 c2 R R f R e2 R s L R 1 T 2 T i c2 i f s i u s u O u i CC V i b 例5 图所示电路中 运放A是理想运放 写出电压uo的表达式 解 由虚断知 运放同相输入端的电压为uI 又依据虚短 运放反相输入端的电压也是uI 由于等电位 所以流过电阻R的电流为0 又根据虚断 流过2R的电流与前者相等 也为0 所以有 uo uI 讨论 在利用 虚短 虚断 条件分析电路时要注意 虚短 是指运放的同相端和反相端之间的净输入电压近似为0 虚断 是指流入运放同相端和反相端的净输入电流近似为0 容易出现的问题是 误认为运放输出端的电流也是0 例6 Rf 10k R2 10k UZ 6V UREF 10V 当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 u u u A R Z u D O f u R Z i REF R 1 R 2 u u u A R Z u D O f u R Z i REF R 1 R 2 例7 在下图所示电路中 写出输出电压uO与输入电流i1和i2之间的关系式 解 设运放A1的输出信号为u1 运放A1的反相输入端信号为uN1 运放A2的反相输入端信号为uN2 两级运放均构成了负反馈 满足 虚短 虚断 例8 运放组成的有源滤波电路如图所示 运放A1和A2为理想运放 试求 3 判定A1级和整个电路各组成什么样的滤波电路 解 1 2 uo uI uo1 其中 3 由以上分析可判定A1级组成一阶高通有源滤波电路 整个电路组成一阶低通有源滤波电路 u u o 1 C R A i R i i C 例10 设计一个加减运算电路 RF 240k 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 画电路 系数为负的信号从反相端输入 系数为正的信号从同相端输入 2 求各电阻值 uo 10ui1 8ui2 20ui3 ThankYou