《电子技术与实训》PPT课件.ppt

书名 电子技术与实训作者 刘陆平ISBN 978 7 111 38051 1出版社 机械工业出版社本书配有电子课件 模拟试卷及习题答案 教材详情 请点击查阅机械工业出版社教材服务网 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 第3章集成运算放大器及其应用 本章学习目标 3 1差动放大电路3 2集成运算放大器简介3 3负反馈放大电路3 4集成运算放大器的应用3 5使用集成运算放大器应注意的几个问题 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 第3章集成运算放大器及其应用 本章学习目标 差动放大电路的工作原理及分析方法 集成运算放大器的组成和主要参数 放大电路负反馈的基本概念 反馈类型判定和负反馈对放大器性能的影响 集成运算放大器的线性和非线性应用 集成运算放大器使用时应注意的问题 返回 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 3 1 1差动放大电路的工作原理最简单的差动放大电路如图3 1所示 它由两个完全对称的单管放大电路拼接而成 在该电路中 晶体管T1 T2型号一样 特性相同 是两个对称的三极管 RB1为输入回路限流电阻 RB2为基极偏流电阻 RC为集电极负载电阻 输入信号电压由两管的基极输入 输出电压从两管的集电极之间提取 也称双端输出 由于电路的对称性 在理想情况下 它们的静态工作点必然一一对应相等 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 1 抑制零点漂移在输入电压ui1 ui2 0时 由于电路对称 存在IC1 IC2 所以两管的集电极电位相等 即VC1 VC2 故 uo VC1 VC2 0 当温度升高引起三极管集电极电流增大时 集电极电位都下降了 由于电路对称 导致两边的变化量相等 即 IC1 IC2 VC1 VC2 虽然每个管都产生了零点漂移 但是 由于两集电极电位的变化相同的 所以输出电压依然为零 即uo VC1 VC1 VC2 VC2 0 无论什么原因引起的零点漂移 均能有效地抑制 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 2 动态分析差动放大电路的信号输入有共模输入 差模输入 比较输入三种类型 输出方式有单端输出 双端输出两种 1 共模输入在电路的两个输入端输入大小相等 极性相同的信号电压 即ui1 ui2 这种输入方式称为共模输入 大小相等 极性相同的信号为共模信号 由于电路的对称性 在共模输入信号的作用下 输出电压为零 双端输出 说明差动放大电路对共模信号无放大作用 共模信号的电压放大倍数为零 所以差动电路抑制共模信号能力的大小 也反映出它对零点漂移的抑制水平 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 2 差模输入在电路的两个输入端输入大小相等 极性相反的信号电压 即ui1 ui2 这种输入方式称为差模输入 大小相等 极性相反的信号 为差模信号 在如图3 1所示电路中 设ui1 0 ui2 0 则在ui1的作用下 T1管的集电极电流增大了 IC1 导致集电极电位下降了 VC1 同理 在ui2的作用下 T2管的集电极电流减小了 IC2 导致集电极电位升高了 VC2 VC1和 VC2为大小相等 方向相反 输出电压为uo VC1 VC2 2 VC1 在差模信号的作用下 差动放大电路的输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 3 比较输入两个输入信号电压大小和相对极性是任意的 既非差模 又非共模 在自动控制系统中 经常运用这种比较输入的方式 4 主要技术指标Aud的计算在图3 1所示电路中 若输入为差模信号 即ui1 ui2 uid 2 则因一管的电流增加 另一管的电流减小 在电路完全对称的条件下 iC1的增加量等于iC2的减小量 所以当从两管集电极作双端输出时 其差模电压增益与单管放大电路的电压增益相同 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 3 1 2典型差动放大电路差动放大电路是依靠电路的对称性和采用双端输出方式 用双倍的元件换取有效抑制零漂的能力 每个管子的零漂并未受到抑制 再者 电路的完全对称是不可能的 如果采用单端输出 从一个管子的集电极与地之间取输出电压 零点漂移就根本得不到抑制 为此 必须采用有效措施抑制每个管子的零点漂移 典型差动放大电路如图3 2所示 与最简单的差动放大电路相比 该电路增加了调零电位器RP 发射极公共电阻RE和负电源 EE 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 由于电路的对称性 无论是温度的变化还是电源电压的波动 都会引起两个三极管集电极电流和电压的相同变化 因此 其中相同的变化量互相抵消 使输出电压不变 从而抑制了零点漂移 为了克服电路不完全对称引起的零点漂移及减小每个三极管集电极对地的漂移电压 电路中增加了发射极公共电阻RE 它具有电流负反馈作用 可以稳定静态工作点 由温度变化造成每个三极管输出电压的漂移都得到一定程度的抑制 且RE的阻值越大 抑制零漂的作用就会越强 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 由于差模信号使两个三极管的集电极电流一增一减 只要电路的对称性足够好 其变化量的大小相等 流过RE的电流就等于静态值不变 因此RE对差模信号的放大基本上不产生影响 既然RE不影响差模信号的放大 为了使RE抑制零漂的作用显著一些 其阻值可以取得大一些 但是 在UCC一定的情况下 过大的RE会使管压降UCE变小 静态工作点下移 集电极电流减小 电压放大倍数下降 为此 接入负电源EE来补偿RE上的静态压降 从而保证两个三极管合适的静态工作点 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 1差动放大电路 在输入信号电压为零时 因电路不会完全对称 会使输出电压不等于零 这时可调节电位器RP使输出电压为零 所以RP称为调零电位器 但因RP会使电压放大倍数降低 所以其阻值不宜过大 一般为几十欧到几百欧 典型差动放大电路既可利用电路的对称性 采用双端输出的方式抑制零点漂移 又可利用发射极公共电阻RE的作用抑制每个三极管的零点漂移 稳定静态工作点 因此 这种典型差动放大电路即使是采用单端输出 其零点漂移也能得到有效地抑制 所以这种电路得到了广泛的应用 返回 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 2集成运算放大器简介 3 2 1集成运算放大器的组成1 集成电路的概念所谓集成电路 是相对于分立元件而言的 就是把整个电路的各个元件以及相互之间连接同时制造在一块半导体芯片上 组成一个不可分割的整体 2 集成运算放大器的基本组成从电路的总体结构上看 集成运算放大器基本上都由输入级 中间放大级 输出级和偏置电路四个部分组成 如图3 5所示 各部分的作用如下 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 2集成运算放大器简介 1 输入级 一般采用具有恒流源的双输入端的差分放大电路 主要作用是减小放大电路的零点漂移 提高输入阻抗 2 中间放大级 一般采用多级放大电路 主要作用是放大电压 使整个集成运算放大器有足够高的电压放大倍数 3 输出级 一般采用射级输出器或互补对称电路 其目的是实现与负载的匹配 使电路有较大的输出功率和较强的带负载能力 4 偏置电路 是为上述各级电路提供稳定合适的偏置电流 稳定各级的静态工作点 一般由各种恒流源电路构成 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 2集成运算放大器简介 3 2 2集成运算放大器的主要参数1 开环差摸电压增益Aud 2 输入失调电压Uio 3 输入失调电流Iio 4 差摸输入电阻rid和输出电阻ro 5 共模抑制比KCMR 6 最大差模输入电压Uidmax 7 最大共模输入电压Uicmax 8 静态功耗Pco 9 最大输出电压Uopp 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 2集成运算放大器简介 3 2 3理想的集成运算放大器1 理想集成运算放大器的主要条件 1 开环差模电压增益Aud 2 共模抑制比KCMR 3 开环差模输入电阻rid 4 开环共模输入电阻ric 5 开环输出电阻ro 0 集成运算放大器可以工作在线性区 也可以工作在非线性区 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 2集成运算放大器简介 2 理想集成运算放大器的表示符号如图3 7所示是理想集成运算放大器的表示符号 在直流信号放大电路中使用的集成运算放大器是工作在线性区域的 把集成运算放大器作为一个线性放大元件应用 它的输出和输入之间应满足如下的关系 uo Audui Aud u u 3 集成运算放大器的电压传输特性如图3 8所示 图中横坐标为 uI u u 4 为了使集成运算放大器工作在线性区 通常把外部电阻 电容 半导体器件等 跨接在集成运算放大器的输出端与输入端之间构成闭环负反馈工作状态 限制其电压放大倍数 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 2集成运算放大器简介 5 工作在线性区域的理想集成运算放大器有两个重要理论 1 集成运算放大器同相输入端和反相输入端的电位相等 虚短 即 u u 2 集成运算放大器同相输入端和反相输入端的输入电流等于零 虚断 因为理想集成运算放大器的rid 所以由同相输入端和反相输入端流入集成运算放大器的信号电流为零 即 i i 0 这两个结论是分析运算放大器组成电路的依据 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 2集成运算放大器简介 6 运算放大器工作在饱和区时 输出电压uo只有两种可能 或等于uom或等于 uom 而u 与u 不一定相等 当u u 时 uo uom 当u u 时 uo uom 返回 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 3负反馈放大电路 3 3 1反馈的基本概念反馈 就是在放大电路中 将放大电路输出信号 电压或电流 的一部分或全部通过某种电路返送到输入端的现象叫反馈 反向传输信号的电路称为反馈电路或反馈网络 它是把输入回路和输出回路联系起来的环节 带有反馈网络的放大电路称为反馈放大电路 根据反馈的定义 我们可以作出反馈放大电路的方框图 如图3 9所示 电子技术与实训高职高专ppt高等职业教育课件 3 3负反馈放大电路 3 3 2反馈类型和极性判定根据反馈的性质不同 反馈可分为以下几种类型 1 正反馈和负反馈 1 正反馈 反馈信号使净输入信号增加 以使电路的输出信号增加的反馈叫正反馈 2 负反馈 反馈信号使净输入信号减小 以使电路的输出信号减小的反馈叫负反馈 正 负反馈的判别 我们通常采用 瞬时极性法 即先假定输入信号处于某一瞬时极性 然后逐级推出电路其它各有关点的瞬时极性 最后判断反馈到输入端信号的瞬时极性是增强还是削弱了原来的信号 若是增强了原来的信号 则为正反馈 若是减弱了原来的信号 则为负反馈 3 3负反馈放大电路 例3 1 如图3 10所示电路中的反馈 试判断其为正反馈还是负反馈 解 对如图3 10 a 所示电路来说 假设在T1的基极有一个瞬时极性对地为正的信号 则可得T2的基极有一个瞬时极性对地为负的信号 所以 T2发射极电压瞬时极性为负 使通过反馈元件Rf的反馈电流增大 流入T1基极的电流将减小 即反馈信号削弱了T1原来的输入信号 所以为负反馈 对如图3 10 b 所示电路来说 假设在T1的基极有一个瞬时极性对地为正的信号 则可得T2发射极反馈到T1发射极的电压瞬时极性为负 T1发射极的电位将下降 T1发射结的净输入信号将增加 即反馈信号增强了T1原来的输入信号 所以为正反馈 3 3负反馈放大电路 2 直流反馈和交流反馈 1 直流反馈 如果反馈信号中只有直流分量 没有交流分量 则为直流反馈 2 交流反馈 如果反馈信号中只有交流分量 没有直流分量 则为交流反馈 3 电压反馈和电流反馈 1 电压反馈 如果反馈信号是取自输出电压 则为电压反馈 电路方框图如图3 11 a 所示 2 电流反馈 如果反馈信号是取自输出电流 则为电流反馈 电路方框图如图3 11 b 所示 3 3负反馈放大电路 判别的方法是 假设把输出端短路 若反馈信号消失 则属于电压反馈 若反馈信号还存在 则属于电流反馈 4 串联反馈和并联反馈 1 串联反馈 如果放大器的净输入信号是由输入信号和反馈信号串联而成的 则为串联反馈 此时反馈信号总是以电压的形式出现在输入回路 电路方框图如图3 12 a 所示 2 并联反馈 如果放大器的净输入信号是由输入信号和反馈信号并联而成的 则为并联反馈 此时反馈信号总是以电流的形式出现在输入回路 电路方框图如图3 12 b 所示 3 3负反馈放大电路 判别的方法是 假设把反馈网络输出端短路 If 0或Uf 0 由图3 12可知 对于并联反馈 因输入信号同时也被短路而不能进入放大电路 但串联反馈输入信号没有被短路仍可进入放大电路 所以把反馈网络输出端短路 根据原输入信号能否进入放大电路就可判定是串联反馈还是并联反馈 一般情况下 若反馈网络输出端接到放大电路三极管的基极则为并联反馈 若反馈网络输出端接到放大电路三极管的发射极则为串联反馈 3 3负反馈放大电路 5 负反馈放大器的四种基本类型由上述讨论可知 根据反馈信号和输入信号及输出信号之间的关系 可把负反馈电路分成四种基本类型 即 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 它们的电路方框图分别如图3 13 a b c 和 d 所示 3 3 3负反馈对放大器性能的影响1 降低了放大电路的放大倍数 并提高放大倍数的稳定性 2 减小非线性失真 3 3负反馈放大电路 3 展宽放大电路的通频带 4 减小放大电路的内部噪声和内部干扰 5 对放大电路输入电阻和输出电阻的影响 串联负反馈可使放大电路的输入电阻变大 此时信号源的内阻RS越小 反馈效果越明显 并联负反馈可使放大电路的输入电阻变小 此时信号源的内阻RS不能为零 且信号源的内阻较大时 反馈效果越明显 由于电压负反馈具有稳定输出电压的作用 故可减小放大电路的输出电阻很低 由于电流负反馈具有稳定输出电流的作用 故可增大放大电路 不含RC 的输出电阻很高 但与RC并联后 近似等于RC 返回 3 4集成运算放大器的应用 3 4 1比例运算1 反相比例运算电路如图3 16所示电路称为反相输入比例运算放大电路 反馈类型为电压并联负反馈 它是反相输入运算电路中最基本的形式 因为i i 0 所以R2上无电压降 可知u u 0 i1 iF uo与ui之间成比例关系 式中负号表示输出电压与输入电压反相位 uo与ui的关系与集成运算放大器本身的参数无关 仅与外部电阻R1和RF有关 3 4集成运算放大器的应用 平衡电阻R2的作用就是当ui 0时 使输出信号也为零 R2 R1 RF 反相比例运算电路的特点是 uo与ui之间相位相反 大小成正比关系 输出阻抗较小 当选取R1 RF时 uo ui 即uo与ui大小相等 相位相反 这时图3 16电路称为反相器或倒相器 2 同相比例运算电路如图3 18所示电路称为同相输入比例运算放大电路 反馈类型为电压串联负反馈 它是同相输入运算电路中最基本的形式 3 4集成运算放大器的应用 因为i i 0 可知u u ui i1 iF uo与ui之间成比例关系 输出电压与输入电压同相位 uo与ui的关系与集成运算放大器本身的参数无关 仅与外部电阻R1和RF有关 R2的作用就是当ui 0时 使输出信号也为零 R2 R1 RF 同相比例运算电路的特点是 uo与ui之间相位相同 大小之间成正比关系 输出阻抗较小 当选取R1 或RF 0时 uo ui 称为同相器 电路如图图3 19所示 3 4集成运算放大器的应用 3 4 2加法和减法运算电路1 反相加法运算电路在图3 16电路的基础上增加若干个输入回路 就可以对多个输入信号实现代数相加运算 图3 20是具有两个输入信号的反向加法运算电路 由图3 20可知 iF i1 i2 uo与ui1和ui2的关系仅与外部电阻有关 若使RF R1 R2 则uo ui1 ui2 平衡电阻R3 R1 R2 RF 3 4集成运算放大器的应用 2 减法运算电路当集成运算放大器的同相输入端和反相输入端都接有输入信号时 称为减法运算电路 又称差分输入运算电路 如图3 21所示 对图3 21分析可得到如下关系式 i1 iF当R3 RF R2 R1时 若R1 R2 R3 RF时 uo ui2 ui1 3 4集成运算放大器的应用 3 4 3微分和积分运算1 微分运算电路如果把反相比例运算电路中的电阻R1换成电容C 则称为微分运算电路 如图3 22所示 对图3 22分析可得 i1 iC iF ui uC uo iFRF 综合上面的几个关系式可以得到 式中RFC称为微分时间常数 3 4集成运算放大器的应用 2 积分运算电路把反相比例运算电路中的反馈电阻RF换成电容C 就构成了反相积分电路 如图3 23所示 根据虚地的特点 对图3 23分析可得 i1 iC iF uo uC 综合上面的几个关系式可以得到 式中负号反映uo与ui的相位关系 R1CF称为积分时间常数 它的数值越大 达到uo值所需的时间越长 3 4集成运算放大器的应用 3 4 4比较器用运算放大器构成的非线性电路主要有比较器和信号发生器 比较器主要有滞回比较器和电压比较器等 下面主要介绍电压比较器 如图3 25所示的电路是一个模拟量转换成数字量的电路 图中运算放大器接成电压比较器形式 同相输入端接参考电压UREF 输入的正弦模拟电压信号ui接在反相输入端 当ui略大于UREF时 由于净输入电压u u uo uom 当ui略小于UREF时 由于u u uo uom 在电压比较器的输入端进行模拟信号大小的比较 在输出端则以高电平或低电平来反映比较结果 输出电压与输入电压的关系称为电压比较器的传输特性 7 3集成运算放大器的应用 对于图3 25所示的电路 输入电压ui相同时 当基准电压UREF为0V 1V 1V时 其传输特性曲线分别如图3 26 a b c 所示 若参考电压UREF 0 则输入信号ui每次过零时 输出电压都会发生变化 其转折点在坐标原点 如图3 26 a 所示 这样的比较器叫过零比较器 若参考电压不为零 则转折点也随着改变 返回 3 5使用集成运算放大器应注意的几个问题 3 5 1合理选用集成运放型号1 高输入阻抗型 主要用作测量放大器 模拟调节器 有源滤波器及采样 保持电路等 2 低漂移型 一般用于精密检测 精密模具计算 自控仪表 人体信息检测等 3 高速型 一般用于快速模 数和数 模转换器 有源滤波器 锁相环 精密比较器 高速采样保持电路和视频放大器等 4 低功耗型 用于遥测 遥感 生物医学和空间技术研究等对能源消耗有限制的场合 其电源电压可低到1 5V 5 大功率型 用于要求输出功率大的场合 3 5使用集成运算放大器应注意的几个问题 3 5 2消振和调零1 消振 通常的方法是外接RC消振电路或消振电容 可在电源端子接上电容或在反馈电阻两端并联电容来实现 电路分别如图3 27 a 和3 27 b 所示 是否已消振 可将输入端接 地 用示波器观察输出端有无自激振荡 2 电路的调零 调零时应将电路接成闭环 分无输入时调零和有输入时调零 对于没有专用调零引脚的运算放大器 可在输入端采取辅助调零措施 如图3 28所示 3 5使用集成运算放大器应注意的几个问题 3 5 3保护措施1 电源端保护 在电源连接线中串接二极管来实现保护 如图3 29所示 2 输入保护 可在运算放大器输入端加限幅保护 如图3 30所示 3 输出保护 如图3 31所示为输出过电压保护电路 返回 图3 1差动放大原理电路 返回 图3 2典型差动放大电路 返回 图3 5集成运算放大器的基本组成框图 返回 图3 7理想集成运算放大器的表示符号 返回 图3 8集成运算放大器的电压传输特性 返回 图3 9反馈电路的方框图 返回 a 图3 10瞬时极性法判断正 负反馈的实例图 返回 b 图3 10瞬时极性法判断正 负反馈的实例图 返回 a b 图3 11电压反馈和电流反馈的方框图 返回 a b 图3 12串联反馈和并联反馈的方框图 返回 a b 图3 13负反馈放大器四种基本类型的方框图 返回 c d 图3 13负反馈放大器四种基本类型的方框图 返回 图3 16反相比例运算电路图 返回 图3 18同相比例运算电路图 返回 图3 19同相器电路图 返回 图3 20反相加法运算电路图 返回 图3 21减法运算电路图 返回 图3 22微分运算电路图 返回 图3 23反相积分运算电路 返回 图3 25电压比较器电路图 返回 图3 26电压比较器的传输特性曲线 返回 a 图3 27集成运放消振电路 返回 b 图3 27集成运放消振电路 返回 图3 28集成运放辅助调零电路 返回 图3 29电源端保护电路 返回 图3 30输入保护电路 返回 图3 31输出过电压保护电路 返回