合肥工业大学模电第2章.ppt

第2章集成运放及其基本运用 本章重点 1 各种基本单元运算电路及综合运算 2 电压比较器的传输特性 本章讨论的问题 1 什么是理想运放 指标参数有哪些 2 为什么在运算放大电路中集成运放必须工作在线性区 为什么理想运放工作在线性区时会有虚短和虚断 3 有哪些基本运算电路 怎样分析运算电路的运算关系 4 电压比较器与放大电路有什么区别 集成运放在电压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗 2 1放大的概念和电路主要指标 2 1 1放大的概念 放大的对象 模拟量 常用正弦波作测试信号 放大的本质 能量的控制和转换 在输入信号的作用下 通过放大电路 将直流电源的能量转换成负载所获得的能量 使负载上获得的能量大于信号源提供的能量 第2章集成运放及其基本运用 放大电路的核心元件 有源元件 用于能量的控制和转换 放大的特征 功率放大 负载上获得比输入信号大得多的电压或电流 或者兼而有之 放大的基本要求 不失真 这是放大的前提 要求放大电路中的有源元件工作在合适的区域 使输入量与输出量始终保持线性关系 2 1 2 放大电路的性能指标 1 放大电路的框图 图2 1 2放大电路示意图 2 性能指标 1 放大倍数 放大电路示意图 放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标 2 输入电阻和输出电阻输入电阻Ri 放大电路一定要有前级 信号源 为其提供信号 那么就要从信号源索取电流 输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数 输入电阻越大 从其前级取得的电流越小 Ri Ui Ii 电压放大的情况下 Ri越大越好 Why 输出电阻对负载来说 放大器的输出端口等效为一个信号源 其内阻就是放大电路的输出电阻 也就是从放大电路输出端看进去的等效电阻 计算输出电阻的方法之一 测出空载输出电压和有载 负载为RL 输出电压Uo 则 输出电阻R0的大小反映了放大电路带负载的能力 R0愈小 负载电阻变化时 Uo的变化愈小 放大电路带负载的能力愈强 3 通频带 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力 一般宽频带放大器的幅频特性如图所示 一般情况下 放大电路只适用于放大某一特定频率范围的信号 在输入信号频率太高或太低时 放大倍数的值会下降并产生相移 在信号频率下降到使放大倍数的值等于0 707 的频率 在信号频率上升到使放大倍数的值等于0 707 的频率 4 最大不失真输出电压 在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压 或最大输出电流 可用峰 峰值 UOPP IOPP 表示 或有效值表示 Uo Io 5 最大输出功率与效率 在输出信号不失真的情况下 负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率Pom 直流电源能量的利用率称为效率 效率PV 直流电源消耗的功率 2 2集成运算放大电路 2 2 1差分放大的概念 输入级均采用差分放大电路 具有很强的抑制零点漂移的能力 中间级一般采用有源负载的复合管共射电路 以获得高的电压放大倍数 输出级通常采用互补对称输出电路 以提高电路的带负载能力 且电路的不失真输出电压高 效率高 偏置电路一般采用恒流源电路 其特点是直流电阻小 交流电阻大 常用来作有源负载和为各级提供合理而稳定的偏置电流 2 2 2集成运放的符号及其电压传输特性 图2 2 3集成运放的符号和电压传输特性 uO f uP uN 集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反相输入端uN 电压传输特性 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 集成运放的工作区域 线性区域 Aod为差模开环放大倍数 非线性区域 输出电压只有两种可能的情况 UOM或 UOM UOM为输出电压的饱和电压 其数值接近电源值 O 2 2 3理想集成运放 理想运放的性能指标 1 开环电压增益Aod 2 差模输入电阻Rid 3 输出电阻R0 04 共模抑制比KCMR 5 上限截止频率fH 6 输入失调电压UOI及其温漂dUOI dT 输入失调电流IOI及其温漂dIOI dT为零 无内部噪声 在实际应用中 一般情况下 可用理想运放代替实际运放 2 2 4理想运放两个工作区域的特点 1 工作在线性区它的输出电压和输入差模电压满足如下的线性关系 uo Aod uP uN 通常 集成运放的Aod很大 为了使其工作在线性区 大都引入深度负反馈 以减小运放的净输入 保证输出电压不超出线性范围 集成运放工作在线性区的特征是电路引入了负反馈 特点 1 称两输入端 虚短路 指运放两输入端的电位无限接近 但又不是真正的短路 2 称两输入端 虚断路 指运放两输入端的电流趋于零 但又不是真正的断路 在电路中 若运放处于开环状态 或引入了正反馈 则运放工作在非线性区 输出电压与输入电压之间uo Aod uP uN 特点 1 输出电压只有两种可能的状态 UOM 当uP uN时uo UOMuP uN时uo UOM 2 运放的输入电流等于零 即iP iN 0 UOM UOM 图2 2 6理想运放工作在非线性区的电压传输特性 2 工作在非线性区 2 3理想运放组成的基本运算电路2 3 1比例运算电路1 反相比例运算电路 基本电路 特点 电路引入了电压并联负反馈 输入电阻Ri R低 输出电阻Ro 0 存在虚地uP uN 0 共模输入信号uIC 0 对于集成运放的共模抑制比要求不高 R R Rf 使两输入端对地的电阻一致 使静态偏置电流IIB流过它们时产生的压降相等 因而对输出没有影响 T型反馈网络反相比例运算电路 2 同相比例运算电路 特点 电路引入了电压串联负反馈 输入电阻很大 输出电阻很小 可以认为Ri Ro 0 共模输入信号uIc uI 对于集成运放的共模抑制比要求较高 R R Rf 运算关系的分析方法 列出关键节点 如同相输入端 反相输入端 的电流方程 利用集成运放工作在线性区所具有的 虚短 和 虚断 的特点 求解输出电压和输入电压的关系式 电压跟随器 当Rf 0或R1 时 如下图所示 2 3 2加减运算电路1 反相求和运算电路 2 同相求和运算电路设R1 R2 R3 R4 R Rf 方法一 叠加原理 方法二 节点电流法 3加减运算电路 1 差分比例运算电路 在理想条件下 由于 虚断 i i 0 由于 虚短 u u 所以 电压放大倍数 2 加减运算电路 利用叠加原理求解 图 a 为反相求和运算电路 图 b 为同相求和运算电路 若电路只有二个输入 且参数对称 电路如图 上式则为 图差分比例运算电路 电路实现了对输入差模信号的比例运算 若R1 R2 Rf R3 R4 R5 改进电路图 高输入电阻差分比例运算电路 若R1 RF2 R3 RF1 比例电路应用实例 两个放大级 结构对称的A1 A2组成第一级 互相抵消漂移和失调 A3组成差分放大级 将差分输入转换为单端输出 当加入差模信号uI时 若R2 R3 则R1的中点为交流地电位 A1 A2的工作情况将如下页图中所示 图三运放数据放大器原理图 由同相比例运放的电压放大倍数公式 得 则 同理 所以 则第一级电压放大倍数为 改变R1 即可调节放大倍数 R1开路时 得到单位增益 A3为差分比例放大电路 当R4 R5 R6 R7时 得第二级的电压放大倍数为 所以总的电压放大倍数为 在电路参数对称的条件下 差模输入电阻等于两个同相比例电路的输入电阻之和 2 3 3积分运算电路和微分运算电路 1 积分运算电路 由于 虚地 u 0 故 uO uC 由于 虚断 iI iC 故 uI iIR iCR 得 RC 积分时间常数 图2 3 12 积分电路的输入 输出波形 一 输入电压为阶跃信号 t0 t1 UI 当t t0时 uI 0 uO 0 当t0 t t1时 uI UI 常数 当t t1时 uI 0 uo保持t t1时的输出电压值不变 即输出电压随时间而向负方向直线增长 二 输入电压为正弦波 可见 输出电压的相位比输入电压的相位领先90 因此 此时积分电路的作用是移相 图7 2 17 积分运算电路在不同输入情况下的波形 1 输入为阶跃信号时的输出电压波形 2 输入为方波时的输出电压波形 3 输入为正弦波时的输出电压波形 Rf用于限制低频电压增益 图7 2 18基本微分电路 由于 虚断 i 0 故iC iR 又由于 虚地 u u 0 可见 输出电压正比于输入电压对时间的微分 实现波形变换 如将方波变成双向尖顶波 2 微分运算电路 微分电路的作用 微分电路的作用有移相功能 实用微分运算电路 基本微分运算电路在输入信号时 集成运放内部的放大管会进入饱和或截止状态 以致于即使信号消失 管子还不能脱离原状态回到放大区 出现阻塞现象 为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡 实用电路应采取措施 实用微分运算电路 限制输出电压幅值 滞后补偿 限制输入电流 讨论 求解图示各电路 该电路可等效成差分放大电路的哪种接法 与该接法的分立元件电路相比有什么优点 2 4电压比较器 电压比较器是集成运放基本应用电路之一 其输入为模拟量 输出只有两种可能的状态 高电平或低电平 工作区域在非线性区 1 电压比较器的用途将一个模拟输入电压和参考电压进行比较 根据比较结果输出两个不同的电平 高电平UOH或低电平UOL 用于报警 自动控制 电子测量 鉴幅 波形的产生和变换等电路中 2 4 1电压比较器概述 2 电压比较器电路的特点 在电压比较器中 集成运放不是工作在开环状态 就是工作在正反馈 输出只有两种状态 uP uN时 uO UOMuP uN时 uO UOM发生跳变的时刻 uP uN 虚断 iP iN 0 集成运放的电压传输特性 3 电压比较器的传输特性 1 电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系 2 阈值电压 UT 当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压 3 电压传输特性的三要素 1 输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值 一般由运放输出限幅电路求出 2 阈值电压的数值UT 写出uP和uN的表达式并令其相等 求出的输入电压即为UT 3 当uI变化且经过UT时 uO跃变的方向 看输入信号是作用于反相端还是同相端 另外看uiUT 4 电压比较器的种类 1 单限比较器电路只有一个阈值电压 在输入电压变化过程中 当通过UT时 输出电压发生一次跃变 图 a 2 滞回比较器电路具有两个阈值电压 输入电压沿不同的方向变化时 输出电压只发生一次跃变 但发生跃变时的阈值电压不同 具有滞回特性 图 b 3 窗口比较器电路具有两个阈值电压 输入电压沿不同的方向变化时 输出电压发生两次跃变 图 c 2 4 2单限比较器 1 过零比较器将一个输入端接地 另一个输入端接输入信号 则可得到过零比较器 由于理想运放的开环差模增益为无穷大 所以 当uI 0时 uO UOM 当uI 0时 uO UOM 过零比较器的传输特性为 UOM为集成运放的最大输出电压 传输特性 利用稳压管限幅的过零比较器 一 电路图 传输特性 问题 如将输入信号加在 端 传输特性如何 问题 过零比较器如图所示 输入为正负对称的正弦波时 输出波形是怎样的 传输特性 将正弦波变为矩形波 利用稳压管限幅的过零比较器 二 设任何一个稳压管被反向击穿时 两个稳压管两端总的的稳定电压为UZ UOM UZ UZ 当uI0时 右边的稳压管被反向击穿 uO UZ 图8 2 6 2 一般单限比较器 1 确定输出电压的值UOH UZUOL UZ 2 确定阈值电压 3 确定跃变方向当uIUT时 uN uP uO UOL UZ 一般 当从反相端输入时 uIUT则uO UOL当从同相端输入时 uIUT则uO UOH 例 在左图所示电路中 UZ 6V 在右图中所示电路中 R1 R2 5k 基准电压UREF 2V 稳压管的稳定电压UZ 5V 它们的输入电压均为三角波 试分别画出两图中的输出电压u01输出电压u02 存在干扰时单限比较器的uI uO波形 单限比较器的作用 检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平 优点 灵敏度高缺点 抗干扰能力差 解决办法 采用具有滞回传输特性的比较器 2 4 3滞回比较器1工作原理 1 确定输出电压的值UOH UZUOL UZ 2 确定阈值电压 3 确定跃变方向当uI UT时 必然有uN uP uO UOL UZ 所以uP UT当uI减小到 UT时 再减小一个无穷小量 uO才从 UZ跃变为 UZ 2正反馈的作用 使滞回比较器工作在非线性区 加快状态转变的过程 缩短状态转换的时间 uI UT时 uI uO uP uO 使uO迅速由 UZ跃变为 UZuI UT时 uI uO uP uO 使uO迅速由 UZ跃变为 UZ uI从小到大的情况 uI从大到小的情况 3 滞回比较器设计中的问题 加入了参考电压 两个阈值电压的差值称为门限宽度或回差电压 2R1UZ R1 R2 与UREF无关 改变滞回比较器的参考电压将使传输特性产生水平方向的移动 改变稳压管的稳定电压可使传输特性产生垂直方向的移动 例8 2 2 已知输入波形和电压传输特性 分析输出电压的波形 波形图 UZ 9V 窗口比较器 参考电压UREF1 UREF2 若uI低于UREF2 运放A1输出低电平 A2输出高电平 二极管VD1截止 VD2导通 输出电压uO为高电平 若uI高于UREF1 运放A1输出高电平 A2输出低电平 二极管VD2截止 VD1导通 输出电压uO为高电平 图窗口比较器 a 前面的比较器在输入电压单一方向变化时 输出电压只跃变一次 因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间 当uI高于UREF2而低于UREF1时 运放A1 A2均输出低电平 二极管VD1 VD2均截止 输出电压uO为低电平 上门限电平UTH UREF1 下门限电平UTL UREF2 UTH UTL 综上所述 双限比较器在输入信号uIUREF1时 输出为高电平 而当UREF2 uI UREF1时 输出为低电平