电工电子技术课程集成运算放大器及其应用.ppt

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1、电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,1,集成运算放大器 及其应用,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,2,本章教学基本要求,了解集成运算放大器的基本组成。 理解运算放大器的电压传输特性，了解其主要参数的意义。 掌握理想运算放大器的表示符号和基本分析方法。 理解用运放组成的比例、加减、微分、积分运算电路的工作原理。了解有源滤波电路的工作原理。 理解电压比较器的工作原理及应用。 本章讲授学时: 4学时 自学学时: 20学时,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,3,主要内容,集成运算放大器简介 理想集成运算放大器 集成运放的应用 本章小结,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,4,集成

2、运算放大器简介,概述 集成运算放大器的组成 集成运算放大器的特点 集成运算放大器的主要参数,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,5,概述,集成运放实质上是一种双端输入、单端输出的具有高电压放大倍数，高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合放大器。,1. 集成电路的外形： 国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,6,概述,CF741接线如图所示，双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。,2. 集成运放的管脚顺序及功能,CF741外接线图,接正电源(+9+18)V,接负电源（-9-18）V,为同相输入端（输出信

3、号与输入信号同相位）,为反相输入端（输出信号与输入信号反相位）,为空脚,为输出端,脚1、4、5外接调零电位器,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,7,2反相输入端,6输出端,3同相输入端,7正电源端,4负电源端,8闲置端（NC）,1、5接调零电位器,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,8,概述,集成电路构成: 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,集成电路内部结构的特点： 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

4、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。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,9,集成运算放大器的组成,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。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,10,采用直接耦合的方式：集成化，放大缓变信号和直流信号,输入级：由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。 中间级：共射放大电路。用于电压放大。 输出级：互补对称电路。降低输出电阻，提

5、高带载能力 偏置电路：恒流源电路构成。确定运放各级静态工作点,集成运算放大器的组成,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,11,集成运算放大器的组成,UEE,u+,uo,u,反相 输入端,同相 输入端,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,12,集成运算放大器的组成-内部结构,第4级：互补对称射极跟随器,第3级：单管放大器,+,极 性 判 断,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,13,集成运算放大器的特点,为满足运算精度的要求，理想集成运算放大器的开环电压放大倍数的数值很大。零点漂移小。 差模输入电阻很高，一般在1051011范围，如果用

6、MOS集成电路，输入级的输入电阻高达1011以上。 输出电阻很低，一般输出级都采用互补对称电路作为输出级，所以，输出电阻一般在几十欧到几百欧,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,14,集成运算放大器的特点,运放符号：,国际符号,国内符号,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,15,集成运算放大器的特点,运算放大器的传输特性,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,16,集成运算放大器的主要参数,1. 开环差模电压放大倍数Auo,希望Auo越大越好。,2. 最大输出电压UoPP,在一定电源电压下，集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的输出电压的峰值称为最大输出电压。其值比电源电压小。如

7、电源电压为15V，该值为10V左右。,3. 最大差模输入电压Uidmax,Uidmax是指集成运放的反向输入端和同向输入端之间所能承受的最大电压。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,17,集成运算放大器的主要参数,4. 最大共模输入电压Uicmax,Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，超过这个值，集成运放的共模抑制比将明显下降，甚至造成器件损坏。,5. 差模输入电阻rid,rid是指集成运放两个输入端之间的电阻值。rid越大越好，它标志集成运放输入端向差模信号源索取信号电流的能力大小。,6. 输出电阻ro,ro是指集成运放输出级的输出电阻。它反应了运放的带负载能力。,7.

8、 共模抑制比KCMRR,KCMRR是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数与共模输入电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称程度。 KCMMR越大，运放的共模抑制能力越强。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,18,理想集成运算放大器,理想集成运放的电路模型,（1）开环电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）开环输出电阻,（4）共模抑制比,理想集成运放的传输特性,实际特性,理想特性,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,19,理想集成运算放大器,传输特性的特点,分为线性区和非线性区，其分析方法不一样。,线性区,非线性区,非线性区,工作在线性区时,1.理想运放的两个输入端的电位相等,虚

9、短,2.理想运放的两个输入端的输入电流为零。,虚断,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,20,理想集成运算放大器,线性区： uo=Auo(u+ - u-),虚地,虚断,虚短,rid ，故 两输入端的输 入电流为零。,Auo ，uo为有限值 故 u+-u-=uo/Auo0 即 u+ u-,分析依据,当有信号输入时， 如同相端接地， 即u+=0 则u- 0,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,21,理想集成运算放大器,工作在非线性区时：,1.理想运放的两个输入端的输入电流为零。,虚断,2.输出电压有两种取值可能,只是两种状态的转换点,+Uo（sat）为正饱和值,-Uo（sat）为负饱和值；

10、,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,22,集成运放的应用,概述 运放在信号运算方面的应用 运放在信号处理方面的应用 运放应用中的反馈 集成运放的使用,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,23,概述,运算：比例、加减、积分与微分等。是线性范围内的运算，都适用叠加原理。,问题1. 如何保证运放工作在线性区 ? 因为:Auo，即当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。,解决办法是：在电路中引入深度负反馈。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,24,概述,问题2: 将反馈引到同相端还是反相端,引回到反相端,答案是：,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,25,运放

11、在信号运算方面的应用,比例运算 加法运算 减法运算 积分运算 微分运算 综合举例,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,26,比例运算,反向比例运算,1. 反相端输入； 2. Rf 引到反相输入端； 3. R2 平衡电阻，R2=R1Rf,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,27,比例运算,反馈方式电压并联负反馈,输出电阻很小！,输入电阻 ri=R1,为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,共模电压为零,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,28,比例运算,同向比例运算,输入信号从同向输入端输入,电工电子技术课程集

12、成运算放大器及其应用,29,比例运算,电压跟随器,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,30,加法运算,反向加法,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,31,加法运算,反向加法,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,32,加法运算,同向加法,此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,33,加法运算,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。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,34,加法运算,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。,电工电子技术课

13、程集成运算放大器及其应用,35,减法运算,差动输入,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,36,差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高, 这是由于反相输入造成的。,减法运算,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,37,单运放的加减运算电路,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,38,比例运算电路与加减运算电路小结,都引入电压负反馈，因此输出电压稳定、输出电阻都比较小 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。 3.同相输入的共模电压高，要求运放的CMRR大，反相输入的共模电压小。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,39,积分运算,负号表示输出与输入反向,

14、当ui为阶跃信号时,最后达到负的饱和值,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,40,积分运算,运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好，这是因为充电电流基本恒定。,控制和测量系统中常用的比例-积分调节器（PI调节器）：,可视为反相比例运算和积分运算的叠加。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,41,积分运算,积分电路的主要用途,1. 在电子开关中用于延迟。 2. 波形变换。例：将方波变为三角波。 3. A/D转换中，将电压量变为时间量。 4. 移相。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,42,微分运算,当ui为阶跃信号时，uo为尖脉冲电压输出电压与输入电压的一次微分成正比。,电

15、工电子技术课程集成运算放大器及其应用,43,微分运算,若输入：,则：,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,44,微分运算,在控制系统中使调节过程加速的比例微分调节器（PD调节器）,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,45,综合举例,例1：已知:RF=240k, R1=24k， R2=30k, R3=12k，R4=80k，求输出电压与输入电压的关系。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,46,例2：求输出电压与输入电压的关系。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,47,例3：如图所示，求输出电压的大小。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,48,例4：如图所示，求输出电压与输

16、入电压的关系。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,49,解：先求解前面运放。,虚短路：,虚开路：,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,50,解：再求解后面运放。,三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。 由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,51,小结,熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。 会用 “虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u) ”分析给定运算电路的 放大倍数。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,52,运放在信号处理方面的应用,电压比较器 有源滤波器 采样保持电路,

17、电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,53,电压比较器,电路特点,（1）UR为参考电压，加在同相输入端。输入电压ui加在反向输入端。,（3）其电压传输特性如图所示:,（2）当uiUR时,输出电压 uo=-U(sat）.,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,54,电压比较器,调节UR的大小,可以改变输出波形正负半周的宽度.如果UR=0,则构成过零比较器.,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,55,电压比较器,如果想限制输出电压的大小,可以在输出端接双向稳压管.,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,56,电压比较器,传输特性,电路的结构,（1）输出端至反向输入端之间没有反馈通路，所以

18、属于开环应用，输出电压必为高低两种电平。,（2）R2和Rf组成正反馈电路，只是为了加快电压比较器状态的翻转过程，使电压传输特性变的更陡。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,57,电压比较器,输出电压的变化总是滞后于输入电压的变化，所以叫过零滞回比较器。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,58,有源滤波器,滤波电路的分类 按信号性质分类模拟滤波器和数字滤波器 按所用元件分类无源滤波器和有源滤波器 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 按阶数分类一阶，二阶 高阶 无源滤波器的缺点 带负载能力差。2. 无放大作用。3. 特性不理想， 边沿不陡。4.两级一阶低通滤波

19、器串接时，各级互相 影响,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,59,有源滤波器,四种典型的频率特性,低通,高通,带通,带阻,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,60,有源滤波器,有源滤波器的优点 1. 不使用电感元件，体积小重量轻。2. 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。 3. 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易 调节。 有源滤波器的缺点 不宜用于高频。2. 不宜在高电压、大电流情况下 使用。3. 可靠性较差。4. 使用时需外接直流电源。,电工电子技术课程

20、集成运算放大器及其应用,61,有源低通滤波器,画出其幅频特性为,有放大作用,幅频特性与一阶无源低通滤波器类似,运放输出，带负载能力强。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,62,有源高通滤波器,工作原理,称为截止角频率,称为电路的频率特性,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,63,有源高通滤波器,工作原理,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,64,采样保持电路,当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,65,运

21、放应用中的反馈,在集成运放的线性应用中，必须加入深度负反馈才能使电路稳定运行。而且，输入与输出间的关系与运放电路本身的参数无关。所以，各种反馈都有。,电压并联负反馈,电压串联负反馈,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,66,运放应用中的反馈,电流并联负反馈,电流串联负反馈,输出电流与输出电压和负载电阻无关，所以是电流反馈。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,67,运放应用中的反馈,结论 1.反馈电路直接从输出端引出，是电压反馈；从负载电阻靠近地端引出的，是电流反馈（RL经电阻R接地）。 2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同向和反向），是串联反馈；加在同一个输入端（同向或反向）上的，是并联反馈。 3.反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,68,集成运放的使用,1.选用元件 2.消振 3.调零 4.保护 5.扩大输出电流,电工电子技术课程集成运算放大器及其应用,69,本章小结,集成运算放大器,集成运放的组成与特点,集成运放的主要参数,集成运放的理想化模型,集成运放的应用,