第6部分集成运算放大器.ppt

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1、第 6 章 集成运算放大器,太原理工大学电工基础教学部,第6章 集成运算放大器,6.1 集成运算放大器简介,6.2放大电路中的反馈,6.4集成运放的非线性应用,6.3集成运放的线性应用,6.5正弦波发生器,第6章 集成运算放大器,1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。 2. 理解运算放大器的电压传输特性，掌握理想运算 放大器的基本分析方法。 理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的 影响。 4. 理解用集成运放组成的基本运算电路的工作原理， 5. 理解电压比较器的工作原理和应用。 6.了解振荡电路自激振荡的条件和RC振荡电路的工 作原理。,本章要求:,6.1 集成运算放大器简介,6.

2、1.1集成运放的结构和符号,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,输入级,中间级,输出级,同相 输入端,输出端,反相 输入端,中间级： 多采用共射放大电路；电压放大倍数高。,输出级：一般采用射极输出器或互补对称电路；输出电阻小，带负载能力强。,偏置电路：给各级电路提供稳定和合适的静态工作点,1.结构,输入级： 采用差动放大器，有同相输入和反相两个 输入端；输入电阻大；抗干扰能力强。,2. 特点,电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差一致，温度均一性好。,电阻元件的阻值范围在10030k ，且精度低。大电阻用晶体管恒流源代替或采用

3、外接。,电容元件为200PF以下的小电容。大电容一般采用外接。,二极管一般用三极管的发射结构成。,高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,Auo 高: 80dB140dB; rid 高: 105 1011 ro 低: 几十 几百; KCMR高: 70dB130dB,集成运放的常用符号,3. 符号,uo, 输出端,u-, 反相输入端；,u+, 同相输入端；,uo与u- 反相,uo与u+ 同相,LM741,6.1.2 集成运放的主要技术指标,1.开环差模电压放大倍数Aod,一般约为80 140 dB，即104107 倍。,无外加反馈的情况下的差模电压放大倍数（增益）。通常用分贝（dB)表示。,2. 共模

4、抑制比KCMR,一般KCMR 的值为80dB 以上，越大越好。,衡量差动管向输入信号索取电流大小的标志。,3. 差模输入电阻rid,一般rid的值为2M 以上，越大越好(高达106M) 。,4. 开环输出电阻ro,反映集成运放的带负载能力,一般ro为几百 ，性能较高的集成运放的ro可小于100 。,UIO是为了使输出电压为0，在输入端加的补偿电压。反映了运放输入端两管的对称度。,5. 输入失调电压UIO,一般UIO 的值为1V 20mV ，越小越好。,7. 最大输出电压Uopp F007为12V13V，略低于 UCC,两个输入端静态电流IB1、IB2之差。,6. 输入失调电流IIO,一般IIO

5、 的值为1nA 0.1 A，越小越好。,运放选择与使用的注意事项：,尽量选择通用的运放,学会辨认管脚,搞清主要参数UCC、ri、ro、Io等,搞清是否需要加直流偏置,搞清是否需要加调零电路及输入、输出的保护电路。,6.1.3 集成运放的电压传输特性与理想化模型,1.理想运算放大器的条件和符号,开环差模输入电阻rid ,共模抑制比KCMR ,开环输出电阻ro 0,开环差模电压放大倍数Aod ,理想运算放大器的符号,2. 电压传输特性,实际特性,理想特性,负反馈特性, 线性区（放大区）,非线性区（饱和区）,线性区内,Ao，线性区间太窄,使用时必须加深度负反馈,使Ao降低，增宽线性区间,输出两种状态

6、,u+ u-时， uo = +UOM,u+ u-时， uo = - UOM,UOM =（1213）V,6.2 放大电路中的反馈,反馈将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部反送到输入端，控制输入信号。这一过程称为反馈。,正反馈反馈信号使净输入信号增大，放大倍数升高，称为正反馈。,6.2.1 反馈的基本概念,1 .什么是 反馈,负反馈反馈信号使净输入信号减小，放大倍数降低，称为负反馈。,实际放大电路中，总要引入反馈，以改善电路的性能,2. 反馈的框图表示, 开环系统（无反馈系统）,净输入信号：,开环放大倍数：, 闭环系统（有反馈系统）,开环放大倍数：,反馈系数：,净输入信号：,闭环放大倍数：

7、,其中：,净输入信号,3. 反馈深度分析,称为深度负反馈,4. 反馈的类型, 电压反馈和电流反馈,电压、电流看输出,故称为电压反馈,故称为电流反馈,从输出看，反馈量取自输出电压，并与之成比例，为电压反馈；反馈量取自输出电流，并与之成比例，为电流反馈。,判别电压、电流反馈的方法：短接输出法,将输出端短接，反馈信号消失，称为电压反馈,将输出端短接，反馈信号仍存在，称为电流反馈, 串联反馈和并联反馈,串联、并联看输入,故称为串联反馈,故称为并联反馈,判别串联、并联反馈的方法：短接输入法,将输入端短接，反馈信号消失，称为并联反馈,将输入端短接，反馈信号仍存在，称为串联反馈, 反馈的类型,电压串联负反馈

8、,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,6.2.2 反馈类型的判别,1. 判别有无反馈找反馈元件,(a),(c),(d),(b),(e),(f),2. 判别正、负反馈,瞬时极性法：,标出反馈元件所接的输入端和输出端的瞬时极性，找出反馈信号，列出净输入信号的表达式进行判别，若净输入信号减弱为负反馈，若净输入信号增强为正反馈。,ui,uo,RL,R2,R1,RF,(a),if,ii,id,ud,uf,if,ii,id,ud,uf,在单级运算放大器中，将反馈信号接到反相输入端为负反馈,3. 判别电压、电流反馈,电压、电流看输出,反馈信号与输出电压从输出同一端引出时，为电压反馈。,（同出为压

9、）,反馈信号与输出电压不是从输出同一端引出时，为电流反馈。,（异出为流）,RL不是直接接地,RL不是直接接地,4. 判别串联、并联反馈,串联、并联看输入,反馈信号与输入电压从输入同一端引入时，为并联反馈。,（同入为并）,反馈信号与输入电压不是从输入同一端引入时，为串联反馈。,（异入为串）,电压并联负反馈,电压串联负反馈,电流并联负反馈,电流串联负反馈,ube,uf,异出为流,异入为串,电流串联负反馈,ic,uf,ube= ui-uf,ib,ic,可见，电流负反馈稳定输出电流,（流稳流）,ic,ib,uf,ube,同出为压,异入为串,电压串联负反馈,if,ii,ib,同出为压,同入为并,电压并联

10、负反馈,uo,if,ib =ii - if,uo,可见电压负反馈，稳定输出电压,ic,（压稳压）,ic,如：Rf 只对交流起反馈作用，,5. 交流反馈与直流反馈,在反馈支路中串入隔直电容，为交流反馈。,在反馈支路两端并联旁路电容，为直流反馈。,如：RE2只有直流反馈。起稳定静态工作点的作用。,反馈支路无电容时即有交流反馈也有直流反馈。如：RE1,为电压串联负反馈,为电流串联负反馈,为电流串联负反馈,例1：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反馈；,因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和

11、同相输入端上，所以是串联反馈； 因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈。,串联电压负反馈,先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,ud,例2：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是电流反馈；,因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈;,因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。,并联电流负反馈,运算放大器电路反馈类型的判别方法：,1. 反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈； 从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈； 2. 输

12、入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈； 3. 对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈； 4. 对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，是负反馈；否则是正反馈。,同出为压,异出为流,异入为串,同入为并,6.2.3 负反馈对放大电路性能的影响,1. 降低放大倍数,2. 提高放大倍数的稳定性,用相对变化率判稳,负反馈时,或者,3. 改善非线性失真,有负反馈时的波形,4. 展宽通频带,在BW内， |AXO |高，反馈强，使|AXf |下降多，在BW外， |AXO |低，反馈弱，使

13、|AXf |下降少，这样使特性曲线的两端较平缓，所以通频带展宽。,5. 改变输入电阻和输出电阻, 对输入电阻 ri 的影响,串联反馈使放大电路的输入电阻ri增大；,深度负反馈：,并联反馈使放大电路的输入电阻 ri 减小。,深度负反馈：, 对输出电阻 ro 的影响,电压负反馈稳定输出电压，使输出电阻ro减小；,A 为负载开路时的源电压放大倍数。,深度负反馈：,电流负反馈稳定输出电流，使输出电阻ro增大。,A 为负载短路时的源电压放大倍数。,深度负反馈：,6.2.4 放大电路引入负反馈的一般原则,1. 欲稳定某个量，则引该量的负反馈,稳定直流，,引直流反馈；,稳定交流，,引交流反馈；,稳定输出电压

14、，,引电压反馈；,稳定输出电流，,引电流反馈。,2. 根据对输入、输出电阻的要求选择反馈类型,欲提高输入电阻，,采用串联反馈；,欲降低输入电阻，,采用并联反馈；,要求高内阻输出，,采用电流反馈；,要求低内阻输出，,采用电压反馈。,3、为使反馈效果强，根据信号源及负载确定反馈类型,信号源为恒压源，,采用串联反馈；,信号源为恒流源，,采用并联反馈；,要求负载能力强，,采用电压反馈；,要求恒流源输出，,采用电流反馈。,填空：,直流负反馈,交流负反馈,交流正反馈,直流负反馈,交流负反馈,交流负反馈,(2) 如希望减小放大电路从信号源索取的电流，则可采用 ；如希望取得较强的反馈作用而信号源内阻很大，则宜

15、采用 ；如希望负载变化时输出电流稳定，则应引入 ；如希望输出电压稳定，则应引入 。,串联负反馈,并联负反馈,电流负反馈,电压负反馈,如果需要实现下列要求，在交流放大电路中应引入哪种类型的负反馈？,(1)要求输出电压Uo 基本稳定，并能提高输入电阻。,(2)要求输出电流 Io 基本稳定，并能减小输入电阻。,(3)要求输出电流 Io 基本稳定，并能提高输入电阻。,答：电压串联负反馈,答：电流并联负反馈,答：电流串联负反馈,6.3 集成运放的线性应用,6.3.1 理想运放线性应用的分析依据,1. 净输入端的电流近似为零,由rid ,i = i+ = 0,入端电流为零“虚断”,2. 净输入端的电位近似

16、相等,由Aod ,u = u+,入端电位相等“虚短”,6.3 .2 比例运算电路,1. 反相比例运算器,输入电阻：,反馈类型：,电压并联负反馈,平衡电阻：,R2=R1/RF,共模电压：,2. 同相比例运算器,输入电阻：,反馈类型：,电压串联负反馈,平衡电阻：,R2=R1/RF；,共模电压：,1. 反相加法运算器,6.3 .3 加、减运算电路,2. 同相加法运算器,3. 减法运算器,解得：,1. 积分运算器, 输入方波，输出是三角波,6.3 .4 积分、微分运算电路,如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出 将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,积分时限,2. 微分运算器,u-=

17、 u+= 0,解得：,3.比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,if,6.3.5 测量放大电路,uo1,uo2,求图示电路的uo与ui 的运算关系。,求图示电路的uo与ui1 和ui2的运算关系。,作业：184页,6-9 6-13 6-14 6-16,6.3.5 有源滤波器,1. 滤波电路的分类:,按信号分类: 模拟滤波器和数字滤波器,按功能分类:,按元件分类: 无源滤波器和有源滤波器,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,传递函数：,幅频特性,相频特性,其中

18、：,2. 一阶低通滤波器,截止频率：,无源滤波器, 一阶有源低通滤波器,电路为电压串联负反馈,输入电阻大，减轻信号源负担，有隔离作用。,输出电阻小，具有较强的带负载能力。,幅频特性：,有放大作用， 带负载能力强。,截止频率：,为了改善滤波效果可采用二阶有源低通滤波器,3.一阶有源高通滤波器,幅频特性：,截止频率：,4. 带通与带阻滤波器, 带通滤波器,低通的截止频率大于高通的截止频率, 带阻滤波器,模拟开关,模拟输入信号,1. 电路,6.3.6 采样保持电路,采样保持电路，多用于模 - 数转换电路（A/D）之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，

19、并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储 电容,控制信号,电压跟随器,2. 工作原理,采样阶段： uG为高电平， S 闭合(场效应管导通)， ui对存储电容C充电， uo= uC = ui 。,保持阶段： uG为 0， S 断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,6.4 集成运放的非线性应用,运放处于开环状态或正反馈状态，工作在非线性区（饱和区）。,运放的输出有两种状态：,u+ u-时，uo = +UOM（高电平）,u+ u-时，uo = - UOM （低电平）,6

20、.4.1 理想运放非线性应用的分析依据,6.4.2 电压比较器,1. 过零电压比较器,(2)电压传输特性,uo= f( ui ),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。,UR=0,(2)电压传输特性,UR=0,2. 任意电压比较器,(2)电压传输特性,DZ 为限幅电路,UR,3.窗口比较器,uo,uO1,uO2,设 U1 U2 ，比较器采用单电源,UOmax,截止 导通,UZ,0,UOmax,0,导通 截止,UZ,0,0,截止 截止,0,UZ,U1,U2,三极管 值分选电路，分析电路是否满足要求：,3CG, 100，LED 亮， 50 100，LED 不亮

21、。,LED,解,IB = (15 - 0.7 ) /1430,= 0.01 mA,当 50 时，IC 0.5 mA，UC 2.5 V，D2 导通，LED 亮,当 100 时，IC 1 mA，UC 5 V，D1 导通，LED 亮,当 50 100 时，2.5 V UC 5 V， LED 不亮,3. 迟滞比较器, 电路组成,R1、R2引入了正反馈, 门限电压,R3、DZ为限幅电路, 传输特性,具有参考电压的迟滞电压比较器,解：对图（1） 上门限电压,下门限电压,例：电路如图所示，Uo(sat) =6V，UR = 5V， RF = 20k，R2 =10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,解：对图

22、（2）,例：电路如图所示，Uo(sat) =6V，UR = 5V， RF = 20k，R2 =10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,（1）,（2）,运放在波形产生方面的应用,波形发生器的作用： 产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。 特点：不用外接输入信号，即有输出信号。,迟滞电压比较器,6.4.2 方波发生器,2. 门限电压UT,1.电路组成,RC积分电路,（开关电路）,（定时电路）,3. 工作原理,设t = 0时， uo= + UZ,C充电， uC ,当uC uTH时，uo=UZ,C放电， uC ,当uC uTL时，uo=+UZ,T = T1+T2,4. 周期

23、与频率,电容充放电过程，uC 的响应规律为,t3,t2,t1,在充电过程中,在放电过程中,矩形波的周期,矩形波的频率,充放电时间常数相同： = RC,矩形波常用于数字电路中作为信号源,占空比 q= 50%,*6.4.3 压控方波产生电路,1、积分 - 施密特触发器型压控振荡器,压控 恒流源,积分器,镜象 电流源,uO = UOL,T3 截止，,uO = UOH,C 充电至 UT+,T3 导通，,C 放电至 UT-,uO = UOL,占空比 50%,2、8038 集成函数发生器, I01, 原理,当 Q = 0，S 断开，,C 充电 (I01) 至 2/3VCC,Q = 1,当 Q = 1，S

24、闭合，,C 放电 (I02 -I01) 至 1/3VCC,Q = 0,当 I02 = 2I01， 引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；,当 I02 2I01， 引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。, 应用,正弦波失真度调整,正弦波失真度调整,正弦波输出,三角波输出,矩形波输出,调频偏置电压输入,调频偏置电压输出,接电阻 RA,接电阻 RB,接电容 C,+VCC,-VEE (或地GND),调占空比和正弦波失真,A1：滞回比较器 因 u = 0 ， 所以当 u+ = 0 时， A1状态改变,6.4.4 三角波发生器,1. 电路结构,A2：反相积分电路,方波,积分电路,三角波,2. 工

25、作原理,A1：滞回比较器 因 u- = 0 ，所以当 u+ = 0时，A1状态改变,输出 uo1 改变(+UZ 跃变到UZ 或 UZ 跃变到 +UZ)，,当,同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。,3. 工作波形,4. 周期与频率,T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2,(1) 改变比较器的输出 uo1、电阻R1 、R2 即可改变三角波的幅值。 (2) 改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。,6.4.5 锯齿波发生器,1. 电路,三角波发生器,在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其 输出锯齿波。,2. 波形,锯齿波发生器,作业：198页,6-19 6

26、-20,6.5 正弦波发生器,6.5 .1自激振荡,1. 从放大器到振荡器,2. 自激振荡的条件,3. 自激振荡的建立和稳定,在接通电源时，输入端产生一扰动信号（起始信号）为非正弦量，含有一系列频率不同的正弦分量(含所需fo),起振条件,1/Fu,Au = 1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅,4. 正弦波振荡器的组成,实现单一 频率的振荡,振荡稳定、波形好,6.5.2 RC振荡电路,1. 电路的组成,放大：运算放大器,反馈：,RF R1 为电压串联负反馈，,用于改善电路性能。,RC并联取正反馈电压ui。,选频：,RC串并联选频网络，确定fo,稳幅：,RF为热敏电阻有幅稳作用。,RF R1的负反馈还具有限幅稳作用。,2. 选频网络分析,当电阻 R 相等，电容 C 相同时，,若ui与uo同 相，则：,调R或调C 可以调节频率fo,3. 振荡的条件,文氏桥式的含义：,第 6 章 结束,