電工與電子技術第三章 集成運算放大器及其應用.ppt

第三章集成運算放大器及其應用 第一節(jié)直接耦合放大器第二節(jié)差動放大電路第三節(jié)集成放大器簡介第四節(jié)集成運放在信號運算電路中的應用第五節(jié)放大電路中的負反饋第六節(jié)集成運放在信號處理方面的應用 作業(yè) 返回 第一節(jié)直接耦合放大器 級與級之間不經電抗元件而直接連接的方式 稱為直接耦合 UCC 零點漂移 當輸入信號為零時 輸出端電壓偏離原來的起始電壓緩慢地無規(guī)則的上下漂動 這種現(xiàn)象叫零點漂移 產生原因 溫度變化 電源電壓的波動 電路元件參數(shù)的變化等等 第一級產生的零漂對放大電路影響最大 各級工作點相互影響適于放大直流或變化緩慢的信號電壓放大倍數(shù)為各級放大倍數(shù)之積零點漂移 第二節(jié)差動放大電路 基本差動放大電路典型差動放大電路具有恒流源的差動放大電路差動放大電路的輸入輸出方式 一 基本差動放大電路 電路由兩個特性完全相同的基本放大電路組成 1 抑制零點漂移的原理 靜態(tài)時 Ui1 Ui2 0 由于電路對稱 RC RC RB1 RB1 ui1 ui2 RB2 RB2 ui UCC uo V1V2 溫度上升 引起兩邊電流變化 由于電路對稱 零漂被抑制 2 動態(tài)工作原理 差模信號 極性相反 幅值相同的信號 ui1 ui2共模信號 極性相同 幅值相同的信號 ui1 ui2 差模輸入 信號 共模輸入 干擾信號 差動放大電路對差模信號有放大作用 對共模信號有抑制作用 共模 差模同時輸入 若電路完全對稱 AC 0 只有差模信號輸出 若電路不完全對稱 AC 0 既有差模信號又有共模信號輸出 二 典型差動放大電路 加入射極公共電阻RE 共模反饋電阻 可以克服電路不完全對稱引起的零漂 負電源EE的作用是補償RE上的電壓降 從而保證兩管有合適的靜態(tài)工作點 RC RC RB1 RB1 RP RE EE UCC ui1 ui2 ui uo V1V2 To IC1 IC2 IE UE UBE1 UBE2 IB1 IB2 IC1 IC2 RE能夠抑制零漂 共模信號 對差模信號無影響 且RE越大 抑制作用越強 但EE也需增大 RP為調零電阻 用來調節(jié)平衡 一般取值不大 KCMR是衡量放大信號的能力的技術指標 Ad 差模放大倍數(shù) AC 共模放大倍數(shù) KCMR越大 抑制共模信號越強 共模抑制比 KCMR RL RC RL 2 接入負載電阻RL 電路分析 靜態(tài)時流過RE電流 IE1 IE2 2IE 動態(tài)時 由于RE對差模信號無影響 忽略RP的影響 KCMR是衡量放大信號的能力的技術指標 Ad 差模放大倍數(shù) AC 共模放大倍數(shù) KCMR越大 抑制共模信號越強 共模抑制比 KCMR 差模輸入電阻 rid 2 RB1 rbe 忽略RP 輸出電阻 rO 2RC 三 具有恒流源的差動放大電路 RC RC RB1 RB1 RP UCC uo V1V2 UEE R R R1 R2 RE3 V3 ui R1 R2提供穩(wěn)定的iB 晶體管工作在放大區(qū)時 iC近似恒定 rCE ui1 ui2 V3 RE3 R1 R2組成具有恒流源特性的電路 電路采用恒流源代替RE 其等效電阻大 抑制共模信號 零漂能力強 又不需要過大的負電源UEE 四 差動放大電路的輸入輸出方式 雙端輸入 雙端輸出的差動電路 RB1 單端輸出只取自一個管子的集電極變量 依對稱性 rO RC 第三節(jié)集成放大器簡介 集成運算放大器的特點集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的主要技術指標集成運算放大器的理想化模型集成運算放大器的電壓傳輸特性及其分析特點 一 集成運算放大器的特點 集成電路 將整個電路中的元器件制作在一塊硅基片上 構成完整的能完成特定功能的電子電路 運算放大器 具有高放大倍數(shù) 高輸入電阻 低輸出電阻的直接耦合放大器 二 集成運算放大器的簡單介紹 1 集成運放的組成 抑制零漂 共模抑制比高 低輸出電阻 多采用射隨器 放大作用的主要單元 提供各級靜態(tài)電流 2 集成運放的管腳圖及符號 F007管腳圖 符號 A 反相輸入端B 同相輸入端F 輸出端 信號從反相輸入端輸入時 輸出與輸入相位相反 信號從同相輸入端輸入時 輸出與輸入相位相同 三 集成運算放大器的主要技術指標 1 輸入失調電壓UiO當無輸入信號時 為使輸出的電壓值為零 在輸入端加入的補償電壓 其值越小越好 0 5 5mV 2 輸入失調電流IiO輸入電壓為零時 流入放大器兩個輸入端的靜態(tài)基極電流之差 IiO IB1 IB2其值越小越好 1nA 10nA 3 開環(huán)差模放大倍數(shù)Auo運放在開環(huán)時的差模放大倍數(shù)其值越高越好 104 107 5 最大輸出電壓Uopp輸出不失真的最大輸出電壓值6 共模抑制比KCMR 常用集成運放芯片 四 集成運算放大器的理想化模型 實際運放 AO很高 104ri很高 幾十 幾百K rO很低 幾十 幾百 KCMR很高 理想運放 AO ri rO 0KCMR 五 集成運算放大器的電壓傳輸特性及其分析特點 運算放大器的電壓傳輸特性 集成運放的輸出電壓uO與輸入電壓ui u u 之間的關系uO f ui 稱為集成運放的電壓傳輸特性 uO AOui AO u u 線性區(qū) 引入深度負反饋 可以使運放工作在線性區(qū) 開環(huán)系統(tǒng) 不加反饋網(wǎng)絡時的電路系統(tǒng) 此時的放大倍數(shù)叫開環(huán)放大倍數(shù) 理想運放的電壓傳輸特性 ui 0 uO UOM即u u 時 運放處于非線性區(qū) 閉環(huán)系統(tǒng) 加上反饋網(wǎng)絡時的電路系統(tǒng) 此時的放大倍數(shù)叫閉環(huán)放大倍數(shù) 運算放大器的分析特點 1 線性區(qū) 集成運放兩個輸入端之間的電壓通常非常接近于零 但不是短路 故簡稱為 虛短 虛短 uO AO u u AO u u uo AO 0 u u 當u 0 接地 u u 0稱此時的反相輸入端為 虛地點 反之 也成立 虛斷 流入集成運放兩個輸入端的電流通常為零 但又不是斷路故簡稱為 虛斷 ri I I 0 2 非線性區(qū) 在非線性區(qū) 虛短概念不成立 但虛斷概念成立 u I uo AOUi u I 例 利用理想運放組成的二極管檢測電路 求出流過D的電流iD及D兩端的電壓uD 解 虛地點 第四節(jié)集成運放在信號運算電路中的應用 分析線性區(qū)理想運放的兩個概念基本運算電路 一 分析線性區(qū)理想運放的兩個概念 虛短 u u I I 0 虛斷 二 基本運算電路 比例電路 1 反相比例電路 i 0 虛斷 u 0u u 0 虛地點 i1 ui R1if u uo uo Rf i i 0 i1 if 即ui R1 uo Rf uo ui符合比例關系 負號表示輸出輸入電壓變化方向相反 電路中引入深度負反饋 閉環(huán)放大倍數(shù)Auf與運放的Au無關 僅與R1 Rf有關 R2 平衡電阻同相端與地的等效電阻 其作用是保持輸入級電路的對稱性 以保持電路的靜態(tài)平衡 R2 R1 Rf 當R1 Rf時 uo ui 該電路稱為反相器 2 同相比例電路 uo ui R2 R1 Rf i 0 虛斷 u uiu u ui 虛短 i1 0 ui R1if u uo Rf ui uo Rf i i 0 i1 if 當Rf 有限值時 R1 R2 平衡電阻R2 R1 Rf Auf 1 電路成為電壓跟隨器 uo ui此電路輸入電阻大 輸出電阻小 例 應用運放來測量電阻的電路如圖 U 10V R1 1M 輸出端接電壓表 被測電阻為Rx 試找出Rx與電壓表讀數(shù)uo之間的關系 解 此電路為反相比例電路 例 理想化運放組成的電路如圖 試推算輸出電壓uo的表達式 uo ui R1 R3 R2 R4 u 解 此電路為同相比例電路 判斷這個等式 啊 見鬼了 哈 verygood 例 圖示電路為T型反饋網(wǎng)絡的反相比例電路 試推算輸出輸入之間的關系 u u 0 虛地點 i i 0 i1 i2 ui R1 解 此電路只在要求放大倍數(shù)較大 輸入電阻較高和避免阻值過高時才采用 加法運算電路 uo ui2 if i2 R2 RP Rf 在調節(jié)某一路信號的輸入電阻的阻值時 不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關系 調節(jié)方便 求和電路也可從同相端輸入 但同相求和電路的共模輸入電壓較高 且不如反相求和電路調節(jié)方便 減法運算電路 差動運算電路 uo ui2 if i1 R1 R2 Rf R3 利用疊加原理 同相端輸入 反相端輸入 當R1 R2 R3 Rf R時 uo ui2 ui1 減法器 R2 R3 R1 Rf 例 用運放組成的直流毫伏表電路如圖所示 設表的內阻可忽略 試求IO與VS的關系 解 電路實為反相比例電路 R VO VS I1 I2 虛斷 IO I I2 VO R VS R1 I VO R I1 I2 VS R1 VS 1 R 1 R1 例 已知RF 4R1 求u0與ui1 ui2的關系式 解 A1為跟隨器 A2為差放 uo ui1 uo 5ui2 4ui1 例 如圖 求uo與ui1 ui2的關系式 解 A1為反向加法器 A2為反相比例電路 例 如圖 求uo A1 反相比例A2 同相比例A3 差動輸入 解 積分電路 uo ui iC i1 R RP C uo正比于ui的積分 延遲 積分電路的應用 信號延遲時間T后 電壓值達到U 方波轉化為三角波 微分電路 iR uo正比于ui的微分 例 電路如圖 已知運放 UOMAX 10V 輸入信號波形如圖 R 1M C 0 05 F 求輸出波形 電容初始能量為零 ui v t s 1 1 RC 1 106 0 05 10 6 0 05S u0 UOMAX 10 20t t 0 5S 解 例 電路如圖所示 已知R1 R2 10K C 0 1 F 集成運放 UOmax 18V 求 試導出uo與u1 u2關系式 已知u1 u2波形 試畫出uo波形 t 10ms 15Vt 20msu0 10V 例 已知運放 UOMAX 15V試求圖中uo1 uo2 uo3及開關S閉合0 2s后uo的值 解 輸出電壓超出UOMAX uo 15V 第五節(jié)放大電路中的負反饋 反饋的基本概念負反饋對放大器性能的影響 一 反饋的基本概念 正反饋 輸入量不變 輸出量由于加反饋而變大 負反饋 輸入量不變 輸出量由于加反饋而變小 反饋 指將輸出量的一部分或全部按一定方式送回到輸入回路來影響輸入量的一種連接方式 負反饋的分類 電壓負反饋 反饋信號取自輸出電壓 反饋信號與輸出電壓成比例 電流負反饋 反饋信號取自輸出電流 反饋信號與輸出電流成比例 串聯(lián)負反饋 反饋信號與輸入信號以串聯(lián)的形式作用與輸入端 并聯(lián)負反饋 反饋信號與輸入信號以并聯(lián)的形式作用與輸入端 串聯(lián) 電流 負反饋 電壓 并聯(lián) 二 負反饋對放大器性能的影響 電壓放大倍數(shù)被降低 電路加入負反饋 使凈輸入信號減小 等于削弱了輸入信號 使得放大倍數(shù)減小 增加放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 電路加入負反饋 放大倍數(shù)被降低的同時 也使由于溫度 負載 元器件等條件變化而引起的放大倍數(shù)的變化大大減小 放大倍數(shù)的穩(wěn)定性得到提高 擴展通頻帶 BO BF 電路加入負反饋 通頻帶由BO加寬到BF 減小非線性失真 電路加入負反饋 使凈輸入信號減小 iC減小 改善了非線性失真 串聯(lián)負反饋增加輸入電阻 并聯(lián)負反饋減小輸入電阻 電壓反饋能穩(wěn)定輸出電壓 減小輸出電阻 電流反饋能穩(wěn)定輸出電流 增加輸出電阻 抑制干擾和噪聲 加入負反饋的電路 以降低放大倍數(shù)為代價 換來了放大器諸多方面性能的改善 第六節(jié)集成運放在信號處理方面的應用 電壓比較器 運放的非線性應用非線性應用電路具有兩種類型 一類是運放本身工作在非線性狀態(tài) 如開環(huán)或正反饋狀態(tài) 另一類是運放本身工作在線性狀態(tài) 由外部電路中引入了非線性元件 使輸出與輸入不再是線性關系 一 電壓比較器 過零比較器 比較器是一種用來比較輸入信號Ui和參考電壓UR的電路 u u 時 即ui 0 uO UOM ui0負飽和uO UOM UOM UOM 若ui為正弦波 UOM UOM u0為方波 關于UOM 飽和電壓UOM UCC 任意電平比較器 限幅措施 ui R RP uo UZ ui0負飽和uO UZ UD uiUR負飽和uO UZ UZ UZ UR 常用集成比較器 LM311電壓比較器 比較器的特點及分析方法 比較器中運放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài) 輸入與輸出之間成非線性關系 因此虛短等深度負反饋概念不再適用 僅在判斷臨界狀態(tài)時才適用 uT UR 臨界電壓 可稱為門檻電平ui UT時 u u uo 0在ui UT和ui UT兩種不同情況下 比較器輸出兩個不同的電平 高 低 當ui變化經過UR時 輸出發(fā)生躍變 比較器的分析應從輸出跳變時所對應的輸入電壓值 即閥值電壓值 來分析輸入輸出之間的關系 例 比較器電路如圖 試畫出電路傳輸特性曲線 穩(wěn)壓管正向導通電壓0 7V ui3V正飽和uO 4 7 4 7 4 7 3 例 電壓比較器電路如圖