运放原理及典型芯片电路.ppt
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1、运算放大器及其应用,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。,各类型号集成芯片,运算放大器的特点,1. 元器件参数的一致性和对称性好; 2. 电阻的阻值受到限制,大电阻常用三极管恒流 源代替,电位器需外接; 3. 电容的容量受到限制,电感不能集成,故大电 容、电感 和变压器均需外接; 4. 二极管多用三极管的发射结代替。,一、电路的基本组成,运算放大器方框图,输入级:输入电阻高,能减小零点漂移和抑制干 扰信号,都采用带恒流源的差分放大器 。,中间级:要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。,偏置电路: 由镜像恒流源
2、等电路组成,输出级:与负载相接,要求输出电阻低,带负载 能力强,一般由互补对称电路或射极输出器构成。,集成运算放大器的管脚和符号,反相 输入端,同相 输入端,信号传 输方向,输出端,实际运放开环 电压放大倍数,(a),(b),(a) 符号;,(b)引脚,集成运放 741的电路原理图,同相输入,同相输入,输出,二、主要参数,1. 最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高,所构成的运算电路越稳定,运算精度也越高。,6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出
3、此值,运放的共模抑制性能下降,甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB,1. 开环电压放大倍数,2. 开环输入电阻,3. 开环输出电阻,4. 共模抑制比,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件,用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,三、理想运算放大器及其分析依据,在分析运算放大器的电路时,一般将它看成是理 想的运算放大器。理想化的主要条件:,线性区: uo = Auo(u+ u),非线性区: u+ u 时, uo = +Uo(sat) u+ u 时, uo
4、= Uo(sat),1.电压传输特性 uo= f (ui),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,理想运算放大器图形符号,2. 理想运放工作在线性区的特点,因为 uo = Auo(u+ u ),所以(1) 差模输入电压约等于 0 即 u+= u ,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,Auo越大,运放的 线性范围越小,必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。,O,3. 理想运放工作在饱和区的特点,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u 时, uo =
5、 + Uo(sat) u+ u 时, uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,四、运算放大器的应用,在信号运算方面的应用:对信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。 在信号处理方面的应用: 对信号进行滤波、比较等处理。 在信号发生方面的应用:用于产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等波形,1).反相比例运算,(1) 电路组成,以后如不加说明,输入、输出的另一端均为地()。,(2) 电压放大倍数,因虚短和虚断, 所以u=u+= 0,称反相输入端“虚地” 反相输入的重要特点,因虚断,i+= i = 0 ,,所以 i1 if,因要求静态时u+、 u 对地电阻相同,
6、所以平衡电阻 R2 = R1 / RF,1.运算放大器在信号运算方面的运用,例: 电路如下图所示,已知 R1= 10 k ,RF = 50 k 。 求: 1. Auf 、R2 ; 2. 若 R1不变, 要求Auf为 10, 则RF 、 R2 应为多少?,解:1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5,R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k,2. 因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k,uO,2). 同相比例运算,因
7、虚断,所以u+ = ui,(1) 电路组成,(2) 电压放大倍数,因虚短,所以 u = u+ ui , 反相输入端不“虚地”,因要求静态时u+、u对地电阻相同, 所以平衡电阻R2=R1/RF,3) 加法运算电路,a. 反相加法运算电路,平衡电阻: R2= Ri1 / Ri2 / RF,b. 同相加法运算电路,如果取 R1 = Ri1 = Ri2 = RF,4 ) 减法运算电路,如果取 R1 = R2 ,R3 = RF,如 R1 = R2 = R3 = RF,R2 / R3 = R1 / RF,常用做测量 放大电路,5) 积分运算电路,由虚短及虚断性质可得 i1 = if,if =?,当电容CF
8、的初始电压为 uC(t0) 时,则有,将比例运算和积分运算结合在一起,就组成 比例-积分运算电路。,电路的输出电压,上式表明:输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF,可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。,6) 微分运算电路,Ui,Ui,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,2. 运放在信号处理方面的应用,1) 有源滤波器,滤波器是一种选频电路。
9、它能选出有用的信号,而抑制无用的信号,使一定频率范围内的信号能顺利通过,衰减很小,而在此频率范围以外的信号不易通过,衰减很大。,无源滤波器:由电阻、电容和电感组成的滤波器。,有源滤波器:含有运算放大器的滤波器。,按频率范围的不同,滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。,a. 有源低通滤波器,当 0时,| T(j)| 衰减很快,显然,电路能使低于0的信号顺利通过,衰减很小,而使高于0的信号不易通过,衰减很大,称一 阶有源低通滤波器。,为了改善滤波效果,使 0 时信号衰减得更快些,常将两节RC滤波环节串接起来,组成二阶有源低通滤波器。,b. 有源高通滤波器,模拟开关,模拟输入信号,a.电路,2).
10、 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,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,b. 工作原理,a. 电路,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。,3) 电压比较器,电压比较器的功能: 电压比
11、较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变,由高电平变成低电平,或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。,用途: 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域,以及波形产生及变换等场合 。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,理想运放工作在饱和区的特点:,1. 输出只有两种可能 +Uo (sat) 或Uo (sat) 当 u+ u 时, uo = + Uo (sat) u+ u 时, uo = Uo (sat) 不存在 “虚短”现象 2. i+= i 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性,电压传输特性,Uo(sat),+Uo(sat),运放处于开
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- 原理 典型 芯片 电路
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