电工学-第10章集成运算放大器.ppt

1,第 10 章 集成运算放大器,10.1 集成电路,10.2 集成运算放大器的概述,10.3 反馈的基本概念,10.4 理想运算放大器,10.5 基本运算电路,10.6 电压比较器,10.7 RC 正弦波振荡电路,*10.8 有源滤波器,下一章,上一章,返回主页,大连理工大学电气工程系,2,10.1 集成电路,集成电路是20 世纪 60 年代发展起来的固体组件。它是用微电子技术将元件、导线、电路集成 在一块很小的半导体芯片上。,集成电路的发展进程： 1960 年：小规模集成电路 SSI。 1966 年：中规模集成电路 MSI。 1969 年：大规模集成电路 LSI 。 1975 年：超大规模集成电路 VLSI 。,大连理工大学电气工程系,3,集成电路分类 (1) 模拟电路 处理模拟信号的电路。 如集成功率放大器、集成运算放大器等。 (2) 数字电路 处理数字信号的电路。 如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。,集成电路芯片,大连理工大学电气工程系,4,特点： 输入级采用差分放大电路，KCMR 和 ri 很高。 中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。 输出级采用互补对称放大电路和共集放大电路， ro 很小，带负载能力很强。 直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。 体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。,10.2 集成运算放大器的概述,一、集成运算放大器的组成,输入端,输出端,集成运算放大器的组成,大连理工大学电气工程系,5,集成运算放大器的图形符号、引脚和外部接线图,运算放大器的符号,同相输入端,反相输入端,输出端,大连理工大学电气工程系,6,uO= f(uD) 线性区 uO = Ao uD = Ao ( uu) 饱和区 正饱和电压： uO =UOMUCC 负饱和电压： uO =UOMUEE,二、电压传输特性,负饱和区,正饱和区,线性区,电压传输特性,大连理工大学电气工程系,7,净输入 信号 xD,比较环节,开环放大倍数：,闭环放大倍数：,反馈系数：,10.3 反馈的基本概念,反馈示意图,大连理工大学电气工程系,8,一、反馈的分类 1. 正反馈和负反馈 正反馈: xF 与 xI 作用相同, 使 xD 增加； 负反馈: xF 与 xI 作用相反, 使 xD 减小。,2. 电流反馈和电压反馈 电流反馈：反馈信号取自输出电流，xF iO； 电压反馈：反馈信号取自输出电压，xF uO。,3. 串联反馈和并联反馈 串联反馈: xF 与 xI 以串联的形式作用于净输入端； 并联反馈: xF 与 xI 以并联的形式作用于净输入端。,大连理工大学电气工程系,9,*二、反馈的判断 1. 正反馈和负反馈,判断方法：瞬时极性法。, uF , uD ,正反馈,负反馈,大连理工大学电气工程系,10,2. 电流反馈和电压反馈,输出端短路法: 令RL= 0，此时 uO=0， 若 xF = 0 则为电压反馈，否则为电流反馈。,输出端开路法: 令RL=，此时 iO=0， 若 xF = 0 则为电流反馈，否则为电压反馈。, uF , uD ,判断方法,电压反馈,电流反馈,大连理工大学电气工程系,11,3. 串联反馈和并联反馈,串联反馈在输入端是以电压的形式出现的； 并联反馈在输入端是以电流的形式出现的。,判断方法,并联反馈,串联反馈,大连理工大学电气工程系,12,三、负反馈对放大电路性能的影响,XD = XIXF,当|F |Ao |1， 称为深度负反馈,| Af | | Ao |,反馈示意图,大连理工大学电气工程系,13,1. 提高了电压放大倍数的稳定性,故电压放大倍数的稳定性提高了。,1,若为深度负反馈, | F | Ao | 1,大连理工大学电气工程系,14,例 10.2.1 某放大电路的 | Ao | =1 000，由于某一原因, 使其变化率为 ，若电路的反馈系数 | F | = 0.009，则闭环电压放大倍数的变化率？,= 2%,解,大连理工大学电气工程系,15,2. 加宽了通频带,未加入反馈后,加入反馈后,加宽通频带,大连理工大学电气工程系,16,电压负反馈稳定输出电压。 电流负反馈稳定输出电流。,4. 稳定了输出电压或输出电流,3. 改善非线性失真,无负反馈时,有负反馈时,改善非线性失真,大连理工大学电气工程系,17,5. 改变了输入电阻或输出电阻 串联反馈使输入电阻增加。 并联反馈使输入电阻减小。 电压负反馈使输出电阻减小。 电流负反馈使输出电阻增加。,大连理工大学电气工程系,18,10.4 理想运算放大器,一、理想运放的主要条件 开环电压放大倍数：Ao 开环输入电阻：ri 开环输出电阻：ro0 共模抑制比：KCMR ,理想运放的符号,大连理工大学电气工程系,19,二、理想运放的特性,uO = UOMUCC,(2) 当 uu时， 即 uD 0,uO =UOMUEE,(1) 当 u u时， 即 uD 0,1. 工作在饱和区时的特点 不加反馈时，稍有 uD 即进入饱和区。,理想运算放大器 的电压传输特性,大连理工大学电气工程系,20,2. 工作在线性区时的特点,(1) Ao,= 0,u = u,(2) ri,= 0,(3) ro0,uOL= uOC,故称为虚短路。,故称为虚开路。,即输出电压不受负载的影响。,引入负反馈后的理想运放,大连理工大学电气工程系,21,10.5 基本运算电路,一、比例运算电路 1. 反相比例运算电路,u= u= 0,iD = 0 i1 = iF,虚地,反相比例运算电路,大连理工大学电气工程系,22, uO 与 uI 成反相比例； uO 的大小只与 R1 、 RF 的阻值和 uI 有关。 若 R1 = RF ，则 uO = uI 。 故称为反相器。 R2为平衡电阻， R2 = R1RF,说明,反相比例运算电路,大连理工大学电气工程系,23,2. 同相比例运算电路,Af,uO= RF iF R1 i1 uI = R1 i1 iF = i1,同相比例运算电路,大连理工大学电气工程系,24,说明, uO 与 uI 同相位，且 Af1； uO 的大小只与R1、RF 的阻值和 uI 有关。 若 RF = 0, R1 = , R2 = 0 时,uO = uI 称为电压跟随器 平衡电阻 R2 = R1RF 。,电压跟随器,同相比例运算电路,大连理工大学电气工程系,25,例 10.5.1 应用运放来测量电阻的原理电路如图所示， 其中 uI =U = 10V，输出端接有满量程为 5V 的电压表，被 测电阻为Rx。(1) 试找出被测电阻的阻值Rx与电压表读数之 间的关系；(2)若使用的运放为CF741型，为了扩大测量电阻 的范围，将电压表量程选为 50V是否有意义？,解 (1),=105 uO ,大连理工大学电气工程系,26,所以:,(2) 查附录可知，CF741 型集成运放的最大输出电压为 13 V，超出此值时输入与输出不再有线性关系， 所以，选用 50 V 量程的电压表是没有意义的。,大连理工大学电气工程系,27,二、加法运算电路,u= u = 0,当 uI1 单独作用时,当 uI2 单独作用时,根据叠加定理: uO = uO1 uO2,加法运算电路,虚地,大连理工大学电气工程系,28,当 R11 = R12 = R1 时： 当 R11 = R12 = RF 时： uO=(uI1 + uI2) ， 平衡电阻： R2 = R11R12RF 。,说明,加法运算电路,大连理工大学电气工程系,29,三、减法运算电路,当 uI1 单独作用时,当 uI2 单独作用时,根据叠加定理: uO = uO1 uO2,减法运算电路,大连理工大学电气工程系,30,uO = uO1uO2,当 R1= RF 时, uO= uI2 uI1 平衡电阻 R2R3= R1RF 。,说明,减法运算电路,大连理工大学电气工程系,31,例 10.5.2 如图为两级运放组成的电路，已知 uI1 = 0.1 V，uI2 =0.2 V，uI3 =0.3 V，求 uO。,第一级为加法运算电路：,解,第二级为减法运算电路：,= 0.3 V,= 0.6 V,大连理工大学电气工程系,32,四、微分运算电路,u+ = u = 0 iF = iC, 当 uI 为阶跃电压时, uO 为尖脉冲电压。,说明, 平衡电阻 R2 = RF 。,微分运算电路,虚地,波形,大连理工大学电气工程系,33,五、积分运算电路,u= u= 0 iI = iF,uO =uC,说明,当 uI 为阶跃电压时, uO随时间线性积分到负饱 和值为止。,平衡电阻 R2 = R1 。,积分运算电路,波形,虚地,大连理工大学电气工程系,34,10.6 电压比较器,一、单限电压比较器,电压传输特性,uO,信号输入方式,大连理工大学电气工程系,35,零电压比较器可以实现波形变换, 即可以 把正弦波变换为方波。,当UR =0 时，称为零电压比较器,零电压比较器,输出波形,大连理工大学电气工程系,36,例 10.6.1 如图所示是利用运放组成的过温保护电路，R3 是负温度系数的热敏电阻，温度升高时，阻值变小，KA 是继电器，要求该电路在温度超过上限值时，继电器动作，自动切断加热电源。试分析该电路的工作原理。,解,从图中可得：,正常工作时， uIUR，,uO =UOM,晶体管 T 截止， KA 线圈不通电, KA 不会动作。,大连理工大学电气工程系,37,当温度超过上限值时， R3 的阻值下降； 根据公式 (1) 可知 uI 增加， 当 uI UR 时，,uO =UOM,晶体管 T 饱和导通， KA线圈通电, KA产生动作， 切除加热电源， 实现过温保护。,大连理工大学电气工程系,38,二、 滞回电压比较器,当 uO= + UOM 时,当 uO=UOM 时,滞回电压比较器,电压传输特性,上限触发电压,下限触发电压,大连理工大学电气工程系,39,U= UH UL, 称为滞回宽度,改变 R2 和 RF，可以改变 U、UL、UH 。,电压传输特性,滞回电压比较器,大连理工大学电气工程系,40,三、 双限电压比较器,当 uIUL 时,uO1=UOM uO2=UOM,当 uI UH 时,uO1=UOM uO2=UOM,当 UHuIUL 时,uO1 = UOM uO2 = UOM,双限电压比较器,电压传输特性,大连理工大学电气工程系,41,AoF =1,10.7 RC 正弦波振荡电路,正弦波振荡器原理电路,RC 正弦波振荡器,反馈电路,同相比 例电路,大连理工大学电气工程系,42,1. 自励振荡的相位条件,即必须是正反馈。,大连理工大学电气工程系,43, 振荡频率,F =,改变 R、C 可以改变振荡频率。,大连理工大学电气工程系,44,| Ao | = 3,2.自励振荡的幅度条件 反馈电压与输入电压大小相等。 即 | Ao| F | = 1。,F = 2R1,RC 正弦波振荡器,大连理工大学电气工程系,45,RC 正弦波振荡器,再反馈Ui = Uf = |F |Uo 2,3.自励振荡的起振条件,振荡电路的组成,接通电源 Uo1,反馈 Ui = Uf = | F |Uo1,放大 Uo2= | Ao | | F | Uo1, Uo1,再放大Uo3 = | Ao | | F |Uo2,Uo2,起振的过程, 放大电路 正反馈电路 选频网络,反馈电路,放大电路,选频电路,大连理工大学电气工程系,46, 才能起振, 振荡稳定, 不能起振, | Ao | F | 1, | Ao | F | = 1, | Ao | F |1,总之，起振过程是由 | Ao | F | 1， 一直到 | Ao | F | = 1， 达到稳定的过程。,振荡波形,大连理工大学电气工程系,47,| Ao | = 3 F = 2R1,振荡稳定时: | Ao | F | = 1,| Ao | 3 F 2R1,起振时: | Ao | F | 1,F 为非线性电阻， 选择负温度系数的热敏变阻。,RC 正弦波振荡器,大连理工大学电气工程系,48,*10.8 有源滤波器,滤波器是一种选频电路。 按电路组成分为： 无源滤波电路：由无源元件 R、L、C 组成 的滤波器。 有源滤波电路：含有放大电路的滤波器。 按频率范围分为： 低通、高通、带通和带阻滤波器等。,大连理工大学电气工程系,49,一、低通滤波器,在 RC 回路 中,根据同相比例运算电路,C,RF, ,R1,R,低通滤波器,大连理工大学电气工程系,50, 称为截止角频率 。,幅频特性,当= 0 时， | Au | =,| Am| =,频率小于0 的信号可以通过。,大连理工大学电气工程系,51,二、高通滤波器,在 RC 回路中：,根据同相比例运算电路，可得,高通滤波器,大连理工大学电气工程系,52,Au =,幅频特性,当= 时， |Au| = |Am|,频率大于0 的信号可以通过。,第 10 章 结 束,下一章,上一章,返回主页,