第16章集成运算放大器.ppt

第16章 集成运算放大器,16.1 集成运算放大器的简单介绍,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,教学内容,*16.4 运算放大器在波形产生方面的应用,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的意义；理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；理解用运算放大器组成的比例、加法、减法、微分和积分运算电路的工作原理；理解电压比较器的工作原理和应用。,教学要求,重点,集成运算放大器的电压传输特性，理想运算放大器及其基本分析方法。集成运算放大器组成的比例、加减、积分运算电路的工作原理，电压比较器组成的幅值比较电路。,难点,集成运算放大器的基本组成，有源滤波电路的工作原理。,学时数,讲课5学时，习题1学时。,分立电路：由各种单个元件联接起来的电子电路。 集成电路：相对分立电路而言，将整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。 优点：体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，价格便宜。 就集成度而言：有小规模、中规模、大规模和超大规模。 就导电类型而言：有双极型（普通晶体管）、单极型（场效晶体管）和两者兼容的。 就功能而言：有数字集成电路和模拟集成电路。,16.1 集成运算放大器的简单介绍,16.1.1 集成运算放大器的特点,集成运算放大器是一种具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。, 电感、电容元件不易集成，常采用外接方式。 由于各个晶体管通过同一工艺过程制作在同一硅片上，因此容易获得特性相近的差分对管。 常用晶体管（或场效晶体管）恒流源代替电阻，高阻值电阻常采用外接方式。 二极管采用晶体管构成。,输入级：要求输入电阻高，静态电流小，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。,16.1.2 电路的简单说明,16.1 集成运算放大器的简单介绍,中间级：要求电压放大倍数高，由共发射极放大电路构成：其放大管采用复合管，以提高电流放大系数；集电极电阻采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。,输入级采用差分放大电路。,输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流。,16.1 集成运算放大器的简单介绍,偏置电路：为各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，采用各种恒流源电路。,在应用集成运算放大器时，需要知道它的几个管脚的用途以及放大器的主要参数，无需关注内部电路。,采用互补功率放大电路或射极输出器。,最大输出电压UOPP 能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。,开环电压放大倍数Auo 没有外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。,输入失调电压UIO 要使uo = 0，需在输入端加一个很小的补偿电压，即输入失调电压，其值愈小愈好。,16.1.3 主要参数,16.1 集成运算放大器的简单介绍,共模输入电压范围UICM 运算放大器应在规定的共模电压范围内，才对共模信号具有抑制的性能。如超出这个电压，运放的共模抑制性能就大为下降，甚至造成器件损坏。,输入失调电流IIO 输入信号为零时两个输入端静态基极电流之差，其值愈小愈好。,16.1 集成运算放大器的简单介绍,输入偏置电流IIB 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，其大小主要和电路中第一级管子的性能有关。其值愈小愈好。, 理想化的条件,开环电压放大倍数 Auo 差模输入电阻 rid 开环输出电阻 ro 0 共模抑制比 KCMRR ,反相输入端,同相输入端,输出端,开环电压放大倍数的理想化条件,方向,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,运算放大器的图形符号,16.1 集成运算放大器的简单介绍, 分析依据,理想特性,实际特性,传输特性：表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线。,16.1 集成运算放大器的简单介绍,运算放大器的传输特性,因差模输入电阻rid，故i+ i 0，称“虚断”。,有限值,无穷大,称“虚短”,工作在线性区,工作在饱和区（非线性）,输出电压只有两种可能，即等于 +Uo(sat) 或 -Uo(sat) 。,i+ i 0,当 u+ u 时，uo = +Uo(sat),16.1 集成运算放大器的简单介绍,当 u+ u 时，uo = - Uo(sat), 反相输入,平衡电阻：R2 = R1 / RF ，其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响。,16.2.1 比例运算,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,输出电压与输入电压是比例运算关系。,如果R1 和RF 的阻值足够精确，而且运算放大器的开环电压放大倍数很高，就可认为Auf只取决于RF与R1 的比值而与运算放大器本身的参数无关。,当 RF = R1 时，uo = -ui ，为反相器。,负号表明 uo与 ui 反相。,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用, 同相输入,Auf 为正值，表示 uo与 ui 同相，且Auf 1 。,Auf与运放本身的参数无关，其精度和稳定性很高。,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,当 R1 = 或 RF = 0 时，uo = ui ，为电压跟随器。,uo只与电源电压和分压电阻有关，其精度和稳定性较高，可作为基准电压。,例：试计算图中uo的大小。,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,解：,该电路是一电压跟随器。,平衡电阻： R2= R11 / R12 / RF,加法运算电路与运放本身的参数无关，只要电阻值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性。,16.2.2 加法运算,叠加定理的应用,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,16.2.3 减法运算,当 R1 = R2 ，RF = R3时，有,当 R1 = R2 = R3 = RF 时，有,根据叠加定理,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,例：试求输出电压uo 。,A1是电压跟随器,解：,A2是差分运算电路,当ui为阶跃电压，,16.2.4 积分运算,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,则,最后达到饱和值-Uo(sat) 。,上图为比例-积分调节器(简称PI调节器)。常用于自动控制系统中，以保证系统的稳定性和控制的精度。,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,例：试求图示电路uo与ui的关系式。,当ui为阶跃电压时,16.2.5 微分运算,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,则uo为尖脉冲电压,上图为比例-微分调节器（简称PD调节器），在控制系统中， 使调节过程中起加速作用。,16.2 运算放大器在信号运算方面的应用,例：试求图示电路uo与ui的关系式。,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,16.3.3 电压比较器,电压比较器的作用：在比较器的输入端比较输入信号ui和参考电压UR的大小，,运算放大器工作在开环状态，由于开环电压放大倍数很高，即使输入端有一个非常微小的差值信号，也会使输出电压饱和。 因此运算放大器工作在饱和区(即非线性区) 。,在输出端以高电平或低电平（即为数字信号1或0）来反映比较结果。,电压传输特性,当 ui UR ，即 u u+ 时，uo = +Uo(sat),16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,当 ui UR ，即 u u+ 时，uo = Uo (sat), 过零电压比较器,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,利用过零电压比较器将正弦波变为矩形波，即波形变换。,例：电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，试分析并画出输出电压u1，u2和uo的波形。,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,解：,运算放大器构成过零比较器,RC组成微分电路,二极管D起削波作用, 有限幅的过零电压比较器,设双向稳压二极管的稳压值为UZ，忽略稳压管的正向导通压降。,双向稳压二极管,电压传输特性,16.3 运算放大器在信号处理方面的应用,当 ui 0，即 u+ u- 时，uo = UZ,当 ui 0，即 u+ u- 时，uo = +UZ,*16.4 运算放大器在波形产生方面的应用,16.4.1 矩形波发生器,16.4.2 三角波发生器,16.4.3 锯齿波发生器,矩形波电压常用于数字电路中作为信号源。,锯齿波电压在示波器、数字仪表等电子设备中作为扫描用。,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,16.5.1 选用元件,16.5.2 消振,集成运算放大器按其技术指标或按其内部电路或按其每一集成片中运算放大器的数目等进行分类。 通常根据实际要求来选用。选好后，根据管脚图和符号图联接外部电路。,通常外接RC消振电路或消振电容来破坏产生自激振荡的条件。一般运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,16.5.3 调零,16.5.4 保护,外接调零电路以解决由于运算放大器的内部参数不完全对称时，当输入信号为零仍有输出信号的情况。, 输入端保护,当输入端所加的差模或共模电压过高时会损坏输入级的晶体管。 在输入端接入反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下。,16.5 使用运算放大器应注意的几个问题,16.5.5 扩大输出电流, 电源保护, 输出端保护,为防止输出电压过大，可用稳压二极管来保护。,为防止正、负电源接反，可用二极管来保护。,运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要的电流较大时，可在输出端加接一级互补对称电路。,本章作业,P119 16.2.3（虚断、虚短） 16.2.6（基本公式） P121 16.2.12（虚断、虚短） 16.2.15（基本公式）,