電工與電子技術(shù)第三章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用.ppt

第三章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 第一節(jié)直接耦合放大器第二節(jié)差動(dòng)放大電路第三節(jié)集成放大器簡(jiǎn)介第四節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算電路中的應(yīng)用第五節(jié)放大電路中的負(fù)反饋第六節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用 作業(yè) 返回 第一節(jié)直接耦合放大器 級(jí)與級(jí)之間不經(jīng)電抗元件而直接連接的方式 稱(chēng)為直接耦合 UCC 零點(diǎn)漂移 當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí) 輸出端電壓偏離原來(lái)的起始電壓緩慢地?zé)o規(guī)則的上下漂動(dòng) 這種現(xiàn)象叫零點(diǎn)漂移 產(chǎn)生原因 溫度變化 電源電壓的波動(dòng) 電路元件參數(shù)的變化等等 第一級(jí)產(chǎn)生的零漂對(duì)放大電路影響最大 各級(jí)工作點(diǎn)相互影響適于放大直流或變化緩慢的信號(hào)電壓放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)之積零點(diǎn)漂移 第二節(jié)差動(dòng)放大電路 基本差動(dòng)放大電路典型差動(dòng)放大電路具有恒流源的差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路的輸入輸出方式 一 基本差動(dòng)放大電路 電路由兩個(gè)特性完全相同的基本放大電路組成 1 抑制零點(diǎn)漂移的原理 靜態(tài)時(shí) Ui1 Ui2 0 由于電路對(duì)稱(chēng) 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(duì)稱(chēng) 零漂被抑制 2 動(dòng)態(tài)工作原理 差模信號(hào) 極性相反 幅值相同的信號(hào) ui1 ui2共模信號(hào) 極性相同 幅值相同的信號(hào) ui1 ui2 差模輸入 信號(hào) 共模輸入 干擾信號(hào) 差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)有放大作用 對(duì)共模信號(hào)有抑制作用 共模 差模同時(shí)輸入 若電路完全對(duì)稱(chēng) AC 0 只有差模信號(hào)輸出 若電路不完全對(duì)稱(chēng) AC 0 既有差模信號(hào)又有共模信號(hào)輸出 二 典型差動(dòng)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(duì)稱(chēng)引起的零漂 負(fù)電源EE的作用是補(bǔ)償RE上的電壓降 從而保證兩管有合適的靜態(tài)工作點(diǎn) 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(hào) 對(duì)差模信號(hào)無(wú)影響 且RE越大 抑制作用越強(qiáng) 但EE也需增大 RP為調(diào)零電阻 用來(lái)調(diào)節(jié)平衡 一般取值不大 KCMR是衡量放大信號(hào)的能力的技術(shù)指標(biāo) 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(hào)越強(qiáng) 共模抑制比 KCMR RL RC RL 2 接入負(fù)載電阻RL 電路分析 靜態(tài)時(shí)流過(guò)RE電流 IE1 IE2 2IE 動(dòng)態(tài)時(shí) 由于RE對(duì)差模信號(hào)無(wú)影響 忽略RP的影響 KCMR是衡量放大信號(hào)的能力的技術(shù)指標(biāo) 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(hào)越強(qiáng) 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(dòng)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(shí) 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(hào) 零漂能力強(qiáng) 又不需要過(guò)大的負(fù)電源UEE 四 差動(dòng)放大電路的輸入輸出方式 雙端輸入 雙端輸出的差動(dòng)電路 RB1 單端輸出只取自一個(gè)管子的集電極變量 依對(duì)稱(chēng)性 rO RC 第三節(jié)集成放大器簡(jiǎn)介 集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的理想化模型集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及其分析特點(diǎn) 一 集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn) 集成電路 將整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上 構(gòu)成完整的能完成特定功能的電子電路 運(yùn)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(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹 1 集成運(yùn)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(jí)靜態(tài)電流 2 集成運(yùn)放的管腳圖及符號(hào) F007管腳圖 符號(hào) A 反相輸入端B 同相輸入端F 輸出端 信號(hào)從反相輸入端輸入時(shí) 輸出與輸入相位相反 信號(hào)從同相輸入端輸入時(shí) 輸出與輸入相位相同 三 集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 1 輸入失調(diào)電壓UiO當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí) 為使輸出的電壓值為零 在輸入端加入的補(bǔ)償電壓 其值越小越好 0 5 5mV 2 輸入失調(diào)電流IiO輸入電壓為零時(shí) 流入放大器兩個(gè)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(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)Auo運(yùn)放在開(kāi)環(huán)時(shí)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(yùn)放芯片 四 集成運(yùn)算放大器的理想化模型 實(shí)際運(yùn)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(yùn)放 AO ri rO 0KCMR 五 集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及其分析特點(diǎn) 運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性 集成運(yùn)放的輸出電壓uO與輸入電壓ui u u 之間的關(guān)系uO f ui 稱(chēng)為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性 uO AOui AO u u 線(xiàn)性區(qū) 引入深度負(fù)反饋 可以使運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 不加反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的電路系統(tǒng) 此時(shí)的放大倍數(shù)叫開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) 理想運(yùn)放的電壓傳輸特性 ui 0 uO UOM即u u 時(shí) 運(yùn)放處于非線(xiàn)性區(qū) 閉環(huán)系統(tǒng) 加上反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的電路系統(tǒng) 此時(shí)的放大倍數(shù)叫閉環(huán)放大倍數(shù) 運(yùn)算放大器的分析特點(diǎn) 1 線(xiàn)性區(qū) 集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓通常非常接近于零 但不是短路 故簡(jiǎn)稱(chēng)為 虛短 虛短 uO AO u u AO u u uo AO 0 u u 當(dāng)u 0 接地 u u 0稱(chēng)此時(shí)的反相輸入端為 虛地點(diǎn) 反之 也成立 虛斷 流入集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流通常為零 但又不是斷路故簡(jiǎn)稱(chēng)為 虛斷 ri I I 0 2 非線(xiàn)性區(qū) 在非線(xiàn)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(yùn)放組成的二極管檢測(cè)電路 求出流過(guò)D的電流iD及D兩端的電壓uD 解 虛地點(diǎn) 第四節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算電路中的應(yīng)用 分析線(xiàn)性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)概念基本運(yùn)算電路 一 分析線(xiàn)性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)概念 虛短 u u I I 0 虛斷 二 基本運(yùn)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(diǎn) i1 ui R1if u uo uo Rf i i 0 i1 if 即ui R1 uo Rf uo ui符合比例關(guān)系 負(fù)號(hào)表示輸出輸入電壓變化方向相反 電路中引入深度負(fù)反饋 閉環(huán)放大倍數(shù)Auf與運(yùn)放的Au無(wú)關(guān) 僅與R1 Rf有關(guān) R2 平衡電阻同相端與地的等效電阻 其作用是保持輸入級(jí)電路的對(duì)稱(chēng)性 以保持電路的靜態(tài)平衡 R2 R1 Rf 當(dāng)R1 Rf時(shí) uo ui 該電路稱(chēng)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(dāng)Rf 有限值時(shí) 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(yīng)用運(yùn)放來(lái)測(cè)量電阻的電路如圖 U 10V R1 1M 輸出端接電壓表 被測(cè)電阻為Rx 試找出Rx與電壓表讀數(shù)uo之間的關(guān)系 解 此電路為反相比例電路 例 理想化運(yùn)放組成的電路如圖 試推算輸出電壓uo的表達(dá)式 uo ui R1 R3 R2 R4 u 解 此電路為同相比例電路 判斷這個(gè)等式 啊 見(jiàn)鬼了 哈 verygood 例 圖示電路為T(mén)型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路 試推算輸出輸入之間的關(guān)系 u u 0 虛地點(diǎn) 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(guò)高時(shí)才采用 加法運(yùn)算電路 uo ui2 if i2 R2 RP Rf 在調(diào)節(jié)某一路信號(hào)的輸入電阻的阻值時(shí) 不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系 調(diào)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(diào)節(jié)方便 減法運(yùn)算電路 差動(dòng)運(yùn)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(dāng)R1 R2 R3 Rf R時(shí) uo ui2 ui1 減法器 R2 R3 R1 Rf 例 用運(yùn)放組成的直流毫伏表電路如圖所示 設(shè)表的內(nèi)阻可忽略 試求IO與VS的關(guān)系 解 電路實(shí)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(guān)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(guān)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(dòng)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(yīng)用 信號(hào)延遲時(shí)間T后 電壓值達(dá)到U 方波轉(zhuǎn)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(yùn)放 UOMAX 10V 輸入信號(hào)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(yùn)放 UOmax 18V 求 試導(dǎo)出uo與u1 u2關(guān)系式 已知u1 u2波形 試畫(huà)出uo波形 t 10ms 15Vt 20msu0 10V 例 已知運(yùn)放 UOMAX 15V試求圖中uo1 uo2 uo3及開(kāi)關(guān)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(fù)反饋 反饋的基本概念負(fù)反饋對(duì)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(fù)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(lái)影響輸入量的一種連接方式 負(fù)反饋的分類(lèi) 電壓負(fù)反饋 反饋信號(hào)取自輸出電壓 反饋信號(hào)與輸出電壓成比例 電流負(fù)反饋 反饋信號(hào)取自輸出電流 反饋信號(hào)與輸出電流成比例 串聯(lián)負(fù)反饋 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以串聯(lián)的形式作用與輸入端 并聯(lián)負(fù)反饋 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以并聯(lián)的形式作用與輸入端 串聯(lián) 電流 負(fù)反饋 電壓 并聯(lián) 二 負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響 電壓放大倍數(shù)被降低 電路加入負(fù)反饋 使凈輸入信號(hào)減小 等于削弱了輸入信號(hào) 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(fù)反饋 放大倍數(shù)被降低的同時(shí) 也使由于溫度 負(fù)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(kuò)展通頻帶 BO BF 電路加入負(fù)反饋 通頻帶由BO加寬到BF 減小非線(xiàn)性失真 電路加入負(fù)反饋 使凈輸入信號(hào)減小 iC減小 改善了非線(xiàn)性失真 串聯(lián)負(fù)反饋增加輸入電阻 并聯(lián)負(fù)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(fù)反饋的電路 以降低放大倍數(shù)為代價(jià) 換來(lái)了放大器諸多方面性能的改善 第六節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用 電壓比較器 運(yùn)放的非線(xiàn)性應(yīng)用非線(xiàn)性應(yīng)用電路具有兩種類(lèi)型 一類(lèi)是運(yùn)放本身工作在非線(xiàn)性狀態(tài) 如開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài) 另一類(lèi)是運(yùn)放本身工作在線(xiàn)性狀態(tài) 由外部電路中引入了非線(xiàn)性元件 使輸出與輸入不再是線(xiàn)性關(guān)系 一 電壓比較器 過(guò)零比較器 比較器是一種用來(lái)比較輸入信號(hào)Ui和參考電壓UR的電路 u u 時(shí) 即ui 0 uO UOM ui0負(fù)飽和uO UOM UOM UOM 若ui為正弦波 UOM UOM u0為方波 關(guān)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(fù)飽和uO UZ UD uiUR負(fù)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(diǎn)及分析方法 比較器中運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài) 輸入與輸出之間成非線(xiàn)性關(guān)系 因此虛短等深度負(fù)反饋概念不再適用 僅在判斷臨界狀態(tài)時(shí)才適用 uT UR 臨界電壓 可稱(chēng)為門(mén)檻電平ui UT時(shí) u u uo 0在ui UT和ui UT兩種不同情況下 比較器輸出兩個(gè)不同的電平 高 低 當(dāng)ui變化經(jīng)過(guò)UR時(shí) 輸出發(fā)生躍變 比較器的分析應(yīng)從輸出跳變時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值 即閥值電壓值 來(lái)分析輸入輸出之間的關(guān)系 例 比較器電路如圖 試畫(huà)出電路傳輸特性曲線(xiàn) 穩(wěn)壓管正向?qū)妷? 7V ui3V正飽和uO 4 7 4 7 4 7 3 例 電壓比較器電路如圖