集成運(yùn)算放大器ppt課件

1、第九章 集成運(yùn)算放大器,第一節(jié) 集成運(yùn)算放大器,第二節(jié) 放大電路中的負(fù)反饋,第三節(jié) 基本運(yùn)算電路,第四節(jié) 集成運(yùn)放用于信號處理,第五節(jié) 直流穩(wěn)壓電源,本章要求,1. 理解集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)； 2. 理解放大電路中的負(fù)反饋以及負(fù)反饋對放大電路性能的影響； 3. 了解基本運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)； 4. 了解集成運(yùn)算放大器在信號處理中的運(yùn)用； 5. 理解穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)，了解三端穩(wěn)壓電路的應(yīng)用,在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個電路中的元器件 制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為 集成電路(英文簡稱IC)。集成電路的體積很小，但性能 卻很好。自1959年世界上第一塊集成電路問世至今，只

2、 不過才經(jīng)歷了四十來年時間，但它已深入到工農(nóng)業(yè)、日 常生活及科技領(lǐng)域的相當(dāng)多產(chǎn)品中。例如在導(dǎo)彈、衛(wèi)星、 戰(zhàn)車、艦船、飛機(jī)等軍事裝備中；在數(shù)控機(jī)床、儀器儀 表等工業(yè)設(shè)備中；在通信技術(shù)和計算機(jī)中；在音響、電 視、錄象、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)等家用電器中都采用 了集成電路。 集成電路的技術(shù)發(fā)展將直接促進(jìn)整機(jī)的小型化、高性 能化、多功能化和高可靠性。毫不夸張地說，集成電路 是工業(yè)的“食糧”和“原油,集成運(yùn)算放大器簡稱運(yùn)放，是一種多端集成電路。集成運(yùn)放是一種價格低廉、用途廣泛的電子器件。早期，運(yùn)放主要用來完成模擬信號的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱為運(yùn)算放大器。現(xiàn)在，運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運(yùn)算的范圍。它在通信

3、、控制和測量等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,常見集成電路的封裝形式,圓殼式,雙列 直插式,扁平式,單列 直插式,直插式,單列 扁平式,第一節(jié)集成運(yùn)算放大器,集成運(yùn)放的型號和種類很多，內(nèi)部電路也各有差異，但它們的基本組成部分相同，如下圖所示,運(yùn)放的輸入級。利用差分電路的對稱特性可提高整個電路的共模抑制比和電路性能,中間級的主要作用是提高電壓增益。一般由多級放大電路組成,輸出級常用電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力,集成運(yùn)放內(nèi)部主要有上述三個部分，其外部還常接有偏置電路，以便向各級提供合適的工作電流,一、集成運(yùn)算放大器簡介,簡單的集成運(yùn)放電路結(jié)構(gòu),運(yùn)放的輸入級。利用差分電路的對稱

4、特性可提高整個電路的共模抑制比和電路性能,中間級的主要作用是提高電壓增益。一般由多級放大電路組成,輸出級常用電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力,圖示為常用A741集成運(yùn)放芯片產(chǎn)品實(shí)物圖,A741集成運(yùn)放的8個管腳排列圖如下,調(diào)零端,反相輸入端,同相輸入端,負(fù)電源端,調(diào)零端,輸出端,正電源端,空腳,標(biāo)識為“-”和“+”符號的是反相輸入端和同相輸入端，它們對地電壓分別用u-和u+表示，輸出是uo。運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)用Auo表示，箭頭代表信號從輸入向輸出流動,運(yùn)放的圖形符號,線性區(qū)就是曲線中的斜線部分，斜率是集成運(yùn)算放大電路的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod，即； 飽

5、和區(qū)是曲線中的水平直線部分，當(dāng)集成運(yùn)算放大電路工作在非線性區(qū)時，輸出電壓只能是正飽和值+Uo(sat)和負(fù)飽和值-Uo(sat)，其值接近正負(fù)電源電壓,uo,u+ u,線性區(qū),理想特性,實(shí)際特性,飽和區(qū),O,集成運(yùn)算放大電路的電壓傳輸特性曲線,二、理想集成運(yùn)算放大器,理想運(yùn)算放大器符號,理想運(yùn)算放大器是將集成運(yùn)放進(jìn)行理想化，理想化的基本條件是: (1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod = ; (2)差模輸入電阻 rid = ; (3)輸出電阻ro=0; (4)共模抑制比Kcm為,理想集成運(yùn)算放大電路的電壓傳輸特性曲線,反相輸入端,A741集成運(yùn)放圖形符號,A741集成運(yùn)放外部接線圖,同相輸入端,12

6、V,12V,輸出端子,調(diào)零電位器,管腳1和5分別與調(diào)零電位器的兩個固定端相連,調(diào)零電位器的可調(diào)端與管腳4相連,集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn),由,可知，理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時，輸,出電壓U0與輸入電壓Ui之間是線性放大關(guān)系,因Au0=，所以可導(dǎo)出,運(yùn)放工作在線性區(qū)差模輸入電壓等于零，說明,即理想運(yùn)放的兩個輸入端電位相等,兩點(diǎn)等電位相當(dāng)于短路。理想運(yùn)放的兩個輸入端并沒有真正短接，但卻具有短接的現(xiàn)象稱為“虛短,又由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻ri=，所以可近似地認(rèn)為兩個輸入端均無電流流入。這種現(xiàn)象稱為“虛斷,虛短”和“虛斷”是運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩個重要結(jié)論,1) 輸出只有兩種可能, +Uo(sat) 或U

7、o(sat,2) i+= i 0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象,當(dāng) u+ u 時， uo = + Uo(sat) u+ u 時， uo = Uo(sat) 不存在 “虛短”現(xiàn)象,理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn),1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0,其數(shù)值很高，一般約為104107。該值反映了輸出電壓U0與輸入電壓U和U之間的關(guān)系,2)差模輸入電阻ri,運(yùn)放的差動輸入電阻很高，一般在幾十千歐至幾十兆歐,3)閉環(huán)輸出電阻r0,由于運(yùn)放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間,指運(yùn)放兩個輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個電壓時，運(yùn)放的輸入級將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件

8、損壞,4)最大共模輸入電壓Uicmax,2. 集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo),你能說明理想運(yùn)放的特點(diǎn)是什么嗎,思考題,第二節(jié)放大電路中的負(fù)反饋,一、負(fù)反饋電路的一般概念,將放大電路輸出信號的一部分或全部通過某種電路引回到輸入端，這個反向傳送過程稱之為反饋。反饋分有正反饋和負(fù)反饋兩種形式：能使凈輸入信號增強(qiáng)的反饋稱為正反饋；使凈輸入信號削弱的反饋稱為負(fù)反饋。放大電路中普遍采用的形式是負(fù)反饋,基本放大電路A,取樣,Xid,比較,X0,Xi,反饋電路F,XF,含反饋的基本放大電路的輸入信號(凈輸入信號,放大電路輸出信號,反饋信號,放大電路輸入信號,負(fù)反饋放大電路的方框圖,根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸出、輸

9、入端連接方式的不同，負(fù)反饋放大電路的反饋形式可分為四種類型,1、電壓串聯(lián)負(fù)反饋,2、電壓并聯(lián)負(fù)反饋,3、電流串聯(lián)負(fù)反饋,4、電流并聯(lián)負(fù)反饋,負(fù)反饋的基本類型及其判別,判斷反饋類型的方法：凡反饋信號取自輸出電壓信號的稱 電壓反饋；凡反饋信號取自輸出電流信號的稱電流反饋。凡 反饋信號在輸入端與輸入信號相串聯(lián)的稱為串聯(lián)反饋，凡反 饋信號在輸入端與輸入信號相并聯(lián)的稱為并聯(lián)反饋,反饋形式判斷舉例,電壓反饋,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,串聯(lián)反饋,電壓反饋,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,并聯(lián)反饋,電流反饋,電流串聯(lián)負(fù)反饋,串聯(lián)反饋,電流反饋,電流并聯(lián)負(fù)反饋,并聯(lián)反饋,二、負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式,開環(huán)放大倍數(shù),反饋系數(shù),負(fù)反饋

10、放大電路的三個環(huán)節(jié) 基本放大電路 開環(huán)電壓放大倍數(shù) 反饋電路 反饋系數(shù) 比較環(huán)節(jié) 凈輸入 反饋信號起了削弱輸入信號的作用，所以稱之為負(fù)反饋,凈輸入信號,閉環(huán)放大倍數(shù),三、負(fù)反饋的對放大電路性能的影響,1提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性,2減小了放大電路的非線性失真,閉環(huán)放大倍數(shù)的變化相對閉環(huán)放大倍數(shù)的影響 就會 減少到開環(huán)時 倍，從而提高了放大電路增益的穩(wěn)定性,使輸出波形正負(fù)半周中原來較大的被削弱，較小的被增大，從而使輸出信號波形不對稱程度得到改善，從而減小了非線性失真,引入負(fù)反饋后，電壓放大倍數(shù)降低， 稱為反饋深度,3展寬通頻帶,4負(fù)反饋對輸入電阻和輸出電阻的影響,引入負(fù)反饋后的頻帶寬度為,負(fù)反饋對輸入

11、電阻的影響取決于反饋電路與放大電路在輸入端的連接方式，串聯(lián)反饋使輸入電阻增加，并聯(lián)反饋使輸入電阻減小。 負(fù)反饋對輸出電阻的影響取決于反饋信號取樣的是電壓信號還是電流信號：若對輸出電壓取樣，則使輸出電阻減小，使輸出電壓更加穩(wěn)定；若對輸出電流取樣，則使輸出電阻增大，使輸出電流更加穩(wěn)定,放大電路輸入信號本身就是一個已產(chǎn)生了失真的信號，引入負(fù)反饋后能否使失真消除,上述問題希望課后認(rèn)真歸納總結(jié),思考題,放大電路引入負(fù)反饋后，對電路的工作性能帶來什么改善,第三節(jié) 基本運(yùn)算電路,一、反相放大器,R1,i,u,o,u,Rf,N,u,P,u,1,i,if,因?yàn)?u+=u- ，i+=i- 0,所以,一個運(yùn)算放大器

12、連接上外部元件，就得到一個運(yùn)算放大電路。就可對各種模擬信號進(jìn)行比例、加法、減法、積分、對數(shù)等運(yùn)算,輸出與輸入的比例值,負(fù)號說明輸入輸出反相,二、同相放大器,因?yàn)?u+=u- ，i+=i-0 所以,而,輸出與輸入的比例值,三、電壓跟隨器,有 uo = ui ， Au = 1,從同相放大器的電壓增益公式,可知，當(dāng) 或,四、加法電路,1. 反相加法運(yùn)算電路,若,實(shí)現(xiàn)了反向求和運(yùn)算,2同相加法運(yùn)算電路,利用疊加定理 單獨(dú)作用時,ui2 單獨(dú)作用時，同理有,最后得,五、減法電路,從電路圖上看出，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路,由于 ，代入上述方程有,如果滿足 則得,實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算,六、積分電路,

13、由虛斷概念有,若電容上的初始電壓為零，則輸出電壓為,整理得,反相比例運(yùn)放中的偏置電阻用電容代替即為積分電路,七、微分電路,將積分電路中的電 阻和電容對換一下， 即可得到微分電路。 根據(jù)虛短和虛斷的 概念有,于是得到輸出電壓為,微分電路在數(shù)字電路中用來做波形變換。 運(yùn)算放大器還可組成其它一些運(yùn)算電路，使用很廣泛,檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果,第四節(jié)集成運(yùn)放用于信號處理,一、濾波器,濾波器是一種能讓有用頻率信號通過同時抑制無用頻率信號的電子裝置，即對頻率進(jìn)行選擇的電路,無源濾波器 由電阻、電容、電感組成 的濾波器。 缺點(diǎn)：體積大 有源濾波器 由運(yùn)算放大器、電阻、電容組成的濾波器。 優(yōu)點(diǎn)：不需電感，體積小， 頻率特

14、性好,一階有源濾波電路 （無電壓放大功能,具有放大能力的一階有源濾波電路,一階有源濾波電路（有電壓放大功能,電路的電壓放大倍數(shù),令 得電壓放大倍數(shù)為,當(dāng) 時，得通頻帶內(nèi)的放大倍數(shù)為,當(dāng) 時， ，其幅值將衰減至通 頻帶內(nèi)的幅值的0.707倍,一階有源濾波電路的濾波效果并不好，實(shí)際應(yīng)用中往往 采用高階濾波器,二、比較器,電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性,a）單限電壓比較器電路,b）單限電壓比較器傳輸特性,過零比較器原理圖,過零比較器的輸入輸出特性,當(dāng)輸入電壓為正弦波時，運(yùn)放的同相

15、輸入端的電位為零，也就是輸入信號和零電位比較，當(dāng)輸入信號是正弦波的正半周時，運(yùn)算放大器的輸出電壓為負(fù)的最大值；當(dāng)輸入信號為正弦波的負(fù)半周時，運(yùn)算放大器的 輸出電壓為正的最大值。這樣過零比較器將正弦波變成了方波，實(shí)現(xiàn)了波形轉(zhuǎn)換,第五節(jié) 直流穩(wěn)壓電源,將50 Hz/220 V的交流電 ,轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓的直流電源需要經(jīng)過電壓變換、整流變換、濾波和穩(wěn)壓等環(huán)節(jié),一、整 流 電 路,一）單相半波整流電路,整流電路將交流電變換成單方向的直流電,3）二極管承受的最高反向峰值電壓,主要參數(shù),1）輸出電壓平均值,上面級數(shù)中的直流分量就是輸出電壓平均值,2）輸出電流平均值,4）輸出電壓脈動系數(shù),由前面的級數(shù)展開式可知，

16、除了直流分量外，還有不同 頻率的諧波分量。 定義：基波峰值和輸出電壓平均值之比稱為輸出電壓的脈動 系數(shù),越小，表明輸出電壓的脈動小，整流電路性能越好,單相橋式整流電路,u,電路結(jié)構(gòu),正半周波形,二）其它整流電路,二、濾波電路,交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。 濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的,電容濾波器,u uC時，二極管導(dǎo)通，電源在給負(fù)載RL供電的同時也給電容充電， uC 增加，uo= uC,u uC時，二極管截止，電容通過負(fù)載RL 放

17、電，uC按指數(shù)規(guī)律下降， uo= uC,二極管承受的最高反向電壓為,uo,t,O,電容濾波電路的特點(diǎn),T 電源電壓的周期,1) 輸出電壓的脈動程度與平均值Uo與放電時間 常數(shù)RLC有關(guān),RLC 越大 電容器放電越慢 輸出電壓的平均值Uo 越大，波形越平滑,近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 橋式、全波） Uo = 1. 0 U （半波,當(dāng)負(fù)載RL 開路時，UO,為了得到比較平直的輸出電壓,2) 外特性,采用電容濾波時，輸出電壓受負(fù)載變化影響較大，即帶負(fù)載能力較差。 因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較小且負(fù)載變化較小的場合,3) 流過二極管的瞬時電流很大,選管時一般?。?IOM

18、 =2 ID,RLC 越大 O 越高，IO 越大 整流二極管導(dǎo)通時間越短 iD 的峰值電流越大,三、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成,調(diào)整元件,比較 放大,基準(zhǔn) 電壓,取樣 電路,當(dāng)由于電源電壓或負(fù)載電阻的變化使輸出電壓UO 升高時，有如下穩(wěn)壓過程,UO,Uf,UB,UO,IC,UCE,由于引入的是串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故稱串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,四、三端集成穩(wěn)壓器,1. 三端固定輸出線性集成穩(wěn)壓器,三端固定輸出線性集成穩(wěn)壓器有78XX（正輸出）和79XX（負(fù)輸出）系列,2. 三端可調(diào)線性集成穩(wěn)壓器,三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器系列有LM117（軍用）、 LM217（工業(yè)用）、 LM317