電子電工學精品課件

1、電子電工學第1頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五主要內(nèi)容 集成運算放大器簡介 理想集成運算放大器 集成運放的應(yīng)用 本章小結(jié)第2頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器簡介 概述 集成運算放大器的組成 集成運算放大器的特點 集成運算放大器的主要參數(shù)第3頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五概述 集成運放實質(zhì)上是一種雙端輸入、單端輸出的具有高電壓放大倍數(shù)，高輸入阻抗、低輸出阻抗的直接耦合放大器。它在發(fā)展初期主要用來實現(xiàn)模擬運算功能。后來，集成運放已成為象晶體管一樣的通用增益器件，廣泛用于模擬電子線路的各個領(lǐng)域。 1. 集成電路的

2、外形： 國產(chǎn)集成運放的封裝外形主要采用圓殼式和雙列直插式。第4頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五概述 國產(chǎn)第二代集成運放CF741接線如圖所示。雙列直插式集成運放的管腳順序是，管腳向下，標志于左，序號自下而上逆時針方向排列。2. 集成運放的管腳順序及功能CF741外接線圖接正電源(+9+18)V 接負電源（-9-18）V為同相輸入端（輸出信號與輸入信號同相位）為反相輸入端（輸出信號與輸入信號反相位）為空腳為輸出端腳1、4、5外接調(diào)零電位器第5頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五概述 集成電路構(gòu)成: 將整個電路的各個元件做在同一個半導體基片上。 集成電路

3、的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗 集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點：電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。 電阻元件由硅半導體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。幾十 pF 以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。第6頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五概述分立電路：集成電路： 集成度：SSI、MSI、LSI、VLSI （ASI） 導電類型：雙極型、單極型、容型 信號類型：數(shù)字、模擬、混合 優(yōu) 點：體積小、重量輕、功耗低、可 靠性高 模擬集成電路：集成運算放大器、集成

4、功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 集成電路分類第7頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五概述2反相輸入端6輸出端3同相輸入端7正電源端4負電源端8閑置端（NC）1、5接調(diào)零電位器集成運放舉例：第8頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的組成對輸入級的要求：盡量減小零點漂移,盡量提高KCMRR, 輸入阻抗 ri 盡可能大。對中間級的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。對輸出級的要求：主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流io 。即輸出阻抗 ro小。輸入級中間級偏置 電路輸出級輸入端輸出端第9頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期

5、五集成運算放大器的組成 在制造工藝上，運放中很難制造電感、電容元件，所以需要時一般都采取外接的方法。制造電阻比較容易，而制造晶體管卻最容易。 出于集成化的原因及放大緩變信號和直流信號的需要，運放各級之間均采用直接耦合的方式。輸 入 級：由差放構(gòu)成?？蓽p小零點漂移和抑制干擾。中 間 級：共射放大電路。用于電壓放大。輸 出 級：互補對稱電路。降低輸出電阻，提高帶載能力偏置電路：由恒流源電路構(gòu)成。確定運放各級靜態(tài)工作點第10頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的組成UEE u+uo u反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級輸出級與uo反相與uo同相

6、第11頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的組成-內(nèi)部結(jié)構(gòu)-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4級：互補對稱射極跟隨器差動放大器第2級第1級：差動放大器第3級：單管放大器+極性判斷第12頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的特點為滿足運算精度的要求，理想集成運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)的數(shù)值很大。零點漂移小。差模輸入電阻很高，一般在1051011范圍，如果用MOS集成電路，輸入級的輸入電阻高達1011以上。輸出電阻很低，一般輸出級都采用互補對稱電路作為輸出

7、級，所以，輸出電阻一般在幾十歐到幾百歐概括:開環(huán)電壓放大倍數(shù)高(104-107)； 輸入電阻高（約幾百K）； 輸出電阻低（約幾百）； 漂移小、可靠性高、體積小、重量輕、價格低第13頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的特點 ri 大: 幾十k 幾百 kKCMRR 很大 ro ?。簬资?幾百 A o 很大: 104 107理想運放： ri KCMMRR ro 0Ao 運放符號：uu+ uo u u+ uo國際符號國內(nèi)符號第14頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的特點 實際運放的參數(shù)指標很接近理想化條件，故用理想運放代替實際運放

8、所引起的誤差并不嚴重，在工程上是允許的。 右圖所示為運放輸入和輸出電壓的關(guān)系曲線，稱為傳輸特性。從圖中看到，實際運放的傳輸特性與理想運放比較接近。運算放大器的傳輸特性o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性理想特性u+ - u-uo第15頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的主要參數(shù)1. 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo Auo是決定運放電路穩(wěn)定性個運算精度的重要因素，希望Auo越大越好。2. 最大輸出電壓UoPP 在一定電源電壓下，集成運放輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的輸出電壓的峰值稱為最大輸出電壓。其值比電源電壓小。如電源電壓為15V，該值為10V左右。3

9、. 最大差模輸入電壓Uidmax Uidmax是指集成運放的反向輸入端和同向輸入端之間所能承受的最大電壓。第16頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的主要參數(shù)4. 最大共模輸入電壓Uicmax Uicmax是指集成運放所能承受的最大共模輸入電壓，超過這個值，集成運放的共模抑制比將明顯下降，甚至造成器件損壞。5. 差模輸入電阻rid rid是指集成運放兩個輸入端之間的電阻值。rid越大越好，它標志集成運放輸入端向差模信號源索取信號電流的能力大小。6. 輸出電阻ro ro是指集成運放輸出級的輸出電阻。它反應(yīng)了運放的帶負載能力。7. 共模抑制比KCMRR KCMRR

10、是指集成運放的開環(huán)差模輸入電壓放大倍數(shù)與共模輸入電壓放大倍數(shù)之比值，用來衡量輸入級各參數(shù)的對稱程度。 KCMMR越大，運放的共模抑制能力越強。第17頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運算放大器的主要參數(shù)第18頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五理想集成運算放大器理想集成運放的電路模型理想集成運放及其分析依據(jù)（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)（2）差模輸入電阻（3）開環(huán)輸出電阻（4）共模抑制比 理想集成運放的傳輸特性是指表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線。如右圖：理想集成運放的傳輸特性實際特性理想特性第19頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，

11、星期五理想集成運算放大器傳輸特性的特點 傳輸特性可分為線性區(qū)和非線性區(qū)。所以，運算放大器可工作在線性區(qū)也可工作在非線性區(qū)，但是，其分析方法不一樣。線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)當理想運放工作在線性區(qū)時1.理想運放的兩個輸入端的電位相等虛短2.理想運放的兩個輸入端的輸入電流為零。虛斷第20頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五理想集成運算放大器線性區(qū)： uo=Auo(u+-u-)虛短虛斷虛短rid ，故兩輸入端的輸入電流為零。 Auo ，uo為有限值故 u+-u-=uo/Auo0 即 u+ u-分析依據(jù)當有信號輸入時，如同相端接地，即u+=0 則u- 0第21頁，共74頁，2022年，

12、5月20日，4點27分，星期五理想集成運算放大器當理想運放工作在非線性區(qū)時：1.理想運放的兩個輸入端的輸入電流為零。虛斷2.輸出電壓有兩種取值可能當只是兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換點式中：+Uo（sat）為正飽和值-Uo（sat）為負飽和值；第22頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五集成運放的應(yīng)用 概述 運放在信號運算方面的應(yīng)用 運放在信號處理方面的應(yīng)用 運放應(yīng)用中的反饋 集成運放的使用第23頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五概述運放能完成信號的代數(shù)運算有：比例、加減、積分與微分等簡單運算，還能完成對數(shù)與反對數(shù)以及乘除等復雜運算。它們都是線性范圍內(nèi)的運算，都適用疊加

13、原理。問題1.如何保證運放工作在線性區(qū) ? 因為:Auo，即當輸入差模信號極小時（如毫伏級以下的信號），也足以使運放飽和。 由前面學習知: 負反饋能減小放大倍數(shù)，且反饋愈深作用愈明顯；加上負反饋還可在其它方面改善放大電路的性能，所以解決之道是：在電路中引入深度負反饋。第24頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五概述問題2: 是從輸出端將反饋引到同相端還是反相端 引回到反相端 答案是： Rf第25頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五運放在信號運算方面的應(yīng)用比例運算加法運算減法運算積分運算微分運算綜合舉例第26頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，

14、星期五比例運算作用：將信號按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。第27頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五比例運算反向比例運算1.信號從反相端輸入。2. Rf 反饋電阻,從輸出引到反相輸入端.3. R2 平衡電阻用于消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響R2=R1Rf 第28頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五比例運算反向比例運算特點反饋方式電壓并聯(lián)負反饋輸出電阻很??！輸入電阻 ri=R1 為保證一定的輸入電阻，當放大倍數(shù)大時，需增大R2，而大

15、電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。共模電壓為零第29頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五比例運算同向比例運算 因為輸入信號從同向輸入端輸入，所以稱為同向輸入。第30頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五比例運算同向比例運算特例電壓跟隨器第31頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五加法運算作用：將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。類型：同相求和和反相求和（減法運算）。方法：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。第32頁，共74頁，2022年，5月20

16、日，4點27分，星期五加法運算反向加法i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路第33頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五加法運算反向加法i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路第34頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五加法運算同向加法-R1Rf+ui1uoR21R22ui2此電路如果以 u+ 為輸入 ，則輸出為：流入運放輸入端的電流為0（虛開路）第35頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五加法運算比較：-R1Rf+ui1uoR21R22ui2i13u

17、i3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路同相求和電路的各輸入信號的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨調(diào)整。第36頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五加法運算比較：-R1Rf+ui1uoR21R22ui2調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路第37頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五減法運算當運放的兩個輸入端都加入信號時稱為差動輸入第38頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五減法運

18、算當運放的兩個輸入端都加入信號時稱為差動輸入差動放大器放大了兩個信號的差，但是它的輸入電阻不高（=2R1）, 這是由于反相輸入造成的。第39頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五單運放的加減運算電路實際應(yīng)用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6第40頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五比例運算電路與加減運算電路小結(jié)它們都引入電壓負反饋，因此輸出電壓穩(wěn)定、輸出電阻都比較小 關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.同相輸入的共模電壓高，要求運放的CMRR大，反相輸入的共模

19、電壓小。第41頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五積分運算如果將反饋電阻換成電容，則比例運算電路就變成了積分電路00負號表示輸出與輸入反向當ui為階躍信號時最后達到負的飽和值第42頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五積分運算與前面學過的RC積分電路相比，運放所構(gòu)成的有源積分電路其積分曲線的線性度較好。這是因為充電電流基本恒定。右圖是在控制和測量系統(tǒng)中常用的比例-積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）：ui1uo +-R2CFi1R1PI調(diào)節(jié)器ifucRF 可視為反相比例運算和積分運算的疊加。第43頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五積分運算積分電路

20、的主要用途1. 在電子開關(guān)中用于延遲。2. 波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣ā?. A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r間量。4. 移相。第44頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五微分運算微分運算是積分運算的逆運算，所以，如果將輸入電阻換成電容，則比例運算電路就變成了微分電路 當ui為階躍信號時，uo為尖脈沖電壓輸出電壓與輸入電壓的一次微分成正比。00第45頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五微分運算微分運算是積分運算的逆運算，所以，如果將輸入電阻換成電容，則比例運算電路就變成了微分電路若輸入：則：uit0t0uo第46頁，共74頁，2022年，5月20日，4點2

21、7分，星期五微分運算在控制系統(tǒng)中使調(diào)節(jié)過程加速的比例微分調(diào)節(jié)器（PD調(diào)節(jié)器）00uiuo+-R2C1iciRRFifR1第47頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五綜合舉例例1：如圖所示，已知:RF=240k, R1=24k， R2=30k, R3=12k，R4=80k求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3第48頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五綜合舉例例2：如圖所示，求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6第49頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27

22、分，星期五綜合舉例例3：如圖所示，求輸出電壓的大小。_+10k20k+5V5kui20kuo1uo_+20k20k10k 第50頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五綜合舉例例4：如圖所示，求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+第51頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五綜合舉例解：先求解前面運放。uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛開路：第52頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五綜合舉例解：再求解后面運放。uo2uo1R1R1+AR2R2uo+三運放電路是

23、差動放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。第53頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五小結(jié)：熟記各種單運放組成的基本運算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算。會用 “虛開路(ii=0)”和“虛短路(u+=u) ”分析給定運算電路的 放大倍數(shù)。第54頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五運放在信號處理方面的應(yīng)用 電壓比較器 有源濾波器 采樣保持電路第55頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五電壓比較器運放除了能完成信號的運算，還能完成信號濾波、采樣保持及比較等處理工作。電路特點 （1）UR為

24、參考電壓，加在同相輸入端。輸入電壓ui加在反向輸入端。（3）其電壓傳輸特性如圖所示:（2）當uiUR時,輸出電壓uo=-U(sat）.第56頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五電壓比較器如果輸入信號是正弦信號: 調(diào)節(jié)UR的大小,可以改變輸出波形正負半周的寬度.如果UR=0,則構(gòu)成過零比較器.第57頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五電壓比較器過零比較器:傳輸特性電路如果想限制輸出電壓的大小,可以在輸出端接雙向穩(wěn)壓管.第58頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五電壓比較器過零滯回比較器:傳輸特性電路的結(jié)構(gòu)電路特點 （1）輸出端至反向輸入端

25、之間沒有反饋通路，所以屬于開環(huán)應(yīng)用，輸出電壓必為高低兩種電平。 （2）R2和Rf組成正反饋電路，只是為了加快電壓比較器狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)過程，使電壓傳輸特性變的更陡。第59頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五電壓比較器工作過程分析 輸出電壓的變化總是滯后于輸入電壓的變化，所以叫過零滯回比較器。第60頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五有源濾波器濾波器是一種選頻電路選出有用信號，而抑制無用信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減??；而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減大。按選擇頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。將由RC組成的無源濾波器再接

26、到運算放大器的輸入端構(gòu)成有源濾波器（因運放是有源器件），性能會得到較大的改善：體積小、效率高、頻率特性好等。在此僅介紹有源低通濾波和有源高通濾波器第61頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五有源濾波器濾波電路的分類按信號性質(zhì)分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器按所用元件分類無源濾波器和有源濾波器按電路功能分類低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器按階數(shù)分類一階，二階 高階無源濾波器的缺點帶負載能力差。2. 無放大作用。3. 特性不理想，邊沿不陡。4.兩級一階低通濾波器串接時，各級互相影響第62頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五有源濾波器四種典型的頻率特性低

27、通高通帶通帶阻第63頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五有源濾波器有源濾波器的優(yōu)點1. 不使用電感元件，體積小重量輕。2. 有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無需考慮級間影響。 3. 除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。有源濾波器的缺點不宜用于高頻。2. 不宜在高電壓、大電流情況下使用。3. 可靠性較差。4. 使用時需外接直流電源。第64頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五有源低通濾波器畫出其幅頻特性為有放大作用幅頻特性與一階無源低通濾波器類似運放輸出，帶負載能力強。第65頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五有源高通濾波器工作原理稱為截止角頻率稱為電路的頻率特性第66頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五有源高通濾波器工作原理第67頁，共74頁，2022年，5月20日，4點27分，星期五采樣保持電路當輸入信號變化較快時要求輸出信號能快速而準確地跟隨輸入信號的變化進行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。采樣保持技術(shù)常用于數(shù)字電路、計算機和程序控制等裝置中。uiuo +-RC采樣保持電路uc