電工與電子技術(shù)集成運(yùn)算放大器課件

電工與電子技術(shù)集成運(yùn)算放大器課件第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容16.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.5

使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2.理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和積分運(yùn)算電路的工作原理，了解有源濾波器的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容16.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.5

使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。

集成電路（IntegratedCircuit,簡(jiǎn)稱IC）

是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上,組成一個(gè)不可分的整體。集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低。集成電路分類按集成度按導(dǎo)電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極型和兩種兼容數(shù)字和模擬集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月各類型號(hào)集成芯片

1.元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；

2.電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；

3.電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接；

4.二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電路的簡(jiǎn)單說明輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路運(yùn)算放大器方框圖輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，都采用帶恒流源的差分放大器

。中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。

偏置電路:

由鏡像恒流源等電路組成，決定靜態(tài)工作點(diǎn)輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號(hào)傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號(hào);(b)引腳

765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月－

15V①②③④⑤⑥I3430PfR8⑦＋15VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的內(nèi)部電路圖第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月主要參數(shù)

1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。

2.開環(huán)差模電壓增益Auo

運(yùn)放沒有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。

6.共模輸入電壓范圍UICM

運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好

3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––反饋：將放大電路輸出端的信號(hào)(電壓或電流)的一部分或全部通過某種電路引回到輸入端。反饋的簡(jiǎn)單介紹esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS通過RE將輸出電流反饋到輸入通過RE將輸出電壓反饋到輸入第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)帶反饋(a)不帶反饋A電子電路方框圖+–A

—凈輸入信號(hào)—反饋信號(hào)—輸出信號(hào)凈輸入信號(hào)：F反饋電路比較環(huán)節(jié)

—輸入信號(hào)基本放大電路若三者同相，則Xd=Xi-Xf,即Xd<Xi,此時(shí),反饋信號(hào)削弱了凈輸入信號(hào),電路為負(fù)反饋。若Xd>Xi

，即反饋信號(hào)起了增強(qiáng)凈輸入信號(hào)的作用則為正反饋。第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月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.共模抑制比由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問題大大簡(jiǎn)化，為此，后面對(duì)運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)

在分析運(yùn)算放大器的電路時(shí)，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)飽和(非線性)區(qū)：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

uo++

u+u––

電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)

O理想運(yùn)算放大器圖形符號(hào)第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”

(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)

O第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)

O飽和區(qū)第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月理想集成運(yùn)放工作狀態(tài)判斷在線性工作狀態(tài)：輸出端至反相輸入端之間有負(fù)反饋電路。在飽和工作狀態(tài)：輸出為開環(huán)或輸出端至同相輸入端之間有正反饋電路。第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容16.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.5

使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16.2.1比例運(yùn)算1.反相比例運(yùn)算(1)電路組成

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。(2)電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+所以i1

if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–

對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

(5)電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低，

ri=R1。共模輸入電壓低。

結(jié)論：

(1)Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。

(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。

(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。

(4)因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月例:電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k

。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–50

10=–5R2=

R1

RF

=1050

(10+50)=8.3k

2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)

10=100k

R2=10100

(10+100)=9.1k

uORFuiR2R1++––++

–

第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u(píng)+=ui

(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u

對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

u+u–第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

(5)電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。

結(jié)論：

(1)Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因?yàn)閡i加在同相輸入端。

(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。

(3)Auf≥1，不能小于1。

(4)u–=u+

≠0,反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)R1=

或RF

=0時(shí)，uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++

–

由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++

–

左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。uo+–++

–

15k

RL15k

+15V

7.5k

例：第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16.2.2加法運(yùn)算電路

1.反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++

–

R2+–因虛斷，i–=0

所以ii1+ii2=if

第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫出u–和u+的表達(dá)式，利用u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無影響；同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16.2.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。常用做測(cè)量放大電路第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月分析方法2：利用疊加原理減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16.2.4積分運(yùn)算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++

–

uC+–

當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時(shí)，則有第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則uitO積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui–Ui第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。ifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。uoCFuiR2R1++––++

–

RF第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++

–

第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月uoC1uiR2RF++––++

–

R1比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性?！狿D調(diào)節(jié)器ifiRiC第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月搜索PIDController

PID

調(diào)節(jié)器第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容16.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.5

使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16.3運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.3.1有源濾波器

濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號(hào)，而抑制無用的信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過，衰減很大。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。有源濾波器：含有運(yùn)算放大器的濾波器。缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。

按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月低通濾波器（low-passfilter

）：允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器（high-passfilter）：允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器（band-passfilter

）：允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。帶阻濾波器（bandeliminationfilter）：抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。-《百度百科》第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++

–

R1+–++––設(shè)輸入為正弦波信號(hào),則有故：第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月若頻率

為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為幅頻特性

0|Auf0||T(j

)|

O第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)

>

0時(shí)，|T(j

)|

衰減很快顯然，電路能使低于

0的信號(hào)順利通過，衰減很小，而使高于

0的信號(hào)不易通過，衰減很大，稱一階有源低通濾波器。為了改善濾波效果，使

>

0時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++

–

R1+–ui+–RC一階二階幅頻特性

0|Auf0||T(j

)|

O第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月16.3.3電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)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(hào)的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。

運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－

0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時(shí)，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo=–

Uo

(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(