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第5章集成運算放大器 5 5正弦波發(fā)生器 5 1集成運算放大器簡介 5 2放大電路中的負反饋 5 3集成運放的線性應用 5 4集成運放的非線性應用 5 6集成運算放大器的正確使用 1 了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義 2 理解運算放大器的電壓傳輸特性 掌握理想運算放大器的基本分析方法 3 理解反饋的概念 掌握負反饋對放大電路性能的影響 4 掌握用集成運放組成的基本運算電路的工作原理 5 理解電壓比較器的工作原理和應用 6 了解振蕩電路自激振蕩的條件和RC振蕩電路的工作原理 本章要求 將整個電路的各個元件做在一個半導體基片上 按集成度分 小 SSI 中 MSI 大 LSI 超大 VLSI 規(guī)模集成電路 集成電路 優(yōu)點 工作穩(wěn)定 使用方便 體積小 重量輕 功耗小 按功能分 模擬集成電路 數(shù)字集成電路 5 1集成運算放大器簡介 IntegratedCircuits 集成運算放大器是模擬集成電路的一種 是高增益的直接耦合放大電路 簡稱集成運放 用于各種模擬信號的運算 如比例運算 微分運算 積分運算 具有高性能 低價位 在模擬信號處理和信號產(chǎn)生電路中幾乎完全取代了分立元件放大電路 5 1 1集成運放的結構和符號 輸入級 中間級 輸出級 同相輸入端 輸出端 反相輸入端 1 結構 偏置電路 給各級電路提供穩(wěn)定和合適的靜態(tài)工作點 輸出級 與負載相接 要求輸出電阻低 帶負載能力強 一般由互補對稱電路或射極輸出器構成 中間級 要求電壓放大倍數(shù)高 常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構成 輸入級 輸入電阻高 能減小零點漂移和抑制干擾信號 都采用帶恒流源的差放 2 特點 電路元件制作在一個芯片上 元件參數(shù)偏差一致 溫度均一性好 電阻元件的阻值范圍在100 30k 且精度低 集成運放的大電阻用晶體管恒流源代替或采用外接 電容元件為200PF以下的小電容 大電容一般采用外接 二極管一般用三極管的發(fā)射結構成 高增益 高可靠性 低成本 小尺寸 Auo高 80dB 140dB rid高 105 1011 ro低 幾十 幾百 KCMRR高 70dB 130dB uo 輸出端 u 反相輸入端 u 同相輸入端 uo與u 反相 uo與u 同相 LM741 集成運放的常用符號 3 符號 1 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod 一般約為80 140dB 即104 107倍 無外加反饋的情況下的差模電壓放大倍數(shù) 增益 通常用分貝 dB 表示 2 共模抑制比KCMRR 一般KCMRR的值為80dB以上 越大越好 5 1 2集成運放的主要技術指標 衡量差動管向輸入信號索取電流大小的標志 3 差模輸入電阻rid 一般rid的值為2M 以上 越大越好 高達106M 4 開環(huán)輸出電阻ro 反映集成運放的帶負載能力 一般ro為幾百 性能較高的集成運放的ro可小于100 UIO是為了使輸出電壓為0 在輸入端加的補償電壓 反映了運放輸入端兩管的對稱度 5 輸入失調(diào)電壓UIO 一般UIO的值為1 V 20mV 越小越好 7 最大輸出電壓UoppF007為 12V 13V 略低于 UCC 兩個輸入端靜態(tài)電流IB1 IB2之差 6 輸入失調(diào)電流IIO 一般IIO的值為1nA 0 1 A 越小越好 運放選擇與使用的注意事項 盡量選擇通用的運放 學會辨認管腳 搞清主要參數(shù)UCC ri ro Io等 搞清是否需要加直流偏置 搞清是否需要加調(diào)零電路及輸入 輸出的保護電路 5 1 3集成運放的電壓傳輸特性與理想化模型 1 理想運算放大器的條件和符號 開環(huán)差模輸入電阻rid 共模抑制比KCMR 開環(huán)輸出電阻ro 0 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod 理想運算放大器的符號 2 電壓傳輸特性 實際特性 理想特性 負反饋特性 線性區(qū) 放大區(qū) 非線性區(qū) 飽和區(qū) 線性區(qū)內(nèi) Ao 線性區(qū)間太窄 使用時必須加深度負反饋 使Ao降低 增寬線性區(qū)間 輸出兩種狀態(tài) u u 時 uo UOM u u 時 uo UOM UOM 12 13 V 5 2放大電路中的反饋 反饋 將放大電路輸出信號 電壓或電流 的部分或全部反送到輸入端 控制輸入信號 這一過程稱為反饋 正反饋 反饋信號使凈輸入信號增大 放大倍數(shù)升高 稱為正反饋 5 2 1反饋的基本概念 1 什么是反饋 負反饋 反饋信號使凈輸入信號減小 放大倍數(shù)降低 稱為負反饋 實際放大電路中 總要引入反饋 以改善電路的性能 2 反饋的框圖表示 開環(huán)系統(tǒng) 無反饋系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng) 無反饋系統(tǒng) 凈輸入信號 開環(huán)放大倍數(shù) 閉環(huán)系統(tǒng) 有反饋系統(tǒng) 開環(huán)放大倍數(shù) 反饋系數(shù) 凈輸入信號 閉環(huán)放大倍數(shù) 其中 凈輸入信號 3 反饋深度分析 稱為深度負反饋 4 反饋的類型 電壓反饋和電流反饋 電壓 電流看輸出 故稱為電壓反饋 故稱為電流反饋 從輸出看 反饋量取自輸出電壓 并與之成比例 為電壓反饋 反饋量取自輸出電流 并與之成比例 為電流反饋 uf正比uo uf正比io 判別電壓 電流反饋的方法 短接輸出法 將輸出端短接 反饋信號消失 稱為電壓反饋 將輸出端短接 反饋信號仍存在 稱為電流反饋 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 串聯(lián) 并聯(lián)看輸入 故稱為串聯(lián)反饋 故稱為并聯(lián)反饋 判別串聯(lián) 并聯(lián)反饋的方法 短接輸入法 將輸入端短接 反饋信號消失 稱為并聯(lián)反饋 將輸入端短接 反饋信號仍存在 稱為串聯(lián)反饋 反饋的類型 電壓串聯(lián)負反饋 電壓并聯(lián)負反饋 電流串聯(lián)負反饋 電流并聯(lián)負反饋 5 2 2反饋類型的判別 1 判別有無反饋 找反饋元件 a c d b e f 2 判別正 負反饋 瞬時極性法 標出反饋元件所接的輸入端和輸出端的瞬時極性 找出反饋信號 列出凈輸入信號的表達式進行判別 若凈輸入信號減弱為負反饋 若凈輸入信號增強為正反饋 ui uo RL R2 R1 RF a if ii id ud uf 電路為負反饋 電路為負反饋 if ii id ud uf 在單級運算放大器中 將反饋信號接到反相輸入端為負反饋 電路為負反饋 電路為負反饋 3 判別電壓 電流反饋 電壓 電流看輸出 if與uo有關 為電壓反饋 if與uo有關 為電壓反饋 反饋信號與輸出電壓從輸出同一端引出時 為電壓反饋 同出為壓 反饋信號與輸出電壓不是從輸出同一端引出時 為電流反饋 異出為流 RL不是直接接地 RL不是直接接地 if與io有關 為電流反饋 uf與io有關 為電流反饋 4 判別串聯(lián) 并聯(lián)反饋 串聯(lián) 并聯(lián)看輸入 if與ii并聯(lián) 為并聯(lián)反饋 uf與ui串聯(lián) 為串聯(lián)反饋 反饋信號與輸入電壓從輸入同一端引入時 為并聯(lián)反饋 同入為并 反饋信號與輸入電壓不是從輸入同一端引入時 為串聯(lián)反饋 異入為串 電壓并聯(lián)負反饋 電壓串聯(lián)負反饋 電流并聯(lián)負反饋 電流串聯(lián)負反饋 ube uf 異出為流 異入為串 電流串聯(lián)負反饋 ic uf ube ui uf ib ic 可見 電流負反饋穩(wěn)定輸出電流 ic ib 電路為負反饋 uf ube 同出為壓 異入為串 電壓串聯(lián)負反饋 if ii ib 同出為壓 同入為并 電壓并聯(lián)負反饋 電路為負反饋 電路為負反饋 uo if ib ii if uo 可見電壓負反饋 穩(wěn)定輸出電壓 ic ic 如 Rf只對交流起反饋作用 5 交流反饋與直流反饋 在反饋支路中串入隔直電容 為交流反饋 在反饋支路兩端并聯(lián)旁路電容 為直流反饋 如 RE2只有直流反饋 起穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用 反饋支路無電容時即有交流反饋也有直流反饋 如 RE1 為電壓串聯(lián)負反饋 為電流串聯(lián)負反饋 為電流串聯(lián)負反饋 試判別下圖放大電路中從運算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路 解 因反饋電路直接從運算放大器A2的輸出端引出 所以是電壓反饋 因輸入信號和反饋信號分別加在反相輸入端和同相輸入端上 所以是串聯(lián)反饋 因輸入信號和反饋信號的極性相同 所以是負反饋 串聯(lián)電壓負反饋 先在圖中標出各點的瞬時極性及反饋信號 ud 試判別下圖放大電路中從運算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路 解 因反饋電路是從運算放大器A2的負載電阻RL的靠近 地 端引出的 所以是電流反饋 因輸入信號和反饋信號均加在同相輸入端上 所以是并聯(lián)反饋 因凈輸入電流id等于輸入電流和反饋電流之差 所以是負反饋 并聯(lián)電流負反饋 運算放大器電路反饋類型的判別方法 1 反饋電路直接從輸出端引出的 是電壓反饋 從負載電阻RL的靠近 地 端引出的 是電流反饋 2 輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端 同相和反相 上的 是串聯(lián)反饋 加在同一個輸入端 同相或反相 上的 是并聯(lián)反饋 3 對串聯(lián)反饋 輸入信號和反饋信號的極性相同時 是負反饋 極性相反時 是正反饋 4 對并聯(lián)反饋 凈輸入電流等于輸入電流和反饋電流之差時 是負反饋 否則是正反饋 同出為壓 異出為流 異入為串 同入為并 5 2 3負反饋對放大電路性能的影響 1 降低放大倍數(shù) 2 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 用相對變化率判斷穩(wěn)定 負反饋時 或者 有閉環(huán)的放大倍數(shù)穩(wěn)定性比開環(huán)好 3 改善非線性失真 有負反饋時的波形 4 展寬通頻帶 在BW內(nèi) AXO 高 反饋強 使 AXf 下降多 在BW外 AXO 低 反饋弱 使 AXf 下降少 這樣使特性曲線的兩端較平緩 所以通頻帶展寬 5 改變輸入電阻和輸出電阻 對輸入電阻ri的影響 串聯(lián)反饋使放大電路的輸入電阻ri增大 深度負反饋 并聯(lián)反饋使放大電路的輸入電阻ri減小 深度負反饋 對輸出電阻ro的影響 電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓 使輸出電阻ro減小 A 為負載開路時的源電壓放大倍數(shù) 深度負反饋 電流負反饋穩(wěn)定輸出電流 使輸出電阻ro增大 A 為負載短路時的源電壓放大倍數(shù) 深度負反饋 5 2 4放大電路引入負反饋的一般原則 1 欲穩(wěn)定某個量 則引該量的負反饋 穩(wěn)定直流 引直流反饋 穩(wěn)定交流 引交流反饋 穩(wěn)定輸出電壓 引電壓反饋 穩(wěn)定輸出電流 引電流反饋 2 根據(jù)對輸入 輸出電阻的要求選擇反饋類型 要提高輸入電阻 采用串聯(lián)反饋 要降低輸入電阻 采用并聯(lián)反饋 要求高內(nèi)阻輸出 采用電流反饋 要求低內(nèi)阻輸出 采用電壓反饋 3 為使反饋效果強 根據(jù)信號源及負載確定反饋類型 信號源為恒壓源 采用串聯(lián)反饋 信號源為恒流源 采用并聯(lián)反饋 要求負載能力強 采用電壓反饋 要求恒流源輸出 采用電流反饋 填空 直流負反饋 交流負反饋 交流正反饋 交流負反饋 交流負反饋 直流負反饋 2 如希望減小放大電路從信號源索取的電流 則可采用 如希望取得較強的反饋作用而信號源內(nèi)阻很大 則宜采用 如希望負載變化時輸出電流穩(wěn)定 則應引入 如希望輸出電壓穩(wěn)定 則應引入 串聯(lián)負反饋 并聯(lián)負反饋 電流負反饋 電壓負反饋 如果需要實現(xiàn)下列要求 在交流放大電路中應引入哪種類型的負反饋 1 要求輸出電壓Uo基本穩(wěn)定 并能提高輸入電阻 2 要求輸出電流Io基本穩(wěn)定 并能減小輸入電阻 3 要求輸出電流Io基本穩(wěn)定 并能提高輸入電阻 答 電壓串聯(lián)負反饋 答 電流并聯(lián)負反饋 答 電流串聯(lián)負反饋 5 3集成運放的線性應用 5 3 1理想運放線性應用的分析依據(jù) 1 凈輸入端的電流近似為零 由rid i i 0 入端電流為零 虛斷 2 凈輸入端的電位近似相等 由Aod u u 入端電位相等 虛短 5 3 2比例運算電路 1 反相比例運算 1 反相比例運算 反相端輸入時 u 0稱為 虛地 輸入電阻 反饋類型 電壓并聯(lián)負反饋 平衡電阻 R2 R1 RF 共模電壓 若RF R1時 則uo ui稱為反相器 2 同相比例運算器 輸入電阻 反饋類型 電壓串聯(lián)負反饋 平衡電阻 R2 R1 RF 共模電壓 若RF 0 或R1 時 則uo ui稱為同相器 電壓跟隨器 1 反相加法運算器 5 3 3加 減運算電路 2 同相加法運算器 此電路如果以up為輸入 則輸出為 3 減法運算器 解得 用疊加原理 ui1單獨作用時 ui2單獨作用時 1 積分運算器 輸入方波 輸出是三角波 5 3 4積分 微分運算電路 如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓 輸出將反相積分 經(jīng)過一定的時間后輸出飽和 U 積分時限 積分時限 2 微分運算器 u u 0 解得 3 比例 微分運算電路 PD調(diào)節(jié)器 if 上式表明 輸出電壓是對輸入電壓的比例 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)有較快的響應速度和工作穩(wěn)定性 if 5 3 5測量放大電路 第一級 第二級 為減法器 uo1 uo2 求圖示電路的uo與ui的運算關系 求圖示電路的uo與ui1和ui2的運算關系 第一級 解 第二級 由疊加原理 ui1單獨作用時 ui2單獨作用時 5 3 5有源濾波器 1 濾波電路的分類 按信號分類 模擬濾波器和數(shù)字濾波器 按功能分類 按元件分類 無源濾波器和有源濾波器 低通濾波器 高通濾波器 帶通濾波器 帶阻濾波器 2 一階低通濾波器 無源濾波器 截止頻率 無源濾波器缺點 帶負載能力差 無放大作用 各級互相影響 一階有源低通濾波器 電路為電壓串聯(lián)負反饋 輸入電阻大 減輕信號源負擔 有隔離作用 輸出電阻小 具有較強的帶負載能力 幅頻特性 截止頻率 有放大作用 帶負載能力強 為了改善濾波效果可采用二階有源低通濾波器 3 一階有源高通濾波器 幅頻特性 截止頻率 4 帶通與帶阻濾波器 帶通濾波器 低通的截止頻率大于高通的截止頻率 帶阻濾波器 低通的截止頻率小于高通的截止頻率 模擬開關 模擬輸入信號 1 電路 5 3 6采樣保持電路 采樣保持電路 多用于模 數(shù)轉換電路 A D 之前 由于A D轉換需要一定的時間 所以在進行A D轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣 并把采樣值保存一段時間 以滿足A D轉換電路的需要 用于數(shù)字電路 計算機控制及程序控制等裝置中 采樣存儲電容 控制信號 電壓跟隨器 2 工作原理 采樣階段 uG為高電平 S閉合 場效應管導通 ui對存儲電容C充電 uo uC ui 保持階段 uG為0 S斷開 場效應管截止 輸出保持該階段開始瞬間的值不變 采樣速度愈高 愈接近模擬信號的變化情況 5 4集成運放的非線性應用 運放處于開環(huán)狀態(tài)或正反饋狀態(tài) 工作在非線性區(qū) 飽和區(qū) 運放的輸出有兩種狀態(tài) u u 時 uo UOM 高電平 u u 時 uo UOM 低電平 5 4 1理想運放非線性應用的分析依據(jù) 5 4 2電壓比較器 1 過零電壓比較器 2 電壓傳輸特性 uo f ui 電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測 自動控制 超限控制報警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應用 ui 輸入電壓 uR 參考電壓 1 分析 UR 0 2 任意電壓比較器 2 電壓傳輸特性 DZ為限幅電路 1 分析 3 輸出波形 設 UR為正值 UR 3 窗口比較器 uo uO1 uO2 設U1 U2 比較器采用單電源 UOmax 截止導通 UZ 0 UOmax 0 導通截止 UZ 0 0 截止截止 0 UZ U1 U2 三極管 值分選電路 分析電路是否滿足要求 3CG 100 LED亮 50 100 LED不亮 LED 解 IB 15 0 7 1430 0 01mA 當 50時 IC 0 5mA UC 2 5V D2導通 LED亮 當 100時 IC 1mA UC 5V D1導通 LED亮 當50 100時 2 5V UC 5V LED不亮 4 遲滯比較器 電路組成 R1 R2引入了正反饋 門限電壓 R3 DZ為限幅電路 傳輸特性 回差電壓 回差電壓越大 抗干擾能力越強 ui上升時看上門限 ui下降時看下門限 過了門限輸出變 門限跟著輸出變 試 畫出uo的波形 具有參考電壓的遲滯電壓比較器 解 對圖 1 上門限電壓 下門限電壓 電路如圖所示 Uo sat 6V UR 5V RF 20k R2 10k 求上 下門限電壓 1 2 解 對圖 2 電路如圖所示 Uo sat 6V UR 5V RF 20k R2 10k 求上 下門限電壓 1 2 1 2 遲滯電壓比較器 開關電路 1 方波發(fā)生器 2 門限電壓UT 1 電路組成 RC積分電路 定時電路 5 4 3運放在波形產(chǎn)生方面的應用 波形發(fā)生器 產(chǎn)生一定頻率 幅值的波形 如正弦波 方波 三角波 鋸齒波等 特點 不用外接輸入信號 即有輸出信號 3 工作原理 設t 0時 uo UZ C充電 uC 當uC uTH時 uo UZ C放電 uC 當uC uTL時 uo UZ ui上升時看上門限 ui下降時看下門限 過了門限輸出變 門限跟著輸出變 T T1 T2 4 周期與頻率 電容充放電過程 uC的響應規(guī)律為 t3 t2 t1 在充電過程中 在放電過程中 矩形波的周期 矩形波的頻率 充放電時間常數(shù)相同 RC 矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號源 占空比q 50 5 4 3壓控方波產(chǎn)生電路 1 積分 施密特觸發(fā)器型壓控振蕩器 壓控恒流源 積分器 鏡象電流源 uO UOL T3截止 uO UOH C充電至UT T3導通 C放電至UT uO UOL 占空比50 2 8038集成函數(shù)發(fā)生器 I01 原理 當Q 0 S斷開 C充電 I01 至2 3VCC Q 1 當Q 1 S閉合 C放電 I02 I01 至1 3VCC Q 0 當I02 2I01 引腳9輸出方波 引腳3輸出三角波 當I02 2I01 引腳9輸出矩形波 引腳3輸出鋸齒波 應用 正弦波失真度調(diào)整 正弦波失真度調(diào)整 正弦波輸出 三角波輸出 矩形波輸出 調(diào)頻偏置電壓輸入 調(diào)頻偏置電壓輸出 接電阻RA 接電阻RB 接電容C VCC VEE 或地GND 調(diào)占空比和正弦波失真 A1 滯回比較器因u 0 所以當u 0時 A1狀態(tài)改變 5 4 4三角波發(fā)生器 1 電路結構 A2 反相積分電路 方波 積分電路 三角波 2