電工電子技術課件+963_25第8章.ppt

8 1集成運放簡介 8 2放大電路中的負反饋 8 3理想集成運放的分析方法 8 4集成運放使用中的問題 集成運算放大器 第8章 8 1集成運放簡介 8 1 1集成運放的基本結構 8 1 2集成運放的主要參數(shù) 集成電路 把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導體芯片上 組成一個不可分的整體 集成電路特點 體積小 外部接線少 功耗低 可靠性高 靈活性高 價格低 集成運算放大器 具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器 用于模擬運算 信號處理 測量技術 自動控制等領域 引言 8 1 1集成運放的基本結構 輸入級 差動放大器 減少零點漂移 提高輸入阻抗 輸出級 射極輸出器或互補對稱功率放大器 提高帶載能力 偏置電路 為各級提供穩(wěn)定 合適的靜態(tài)工作點 中間級 電壓放大 集成電路的幾種外形 集成運放的外形有雙列直插式 扁平式和圓殼式3種 如圖所示 常見集成運算放大器的外形 F007外形引線連接圖 運算放大器的符號 反相輸入端 同相輸入端 輸出端 LM741運放外型和管腳 反相輸入端 同相輸入端 輸出端 15V 15V 10k 1k 調(diào)零 當輸入信號為零時 輸出為零 8為空腳 左圖所示為 A741集成運算放大器的芯片實物外形圖 從實物外形圖上可看出 A741集成運放有8個管腳 管腳的排列圖 電路圖符號如下 空腳 正電源端 輸出端 調(diào)零端 調(diào)零端 反相輸入端 同相輸入端 負電源端 集成運放的電路圖符號 外部接線圖 8 1 2集成運算放大器的主要參數(shù) 2 輸入失調(diào)電壓UIO 使UO 0 輸入端施加的補償電壓 幾毫伏 3 輸入失調(diào)電流IIO UO 0時 輸入級兩輸入端的靜態(tài)電流之差 1nA 0 1 A 1 開環(huán)差模電壓增益Aud 104 107 4 差模輸入電阻rid 輸出電阻ro 幾百千歐 幾兆歐 幾十歐 幾百歐 5 共模抑制比KCMR 80dB 6 最大差模輸入電壓UIdmax 共模輸入UIC過大 KCMR下降 當UId過大時 反偏的PN結可能因反壓過大而被擊穿 LM741為 36V 7 最大共模輸入電壓UICmax 9 最大輸出電壓幅度UOPP 如電源電壓 15V UOPP為 13 14V LM741為 16V 兩輸入端間允許加的最大差模輸入電壓 能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關系的最大輸出電壓 8 靜態(tài)功耗PCO 幾十毫瓦 8 2放大電路中的負反饋 8 2 1反饋的基本概念 8 2 2反饋的形式 8 2 3反饋組態(tài)與判別 8 2 5負反饋對放大電路性能的影響 8 2 4反饋放大電路的基本關系式 反饋 將電路的輸出量 電壓或電流 的部分或全部 通過一定的元件 以一定的方式回送到輸入回路 以改善放大電路的某些性能 2 信號的兩種流向 正向傳輸 輸入 輸出 反向傳輸 輸出 輸入 開環(huán) 閉環(huán) 8 2 1反饋的基本概念 正反饋 反饋信號消弱原輸入信號 使輸出量減小 負反饋 反饋信號增強原輸入信號 使輸出量增大 基本放大電路 反饋網(wǎng)絡 負反饋的組成框圖 輸入信號 凈輸入信號 反饋信號 輸出信號 凈輸入信號 反饋信號消弱了凈輸入信號 為負反饋 則 8 2 2反饋的形式 1 反饋極性與判斷 據(jù)反饋極性的不同 將反饋分為正反饋和負反饋 采用瞬時極性法判斷 反饋信號使凈輸入信號減小的 是負反饋 設某一瞬時ui為正 根據(jù)電路情況推出此時反饋信號的正負 判斷正 負反饋 2 直流反饋與交流反饋 據(jù)反饋信號的交直流性質(zhì) 分直流反饋和交流反饋 直流反饋的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點 如具有旁路電容的共射極放大電路的射極電阻 而射極輸出器中的射極電阻 除起直流反饋作用外 也起交流反饋作用 電壓反饋 反饋信號取自輸出電壓的部分或全部 電流反饋 反饋信號取自輸出電流 據(jù)反饋電路從輸出端的取樣方式不同分為 3 電壓反饋與電流反饋 串聯(lián)反饋 反饋信號與輸入信號以電壓相加減的形式在輸入端出現(xiàn) 并聯(lián)反饋 反饋信號與輸入信號以電流相加減的形式在輸入端出現(xiàn) 負反饋的類型有四種 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 據(jù)反饋信號與放大器輸入信號連接方式不同分為 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 4 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋 8 2 3負反饋的組態(tài)與判別 四種反饋形式可組合成下列四種類型的負反饋 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 1 電壓串聯(lián)負反饋 將輸入信號交流短路后 若反饋信號消失了 則為并聯(lián)反饋 否則為串聯(lián)反饋 2 電壓并聯(lián)負反饋 3 電流串聯(lián)負反饋 常用 輸出短路法 即假設負載短路 RL 0 使輸出電壓uo 0 看反饋信號是否還存在 若反饋信號不存在了 說明是電流負反饋 將輸入信號交流短路后 若反饋信號消失了 則為并聯(lián)反饋 否則為串聯(lián)反饋 4 電流并聯(lián)負反饋 判斷是電壓反饋還是電流反饋時 常用 輸出短路法 即假設負載短路 RL 0 使輸出電壓uo 0 看反饋信號是否還存在 若存在 則說明反饋信號與輸出電壓成比例 是電壓負反饋 例 輸入回路 輸出回路 判斷電路是否存在反饋 并判斷反饋類型 RE介于輸入輸出回路 有反饋 反饋使uBE減小 為負反饋 uf 反饋取自輸出端為電壓反饋 反饋信號與輸入信號在不同輸入端 為串聯(lián)反饋 電壓串聯(lián)負反饋 電流串聯(lián)負反饋 例 判斷反饋類型 RE介于輸入輸出回路 有反饋 反饋使uBE減小 為負反饋 反饋不是取自輸出端 為電流反饋 反饋信號與輸入信號在不同輸入端 為串聯(lián)反饋 例 判斷反饋類型 Rf為輸入回路和輸出回路的公共電阻 故有反饋 RL 0 無反饋 故為電壓反饋 反饋信號與輸入信號都加在了反相輸入端 故為并聯(lián)反饋 電壓并聯(lián)負反饋 反饋使凈輸入電流減小 為負反饋 8 2 4反饋放大電路的基本關系式 基本放大電路 反饋網(wǎng)絡 輸入信號 凈輸入信號 反饋信號 輸出信號 凈輸入信號 開環(huán)放大倍數(shù) 反饋系數(shù) 閉環(huán)放大倍數(shù) 8 2 5負反饋對放大器性能的影響 1 降低放大倍數(shù) 由于負反饋的存在 使放大器的凈輸入信號減小 輸出電壓減小 所以包含反饋回路后的電壓放大倍數(shù)降低 2 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 放大器在工作過程中 由于環(huán)境溫度變化 晶體管老化 電源電壓波動等情況 都會引起輸出電壓變化 使電壓放大倍數(shù)不穩(wěn)定 加入負反饋 在同樣的外界條件變化時 電流負反饋可以穩(wěn)定輸出電流 電壓負反饋可以穩(wěn)定輸出電壓 電壓放大倍數(shù)變化較小 即比較穩(wěn)定 3 減少非線性失真 加入負反饋 無負反饋 F uf uo 略大 略小 略小 略大 產(chǎn)生了失真 接近正弦波 失真得到改善 4 對放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響 輸入電阻增大 輸入電阻減小 輸出電阻增大 穩(wěn)定輸出電流 輸出電阻減小 穩(wěn)定輸出電壓 8 3理想集成運放的分析方法 8 3 1理想集成運放及其傳輸特性 8 3 2集成運放的線性應用 8 3 3集成運放的非線性應用 理想化的主要條件 開環(huán)差模電壓增益 開環(huán)差模輸入電阻 開環(huán)輸出電阻 共模抑制比 在分析運算放大器的電路時 一般把運算放大器看成理想元件 8 3 1理想集成運放及其傳輸特性 開環(huán)共模輸入電阻 1 理想集成運放 工作在線性區(qū)的理想運放 相當于兩輸入端之間短路 但又未真正短路 故稱 虛短 相當于兩輸入端之間斷路 但又未真正斷路 故稱 虛斷 2 i i 0 1 u u 而uo是有限值 運放開環(huán)輸入電阻 由于 故從式 可知 虛短 虛斷 i i 運算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關系曲線稱為傳輸特性 實際運放電壓傳輸特性 UO UO 線性工作區(qū) 正飽和區(qū) 負飽和區(qū) 很大 UO UO 為負 正飽和電壓 2 集成運放的傳輸特性 理想運放傳輸特性 UO UO 正飽和區(qū) 負飽和區(qū) 理想運放 時 當 為了讓運放工作在線性區(qū) 必須加負反饋 限制其閉環(huán)電壓放大倍數(shù) 8 3 2集成運放的線性應用 1 信號運算電路 1 反相比例運算電路 虛斷 虛地 平衡電阻 輸入電阻 若 則 2 同相比例運算電路 可見同相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)必定大于1 而且僅由外接電阻的數(shù)值來決定 與運放本身的參數(shù)無關 上式表明 輸出電壓與輸入電壓之間也存在著比例運算關系 且輸出電壓與輸入電壓相位相同 當R1 時 跟隨器 當R1 Rf 0時 同相比例運算主要特點 1 輸入與輸出信號同相 2 輸入電阻大 輸出電阻小 3 存在共模輸入信號 對KCMR的要求高 例 如圖所示電路 計算輸出電壓uo的大小 解 該電路是一電壓跟隨器 u 7 5V 輸出電壓uo 7 5V 3 加法運算電路 在集成運放的反相輸入端增加若干個輸入信號組成的電路 就構成了反相加法運算電路 如圖所示 若Rf R1 R2 則uO uI1 uI2 R R1 R2 Rf 平衡電阻 4 減法運算電路 在集成運放的兩個輸入端都加上輸入信號 就構成了減法運算電路 如圖所示 整理可得 輸出電壓與輸入電壓的差值成正比例 從而能進行減法運算 將要求實現(xiàn)的與上式比較可得 例 若給定反饋電阻RF 10k 試設計實現(xiàn)的運算電路 5 積分電路 當uI為階躍電壓時 則 t uo隨時間線性下降 最后達到負飽和值 例 利用積分電路將方波變成三角波 10k 10nF 時間常數(shù) R1Cf 0 1ms 設uC 0 0 5V 5V 6 微分運算電路 當uI為階躍電壓時 uo為尖脈沖電壓 8 3 3集成運放的非線性應用 當運放工作于開環(huán)或正反饋的工作狀態(tài)時 運放工作在非線性區(qū) 運放的非線性特性在自動控制系統(tǒng)和數(shù)字技術中有廣泛應用 1 電壓比較器 電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一個參考電壓進行比較 當兩者相等時產(chǎn)生躍變 由此判別輸入信號的大小和極性 1 電壓比較器 ui 輸入電壓 UREF 參考電壓 當ui UREF時 uO UOM ui UREF時 uo UOM ui UREF時 uO發(fā)生躍變 UOM UOM UREF 電壓傳輸特性 當參考電壓UREF 0時 稱為過零比較器 若ui為正弦波 畫出uo的波形 UOM UOM UREF 0 UREF 1V UOM UOM 在輸出端與反相輸入端接一個雙向穩(wěn)壓管 即可把輸出電壓限制在某一特定值 限幅電壓比較器 電壓傳輸特性 當ui 0時 uO UZ ui 0時 uO UZ 2 滯回比較器 滯回比較器是一種能判斷出兩種狀態(tài)的開關電路 廣泛應用于自動控制電路中 UOM UOM u 滯回特性 u 上門限電平 下門限電平 回差電壓 可改變參考電壓改變門限電平 改變R2Rf改變回差 試分析集成運放構成電壓比較器的電路結構與一般線性運算電路的結構有什么區(qū)別 如何判斷之 答案在書中找 8 4集成運放使用中的問題 1 選用元件 集成運放按技術指標可分為 通用型 高輸入阻抗型 低功耗型 低漂移型 高速型 高壓型 大功率型等 1 高輸入阻抗型 主要用于測量放大器 模擬調(diào)節(jié)器 有源濾波器及采樣 保持電路等 典型器件為5G28 2 低漂移型 主要用于精密檢測 精密模擬計算 自控儀表等 典型器件為5G7650 4 低功耗型 主要用于遙測 遙感 生物醫(yī)學和空間技術研究等對能源消耗有限制的場合 5 大功率型 主要用于要求輸出功率大的場合 典型器件為MGELI65 選型時 除了滿足主要性能指標外 還應考慮經(jīng)濟指標 綜合考慮 選用合適的運算放大器 3 高速型 主要用于快