電子技術(shù)-第三章課件

第3章集成運算放大器3.1

集成運算放大器的簡單介紹3.2

運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用3.5

使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題3.3

運算放大器在信號處理方面的應(yīng)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，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求第3章集成運算放大器3.1

集成運算放大器的簡單介紹3.1.1集成運算放大器的特點

集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。特點：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo高:80dB~140dBrid高:105~1011

ro低:幾十

~幾百

KCMR高:70dB~130dB集成運放的符號：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–

+UCC–UEEuou–u+3.1.2電路的簡單說明輸入級中間級輸出級同相輸入端輸出端反相輸入端

輸入級：都采用差分放大電路，輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號。

中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。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(gòu)成。3.1.3主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOM

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

運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運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IIB3.1.4理想運算放大器及其分析依據(jù)1.理想運算放大器,理想化條件Auo

，rid

，ro0，KCMRR

2.電壓傳輸特性uo=f(ui)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性uo++

u+u–+UCC–UEE–

飽和區(qū)O3.理想運放工作在線性區(qū)的特點因為uo

=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，運放的線性范圍越小，必須加負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)O4.理想運放工作在飽和區(qū)的特點(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u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)3.2

運算放大器在信號運算方面的運用

集成運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，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。

運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負反饋。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，就可以實現(xiàn)不同的運算。3.2.1比例運算1.

反相比例運算（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–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

所以i1

if

因要求靜態(tài)時u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF

結(jié)論：①Auf為負值，即uo與ui

極性相反。因為ui加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運放本身參數(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”。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++––++

–

2.同相比例運算因虛斷，所以i1=if（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++

–

因虛短，所以

u+=

u–=

ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFu+u–ifi1

結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因為ui加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。

當R1=

且RF

=0時，uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++

–

由運放構(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)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++

–

15k

RL15k

+15V7.5k

例：負載電流的大小與負載無關(guān)。

例2：負載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路1.

能測量較小的電壓；2.

輸入電阻高，對被測電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++

–

RLuiR2R1+–++

–

iLi13.2.2加法運算電路1.反相加法運算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

3.2.3減法運算電路由虛斷可得：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輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量放大電路分析方法2：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––3.2.4積分運算電路

由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++

–

uC+–

當電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

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

ui=–Ui<0

采用集成運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是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui

將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運算電路。uoCFuiR2R1++––++

–

RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分

這種運算器又稱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)和積分時間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。3.2.5微分運算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++

–

uitOuotOUi–Ui比例-微分運算電路上式表明：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(yīng)速度和工作穩(wěn)定性?！狿D調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++

–

R1ifiRiC理想運放工作在飽和區(qū)的特點：1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當u+>u－

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時，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uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O3.3運放在信號處理方面的應(yīng)用3.3.2

電壓比較電路電壓比較電路的功能：電壓比較電路用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當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。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較電路閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––當u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo=–

Uo

(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較電路：

當ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR過零電壓比較電路利用電壓比較電路將正弦波變?yōu)榫匦尾║RuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O3.3.3.滯回比較電路上門限電壓下門限電壓

電路中引入正反饋(1)提高了比較電路的響應(yīng)速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RF當uo=+Uo(sat)，則當uo

=–Uo(sat)，則門限電壓受輸出電壓的控制R2uoui