第5章 运算放大器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 集成运算放大器,8.1,集成运算放大器概述,8.3,运算放大器在信号运算方面的应用,8.4,运算放大器在信号处理方面的应用,8.2,运算放大电路中的负反馈,1,、了解集成运放的基本组成、特点、电压传,输特性和主要参数。,2,、理解反馈的概念，了解反馈的类型。,3,、掌握理想运算放大器的分析方法。,4,、,重点,:,用集成运放组成的比例、加、减、微分和积分电路。,5,、理解用集成运放组成的电压比较器的工作,原理。,本章要求：,集成电路,：用一定的生产工艺把整个电路中的元器件及它们之间的连线制作在一块半导体芯片上，构成具有特定功能的电子电路。,集成电路,特点：工作稳定，使用方便，体积小，重量轻，,功耗小，实现了元件、电路和系统的统一。,数字集成电路,模拟集成电路：集成运算放大器,集成电路简介,8.1,集成运算放大器概述,一、集成运算放大器的特点及组成,集成运算放大器是一种具有高放大倍数的直,接耦合放大器，是一种常用的模拟集成电路。,特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,r,i,高,:,几十,k,几百,k,K,CMR,（共模抑制比）,很大,r,o,小,：几十,几百,A,uo,很,大,:10,4,10,7,组成：,由,四个基本部分组成,输入级,中间级,输出级,偏置电路,u,-,u,+,u,o,集成运放的组成,输入级：,集成运放的关键部分，要求其输入电阻高，,能减小零点漂移和抑制干扰信号,常采用差,动放大电路。,中间级：,主要作用是进行电压放大，又称电压放大,级。常采用一级或多级共射放大电路构成。,输出级：,要向负载提供一定的功率，要求输出阻抗,小，带负载能力强。,偏置电路：,为各级提供合适的偏置电流。,输入级,中间级,输出级,二、集成运放的工作原理,反相,输入端,同相,输入端,输出端,+U,CC,u,i,-U,CC,u,o,T,3,T,4,T,5,T,1,T,2,I,S,1,2,3,+,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,集成运放的输入级,差动放大器,基本差放的电路组成,由两个对称的单管共射放大电路组成,输入方式,双端输入：信号由两个输入端之间输入。,u,i,=,u,i1,-,u,i2,单端输入：信号由一端输入，另一端接地。,u,i,=,u,i1,；,u,i2=0,双端输出：信号由两个输出端之间输出。,u,o,=,u,o1,-,u,o2,单端输出：信号由某一端对地输出,。,u,o,=,u,o1,输出方式,共模输入,两个,输入信号大小相等,极性相同,即,u,i,1,=,u,i,2,称为共模输入。,差模输入,两个,输入信号大小相等,极性相反,即,u,i,1,=-,u,i,2,称为差模输入。,输入信号,零点漂移的抑制,u,o1,u,o2,u,o,u,i1,=,u,i2,=0,差模电压放大倍数,共模电压放大倍数,共模抑制比,差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,+,+,A,o,u,o,u,+,u,-,。,。,。,+,U,CC,U,EE,运放的符号：,运放外形：,8,1,圆壳式,双列直插式,1,2,3,4,5,6,7,8,2,反相输入端，输出与输入反相,3,同相输入端，输出与输入同相,4,负电源端,7,正电源端,6,输出端,1,和,5,外接调零电位器,8,空端,三、集成运放的特性,1),开环差模电压增益,A,o,：,指运放输出端与输入端,之间无外加回路,(,称开环,),时，输出电压与输入电压的,比值。,是决定运放运算精度的主要因素。越大越好。,2),最大输出电压,U,omax,：,能使输出和输入保持不失,真关系的最大输出电压。,3),输入失调电压,U,IO,4),输入失调电流,I,IO,5),输入偏置电流,I,IB,愈小愈好,1,、主要参数,6),共模输入电压范围,U,ICM,7),共模抑制比,K,CMR,2,、集成运放的电压传输特性,指,开环应用时输出电压与输入电压的关系曲线：,+,U,o(sat,),-,U,o(sat,),u,d,=,u,+,u,-,u,o,线性区,负饱和区,正饱和区,可见，集成运放,有两个工作区：,线性区、饱和区,工作在线性区时：,工作在饱和区时：,U,o,+,、,U,o,-,的绝对值分别小于正负电源值,四、理想运算放大器及其分析依据,1,、理想运算放大器,Ao,，,K,CMR,，,r,id,，,r,o,0,2,、理想运放的电路符号和电压传输特性,U,o,+,U,o,-,u,d,=,u,+,u,-,u,o,u,o,+,+,u,+,u,-,。,。,。,3,、理想运放工作在线性区时的分析依据,A,o,=,，,u,o,为有限值,“,虚短,”,：,差模输入电压约等于,0,，即,u,+,=u,+,+,u,o,u,-,。,u,+,i,+,i,-,u,u,=,0,可以认为集成运放的两个输入端电位相等，象短接,一样，称为“虚短”。,如果运放的同相端接地,则反相输入端近似等于“地”电位 ，称,虚地,。,“,虚断,”,：,输入电流约等于,0,，即,i,+,=i,=0,r,id,两个输入端的电流视为,0,，好像输入端与运放断开,一样，称为“虚断”。,+,+,u,o,u,-,。,u,+,i,+,i,-,一、反馈的基本概念,反馈：,指将输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路（反馈网络）引回到输入端，来影响输入量（电压或电流）的一种过程。,8.2,放大电路中的负反馈,反馈放大电路的三个环节：,基本放大电路,比较环节,1,、反馈的定义和表示法,反馈,电路,F,反馈电路,输出信号,输入信号,反馈信号,反馈系数,净输入信号,基本放大,电路,A,o,放大倍数,2,、负反馈放大电路的一般表达式,负反馈：,X,f,和,X,i,极性相反使,X,d,减小，,反馈信号削弱净输入信号。,正反馈：,X,f,和,X,i,极性相同使,X,d,增大，反馈信号增强净输入信号。,+,+,开环放大倍数,引入反馈后，反馈放大电路的放大倍数称为,闭环放,大倍数,，用,A,f,表示，则反馈放大电路的基本关系式：,引入负反馈后，闭环放大倍数下降。,反馈深度,反映了负反馈的强弱程度。,若,称为,深度负反馈,，此时：,在深度负反馈的条件下，,闭环放大倍数,A,f,取决于反馈系数,F,，,与开环放大倍数,A,o,无关。,越大，越小，反馈越强烈。,直流反馈：,反馈只对直流分量起作用，反馈,元件只能传递直流信号。,交流反馈：,反馈只对交流分量起作用，反馈,元件只能传递交流信号。,引入交流负反馈的目的：,改善放大电路的性能。,引入直流负反馈的目的：,稳定静态工作点。,二、负反馈的类型,1.,负反馈的类型,1),根据反馈信号本身的交、直流性质，分为直流反馈和交流反馈。,2),根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,电流负反馈,具有,稳定输出电流,、增大输出电阻的作用。,电压负反馈,具有,稳定输出电压,、减小输出电阻的作用。,如果反馈信号取自输出电压，叫,电压反馈,。如果反馈信号取自输出电流，叫,电流反馈,。,3),根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为,串联反馈,。,反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为,并联反馈,。,串联反馈使电路的输入电阻增大，,并联反馈使电路的输入电阻减小。,3,、负反馈放大电路分析,分析步骤：,2),判别是否负反馈？,1),找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,3),是负反馈！判断是何种类型的负反馈？,分析方法：,1),反馈极性的判别：,瞬时极性法,a,、,先假设输入信号的瞬时极性，并用符号 、表示；,b,、,沿反馈环路逐步判定并标出有关各点信号的极性，,确定反馈信号的瞬间极性；,c,、,根据反馈信号对输入信号的作用判定正负反馈。,如果反馈信号使输入信号加强则为正反馈；,如果反馈信号使输入信号减弱则为负反馈。,在,单级集成运放放大电路中，当反馈信号引到同相端,时为,正反馈,，引到反相端时为,负反馈,。,方法,2),反馈方式的判别：,a,、,在输出回路：根据反馈信号的,采样,判定是,电流,反馈还是,电压,反馈。,将,采样输出端,短路,（令,u,o,0,），,若,反馈信号消失,则,为,电压反馈,，否则为电流反馈。,将,采样输出端,开路,（令,i,o,0,），,若,反馈信号消失,则,为,电流反馈,，否则为电压反馈。,方法,b,、,在输入回路：判定是,并联,反馈还是,串联,反馈。,若,反馈信号和输入信号在输入端以,电压,加减形式出现,，,则为,串联反馈,；若以,电流,加减形式出现则为,并联反馈,。,根据电路结构：若反馈信号和输入信号接在放大器,同一,输入端,则为,并联反馈,，否则为串联反馈。,例,1,：,1),判定反馈元件,（电阻和电容）,(1,）连接在输入与输出之间的元件。,(2,）输入回路与输出回路所共有的元件。,电阻,R,f,连接输入回路和输出回路，所以,R,f,是反馈元件。,u,o,+,+,+,+,u,f,+,u,i,u,d,R,1,R,2,R,f,R,L,+,2),判定反馈极性,瞬时极性法,反馈信号为正，加在反相输入端，使得净输入减小，为,负反馈,。,3),判定反馈类型,输出端短路,u,f,消失，则为,电压,反馈；,在输入端以电压加减形,式出现（或电路结构）,可见为,串联,反馈,反馈类型：,电压,串联,负反馈,判断反馈类型,4,）,反馈过程分析：,当,u,i,一定时，负载变化,可见，通过反馈的引入，,使得输出电压得到稳定,5,）,电路分析计算：,由“虚断”：,由“虚短”：,u,o,+,+,+,+,u,f,+,u,i,u,d,R,1,R,2,R,f,R,L,+,u,o,+,+,+,+,u,f,+,u,i,u,d,R,1,R,2,R,f,R,L,+,R,i,o,1),判定反馈元件,（电阻和电容）,(1,）连接在输入与输出之间的元件。,(2,）输入回路与输出回路所共有的元件,2),判定反馈极性,瞬时极性法,3),判定反馈类型,电阻,R,f,连接输入回路和输出回路，所以,R,f,是反馈元件，,与,R,1,组成反馈网络。,反馈信号为正，加在反相输入端，使得净输入减小，为,负反馈,。,输出端短路,u,f,不消失，则为,电流,反馈；或者计算,u,f,的,值（正比与,i,o,）,在输入端以电压加减形,式出现（或电路结构）,可见为,串联,反馈,反馈类型：,电流,串联,负反馈,例,2,、判断电路的反馈类型,4,）,反馈过程分析：,当,u,i,一定时，负载变化,可见，通过反馈的引入，,使得输出电流得到稳定,5,）,电路分析计算：,由“虚断”：,由“虚短”：,u,o,+,+,+,+,u,f,+,u,i,u,d,R,1,R,2,R,f,R,L,+,R,i,o,运放负反馈简便判断法总结,2,、反馈电路直接从输出端引出的,是,电压反馈；,3,、输入信号和反馈信号分别加在两个输入端上的，是,串联反馈；,加在同一个输入端上的是,并联反馈,。,1,、反馈信号使净输入信号减小的是,负反馈；,使净输入信号增大的是,正反馈。,在,单级集成运放放大电路中，当反馈信号引到同相端,时为,正反馈,，引到反相端时为,负反馈,。,三、负反馈对放大电路性能的影响,基本放大电路,A,o,反馈,电路,F,+,1.,对放大倍数的影响,负反馈使放大倍数下降。,同相，所以,A,o,F,是正实数,负反馈时，,中，,则有：,放大倍数的相对变化：,A,f,的变化量为,A,的,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高,。,在 中，对,Ao,求导，,负反馈深度越深，放大电路越稳定。,在深度负反馈时，,A,f,=1/F,，放大倍数只与反馈网络有关，这时放大电路的工作非常稳定。,2.,改善波形的失真,A,u,i,u,f,u,d,加反馈前,加反馈后,u,o,u,i,小,大,小,大,小,大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,u,o,A,F,3.,展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加：,f,A,u,无负反馈,有负反馈,4.,对输入电阻的影响,1,）串联负反馈,无负反馈时,：,有负反馈时：,使电路的输入电阻提高,分析：,无负反馈时：,有负反馈时：,2,）并联负反馈,使电路的输入电阻降低,分析：,电压负反馈具有稳定输出电压的作用，,即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用，,即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,1,）电压负反馈使电路的输出电阻降低,2,）电流负反馈使电路的输出电阻提高,5.,对输出电阻的影响,8.3,集成运放在信号运算方面的应用,一、比例运算二、加法运算三、减法运算四、积分运算五、微分运算,一、比例运算,1,、反相输入比例运算,（,1,）电路组成,（,2,）电路分析,虚断,虚短,u,-=,u,+,u,o,+,+,.,u,i,R,2,R,f,u,+,u,_,。,。,R,1,.,。,。,+,+,i,i,i,f,i,-,i,+,运放的同相端接地,“,虚地”,u,-=,u,+,=0,u,o,+,+,.,u,i,R,2,R,f,u,+,u,_,。,。,R,1,.,。,。,+,+,反馈类型：电压并联负反馈,若取,R,f,R,1,，则,u,o,-,u,i,，,A,uf,-1,。电路为反相器。,平衡电阻，保证输入端对地的静态电阻相等,R,2,=,R,1,/,R,f,电压并联负反馈，输入、输出电阻低。,结论：,A,uf,为负值，即,u,o,与,u,i,极性相反。,u,i,加,在反相输入端。,A,uf,只与外部电阻,R,1,、,R,f,有关，与运放本,身参数无关。,|,A,uf,|,可大于,1,，也可等于,1,或小于,1,。,u,-,=u,+,=0,，,反相输入端,“,虚地,”,。,虚短,虚断,+,+,.,.,u,o,R,2,R,f,u,+,u_,。,u,i,。,R,1,i,f,i,i,2,、同相输入比例运算,（,1,）电路组成,（,2,）电路分析,反馈类型：,电压串联负反馈,当,R,1,=,或,R,f,=,0,时，,u,i,u,o,+,+,.,u,+,u_,。,。,U,R,L,R,1,R,2,+,+,.,.,u,o,R,2,R,f,u,+,u_,。,u,i,。,R,1,u,o,=,u,i,，,A,u f,=1,，,称,电压跟随器,。,此电路是电压,串联负反馈，输,入电阻高，输出,电阻低，在电路,中的作用与分立,元件的射极输出,器相同，但是电,压跟随性能更好。,电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低。,结论：,A,uf,为正值，即,u,o,与,u,i,极性相同。,u,i,加,在同相输入端。,A,uf,只与外部电阻,R,1,、,R,f,有关，与运放本,身参数无关。,A,uf,1,，,不能小于,1,。,u-=u,+,0,，,反相输入端不存在,“,虚地,”,现象。,二、加法运算,1,、反相加法运算,虚地,u,-=,u,+,=,0,当,R,f,R,i1,R,i2,时，,u,o,(,u,i1,u,i2,),虚断,+,+,.,.,.,u,i,2,u,i,1,u,o,R,2,R,f,u,+,u,_,。,。,R,i,1,R,i,2,。,i,1,i,2,i,f,i,-,i,1,+,i,2,=,i,f,，即,f,f,+,+,.,.,u,o,R,f,u,+,u,_,。,。,.,u,i,2,。,R,i,2,R,1,u,i,1,R,i,1,2,、,同相加法运算,+,+,.,.,u,o,R,f,u,+,u,_,。,。,.,u,i,2,。,R,i,2,R,1,u,i,1,R,i,2,+,+,.,.,.,u,i,2,u,i,1,u,o,R,2,R,f,u,+,u,_,。,。,R,i,1,R,i,2,。,反相加法运算电路,同相加法运算电路,R,2,=,R,i1,/,R,i2,/,R,f,三、减法运算,由虚断可得：,由虚短可得：,+,+,.,.,.,u,i,2,u,i,1,u,o,R,3,R,f,u,+,u-,。,。,R,1,。,R,2,分析方法二：利用叠加原理,+,+,.,.,.,u,i,2,u,i,1,u,o,R,3,R,f,u,+,u-,。,。,R,1,。,R,2,思考,减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。,如果取,R,1,=R,2,，,R,3,=,R,f,如果取,R,1,=R,2,=,R,3,=,R,f,输出与两个输入信号的,差值,成正比。,+,+,.,.,.,u,i,2,u,i,1,u,o,R,3,R,f,u,+,u-,。,。,R,1,。,R,2,四、积分运算,由虚短及虚断性质可得,i,i,=i,f,，,u,+,=u,-,=,0,i,f,=?,C,+,+,.,u,o,R,2,u,+,u,_,。,R,1,u,i,。,.,i,i,i,f,+,则,若输入信号电压为恒定直流量，,即,u,i,=,U,i,时,，则,u,o,t,0,-,U,OM,+,U,OM,t,0,u,i,积分饱和,线性积分时间,输出电压随时,间线性变化,t,0,u,i,u,o,t,0,-,U,OM,+,U,OM,输入为方波，输,出为三角波。因,此，积分电路除,了具有运算功能,外，还可用于波,形转换。,五、微分运算,u,o,t,0,t,0,u,i,+,+,.,u,o,R,2,u,+,u_,。,u,i,R,f,。,.,C,i,i,i,f,由虚短及虚断性质可得,例,1,：电路如下图所示，已知,R,1,=10 k,，,R,F,=50 k,。,求：,1,、,A,uf,；,2,、,若,R,1,不变，要求,A,u f,为,10,，则,R,F,应为 多少？,R,F,+,+,.,.,u,i,u,o,R,2,u,+,u_,。,。,R,1,解：,1,、,A,u f,=,R,F,R,1,=50,10=5,2,、,A,u f,=,R,F,R,1,=,R,F,10,=,10,R,F,=,A,uf,R,1,=,10,10=100,+,+,.,.,u,i,1,u,i,2,u,o1,R,4,R,2,R,1,。,R,3,+,+,.,.,u,o,R,1,。,R,2,。,例,2,：分析如下电路，写出输出信号表达式。,第一级为同相输入比例运算,第二级为减法运算,例,3,：,利用运放组成的测量电流电路如图所示，电流量程为,5mA,0.5mA,50A,，,输出端电压表满量程为,5v,。,试计算各挡对应电阻,R,1,-R,3,的阻值。,8.4,运放在信号处理方面的应用,一、有源滤波器,二、电压比较器,会分析、画传输特性、根据输入波形画输出波形,了解概念,一、有源滤波器,滤波器：,选频电路。它能选出有用频率信号，而抑制,无用频率信号。,无源滤波器：,由电阻、电容和电感元件组成的滤波器。,有源滤波器：,由运算放大器组成的滤波器。,缺点：,低频时体积大，很难做到小型化。,特点：,体积小、效率高、频率特性好。,1.,有源低通滤波器,电路,能,使低于,0,（,0,1/,RC,）,的,信号顺利通过,，衰,减很小；而使高于,0,的,信号不易通过,，衰减很大。,2.,有源高通滤波器,电路使,频率大于,0,的信号通过,，,而,小于,0,的信号,被阻止,3.,带通滤波器和带阻滤波器,带通滤波器使,通频带范围内的信号可以通过,，,通频带,以外的信号,被阻止,二、电压比较电路,电压比较电路用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。,功能：,用途：,数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。,理想运放工作在非线性区的特点：,输出只有两种可能,+,U,o,或,U,o,当,u,+,u,时，,u,o,=+,U,o,u,+,U,R,，,u,o,=+U,O,u,i,U,R,，,u,o,=U,O,u,i,u,o,o,U,O,+U,O,U,R,电压传输特性,u,o,u,i,o,U,O,+U,O,U,R,+,+,u,i,u,o,u,+,u,_,。,。,R,1,+,_,U,R,R,2,+,_,+,+,u,i,u,o,u,+,u,_,。,。,R,1,U,R,R,2,u,i,t,o,U,R,o,u,o,t,+U,O,U,O,o,u,o,t,+U,O,U,O,t,1,t,2,+,+,u,i,u,o,u,+,u,_,。,。,R,1,+,_,U,R,R,2,+,_,+,+,u,i,u,o,u,+,u,_,。,。,R,1,U,R,R,2,输出带限幅的电压比较电路,设稳压管的稳定电压为,U,Z,，,忽略稳压管的正向导通压降,则,u,i,U,R,，,u,o,=,U,Z,U,Z,-U,Z,u,i,u,o,o,U,O,+U,O,U,R,电压传输特性,+,+,u,i,u,o,u,+,u,_,。,。,R,1,+,_,U,R,R,.,D,Z,R,2,2,、过零电压比较电路,u,i,u,o,o,U,O,+U,O,U,R,=0,u,i,t,o,o,u,o,t,+U,O,U,O,+,+,u,i,u,o,u,+,u,_,。,。,R,1,R,2,+,+,u,o,u,i,t,u,i,t,u,o,例：利用电压比较,电路将正弦波变为方波。,+,U,o,U,o,过零比较电路,r,i,高,:,几十,k,几百,k,运放的特点：,理想运放：,r,id,K,CMR,很大,K,CMR,r,o,小：几十,几百,r,o,0,A,o,很,大,:10,4,以上,10,7,A,o,运放的特点和符号,运放符号：,u,u,+,u,o,A,0,u,u,+,u,o,A,0,u,u,+,u,o,复习,运放的传输特性,+U,O(sat),-,U,O(sat),线性区,饱和区,饱和区,工作在线性区时：,集成运放有两个,工作区：,线性区、饱和区,复习,理想运放的两个重要性质,A,o,=,，,u,o,为有限值,“,虚短,”,：,差模输入电压约等于,0,，即,u,+,=u,+,+,u,o,u,-,。,u,+,i,+,i,-,u,u,0,可以认为集成运放的两个输入端电位相等，象短接,一样，称为“虚短”。,如果运放的同相端接地,则反相输入端近似等于“地”电位 ，称,虚地,。,复习,“,虚断,”,：,输入电流约等于,0,，即,i,+,=i,0,r,id,两个输入端的电流视为,0,，好像输入端与运放断开,一样，称为“虚断”。,+,+,u,o,u,-,。,u,+,i,+,i,-,复习,放大电路中的负反馈,反馈,电路,F,反馈系数,基本放大,电路,A,o,负反馈放大电路的一般表达式,+,开环放大倍数,闭环放大倍数,复习,反馈的判别,分析步骤：,2),判别是否负反馈？,1),找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,3),是负反馈！判断是何种类型的负反馈？,复习,运放负反馈简便判断法总结,2,、反馈电路直接从输出端引出的,是,电压反馈；,从负载电阻,R,L,靠近,“,地,”,端引出的，是,电流反馈。,3,、输入信号和反馈信号分别加在两个输入端上的，是,串联反馈；,加在同一个输入端上的是,并联反馈,。,1,、反馈信号使净输入信号减小的是,负反馈；,使净输入信号增大的是,正反馈。,在,单级集成运放放大电路中，当反馈信号引到同相端,时为,正反馈,，引到反相端时为,负反馈,。,复习,