第10章 集成运算放大器.pdf

第10章集成运算放大器本章内容10.1 集成运算放大器概述10.2 反馈的基本概念10.3 理想运算放大器10.410.510.610.7基本运算电路电压比较器RC正弦波振荡器有源滤波器本章要求L 了解集成运放的基本组成及主要参数。2.了解掌握运算放大器的电压传输特性和基 本分析方法。3.掌握用集成运放组成的比例、加减、微分 和积分运算电路的工作原理。4.了解有源滤波器的工作原理。5.理解电压比较器的工作原理和应用。10.1集成运算放大器的概述集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。运放的应用领域：信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等。运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积 分、微分、对数等运算。10.1集成运算放大器的概述一、运算放大器的组成1、电路组成：输入端输入级中间级输出级输出端.O输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电 阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路。输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般由 互补对称电路或射极输出器构成。10.1集成运算放大器的概述一、运算放大器的组成一$10二1集成亘筹放一大号的一概逑 三藁版能算眠霹褫看电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、零点漂移小，抗干扰能力强，可靠性高、体积 小，低成本、能耗小等。1、Auo 高：80dB140dB2、“高：105ioiiQ3、ro低：几十Q几百Q4、Kcmr高：70dB130dB10.1集成运算放大器的概述三、主要参数1.最大输出电压Uopp使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益4,。未接反馈电路时的差模电压放大倍数。4”。愈高,所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。3.4.5.6.输入失调电压%输入失调电流/io卜愈小愈好 输入偏置电流/mJ共模输入电压范围UiCM运放能承受的最大共模输入电压。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。10.1集成运算放大器的概述四、运算放大器电压传输特性电压传输特性-=AurAuo（u-）*1、线性区：=4。（+一）2、非线性区一饱和区：时，=+Uo MVX 时，UQ=-UOMO0+0”+4。越大，运放的线性范越小,必须加负反馈才能使其工作于线性区010.2反馈的基本概念0、反馈的概念 1、反馈：将放大电路输出信号（电压或电流）的一部2、反馈放大电路的方框分或全部通过某种电路回送到输入端.10.2反馈的基本概念0、反馈的概念。+,先I基本放大I.京电路Ao开环放大倍数闭环放大倍数Af反馈 电路F反馈系数4=8 产=生比较环节10.2反馈的基本概念一、反馈的分类1、正反馈和负反馈正反馈：反馈信号增强净输入信号，使放大倍数 提高。负反馈：反馈削弱净输入信号，使放大倍数降低.在放大电路中，若出现正反馈将使放大器产生 自激振荡，使放大器不能正常工作。引入正反馈的目的：使电路振荡，产生波形引入负反馈的目的：改善放大电路的性能10.2反馈的基本概念二T赢而凝2、直流反馈和交流反馈直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈电路只能传递直流信号.交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈电路只能传递交流信号。引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点 引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能10.2反馈的基本概念一、反馈的分类3、串联反馈和并联反馈 串联反馈：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。并联反馈：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。串联反馈的作用：增大输入电阻 并联反馈的作用：减小放大电路的输入电阻10.2反馈的基本概念一、反馈的分类4、电压反馈和电流反馈电压反馈：反馈信号取自输出电压。电流反馈：反馈信号取自输出电流。电压负反馈 具有稳定输出 电压、减小输 出电阻的作用。电流负反馈具有稳定输出 电流、增大输 出电阻的作用。10.2反馈的基本概念一、反馈的分类振荡器一产生信号电流串联负反馈电流并联负反馈正反馈稳定静态工作点电压并联负反馈10.2反馈的基本概念二、反馈的判别反馈的判别步骤找出反馈网络（一般是电阻、电容）。判别是交流反馈还是直流反馈?判别是否负反馈？是负反馈！判断是何种类型的负反馈?101 2反馔的基本概念 三丁夜赢南可1、找出反馈网络连接在输入与输出之间的元件。为输入回路与输出回路所共有的元件。例1：P+UccRc-L:.+jRi00+Mo r公为输入、输出共有 所以&是反馈元件。0连接输入输出之间。10.2反馈的基本概念二、反馈的判别公是交、直流反馈。如有旁路电容，Re 中仅有直流信号通 过，这时&引入的则是直流反馈。101 2反馔的基本概念3、反馈类型一串并联的判别串并联反馈判别：令U尸。（对地短路）若反馈信号不能再 影响放大器输入，则是并联反馈；RAbiC 十0c c%=0对地短路反馈信号Uf仍存在,对be仍 有影响一小是串联反馈+B2若不清楚则是串联 反馈。101 2反馔的基本概念 三，夜赢雨到4、反馈类型一电压、电流判别输出端对地短路 反馈信号，0 Re是电流反馈。电压电流反馈的判别：令r=0（输出对地短路）若反馈信号取不到（u尸0）,则是电压反馈;若不清楚则是电流反 馈。101 2反馔的基本概念 三丁夜赢南可5、正、负反馈的判别一瞬时极性法设4瞬时增加f4变化T 耍化T净输入的变化:若净输入增大则为正反馈，若净输入减小则为负反馈。AbiB2+MoRe ufo+Uc c设基极瞬时极性为正，集电极与基极相反、发I 射极（接有Re）与基极相点的瞬时极性。同的原则，标出相关各耳负反馈W_14_2反馈的基本概念 二TSSSii-例2：判别反馈元件 尺工连接在输入 与输出之间，所以公是反馈 元件。判别交、直流反馈交、直流信号均可通过所以/引入的 是交、直流反馈。10.2反馈的基本概念二、反馈的判别例2：判断反馈类型令%=0（对地短路）反馈信号不能送入 放大器-并联反馈。判断反馈类型一电压、电流反馈令=0（输出对地短路）反馈信号取不到是一电压反馈10.2反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善&+在基本放大电路Ao无反馈 电路F10.2反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善1.提高放大倍数的稳定性1,称为深度负反馈，此时:A F在深度负反馈的情况下，闭环放 大倍数仅与反馈电路的参数有关。10.2反馈的基本概备 三、负反馈对放大电路性能的改善1.提高放大倍数的稳定性例：阳=300,|F|=0.01oNQ%，所以提高。10.2反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善4.对输入电阻的影响并联负反馈使电路的输入电阻降低if i+M无负反馈时：G 有负反馈时：.在同样的下，+所以%降低.10.2反馔的基本概念 三U趟灯版天函蒋桂翩籍一一5.对输出电阻的影响电压负反馈使电路的输出电阻降低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。电流负反馈使电路的输出电阻提高%=。+|4尸|北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。10.3理想运算放大器一、理想运算放大器的条件1、开环电压放大倍数 4。一82、开环输入电阻 八f 003、开环输出电阻4、共模抑制比cmr-00*c c 00H-+_I-UeeU+10.3理想运算放大器理想运算放大器的特性1.工作在饱和区的特点+_ 时，o=+Uo M 时，o=-om2.工作在线性区的特点因为 uo=Auo(u+-u_)十 OM凡是有限值,A”又很大，所以差模输入电压约等于0,即+=_,两输入端 相当短路，但未真正短路，故称“虚短”10.3 理想运算放大器 二、理想运算放大器的特性2.工作在线性区的特点为。为无穷大。KU因为弓为0。猛01 Z-Uc-UOG/+弓.运放输出电压不受负载大小的影响。10.4 基本运算电路一、比例运算电路 电压放大倍数1.反相比例运算:500,:.+=/_=0电路组成因静态时要求+、U_ 对地电阻相同，所以 平衡电阻4=&之此 43x+=o,所以%=0 u_=u+=0-称“虚地”10.4基本运算电路一、比例运算电路t反相比例运算 结论：4寸为负值，即打。与极性相反。为u.加在反相输入端。只与外部电阻尺”&有关,与运放本 身参数无关。|44|可大于1，也可等于1或小于1。因_=+=0,所以反相输入端“虚地”。10.4基本运算电路一、比例运算电路电压放大倍数因虚断，所以+=%电路组成2.同相比例运算虚短，故_=+=%二&N10.4基本运算电路 IO B B ,B K K K B 一、比例运算电路2.同相比例运算结论:44r为正值，即与%极性相同。因 为,加在同相输入端。4/与外部电阻R、Rf有关，与运 放本身参数无关。AH 1,不能小于X 0_=+/0，反相输入端不存在“虚地”现象。10.4基本运算电路一、比例运算电路2.同相比例运算当g=00且&=0时,uo=uit Altf=1,称电压跟随器。a由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。10.4基本运算电路2.同相比例运算例：负载浮地的电压-电流的转换电路工&00 一+u.R4=h=-此负载电流的大小 与负载无关。4RI+Oq a流过电流表的电流T 一以g-R1.能测量较小的电压;2.输入电阻高，对被测电路影响小.10.4基本运算电路二、加法运算电路1.反相加法运算电路Mi2R?+J-K)+o i因虚断，L=o%，个及F41如1十%)所以 in+in=if招L-，/一/&2 4因虚短，_=+=0故得丸+叫二4尺1居2 Rf_,Rf Rf Uo 一(-il+G-Mi2)&i2动而10.4基本运算电路三7而冠京算龟西一2.同相加法运算电路 方法1：根据叠加原理也单独作用（为2=0）时RI00+:=il%+居24=(1+痴+=(1+殳)_K&+400+J-O+Mou-.1+42+&+&4+&D D D乂=(1+X Mn+2)&4+1 鸟】+凡2也可写出人和明的表达式，用_=%的性质求解.10.4基本运算电路三、减法运算电路分析方法1：由虚断和虚短可得：此U-=-+&+%lR=d 1rf=%由虚断可得：ix=-iu=至/+（i+”）+&R10.4基本运算电路三、减法运算电路分析方法万如果取r1=r2,&=&贝人=3他2-%)Ri如%=%=&=&贝人 Uo=Ui2-Uil输出与两个输入信号的差值成正比。动画10.4基本运算电路三、减法运算电路 分析方法2：利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算 公与同相比例运算电路的叠加。小单独作用时ilUi200+J-o+Mo r心单独作用时M：=(1+=(1+Hi乂=：+：URy R?+R?&-%一旦+K%10.4基本运算电路由虚短及虚断可得(5自R;_ Mi i-C-兄F dfy也&dt f 业动画小叫幻)当电容G的初始电压 为乂幻时，则有ORCfI V J,10.4基本运算电路国:枳芬运箝瓯著urU.（恒定直流量）时，则采用运放组成的积分电路，由于充电电流基本恒定,故。是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。10.4基本运算电路比例-积分运算电路=一(Rpif+”c)=-(4，】+为2)CF=-(ACf上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统 中，以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变&和Q,可调整比例系数和积分时间 常数,以满足控制系统的要求。10.4基本运算电路宝猫芬运版京 由虚短及虚断可得 ii=ifr dMi Modf Rf 八-du.Mo=RQi athciO-q-+动画IoA10.4基本运算电路比例-微分运算电路一PD调节器uo=“=%+icu.八 du.=+CL4 1 dtR“0=-(+&Go、D 1 f l火1PtA o o+上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分 控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。10.5 电压比较器宜压比较器的基本功能:电压比较器用来对两个输入电压信号的大小进行比较。在输出端显示比较结果。电压比较器的用途：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。电压比较器的组成：运放工作在开环或引入正反馈状态。工作在非 线性饱和区。10.5 电压比较器一、单限电压比较器输入信号小从运放的一端输入，而另一端加固定的参考电压Ur。1、反相输入电压比较器+%M UUi Ur Ri-L-L00+0+UI-时，=+Uom 4 时，-%M一电压传输特性可见，在%=4处输 出电压。发生跃变。输出跃变所对应的输入电压称阈值电压（门限电平）。10.5 电压比较器 二:节或羸诵演当，.单方向变化时，。只变化一次。10.5 电压比较器一、单限电压比较器2、同相输入电压比较器%Ur，o=+Uom u=-UomUoI-10.5 电压比较器一、单限电压比较器3、输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为心，忽略稳压管的正向导通压降则 Ui Uo=UZ10.5 电压比较器一、单限电压比较器4、过零电压比较器将正弦波变为方波10.5 电压比较器一、单限电压比较器5、电压比较器应用一过热保护控制对象电加热器RT是负温度系数热敏电阻，温度高，电阻小一%大一。一丁导通KA有电一停止电加热。10.5 电压比较器二、滞回电压比较器单限比较器电路简单，但抗干扰能力差。在产Ur时，干扰易引起输出误跳变，故常采用滞回电压比较器。电路中引入正反馈提高了比较器的响应速度输出电压的跃变不是 发生在同一门限电压 上。10.5 电压比较器二、滞回电压比较器当。=+U()M，+=u+6鸟+7?1上门限电压当 O=-Uom，Ry u=u=-&+Rf 下门限电压上门限电压(-uOM)逐渐增加时的门限电压下门限由压u，,逐渐减小时而门限电压 10.5 电压比较器 10.5 电压比较器当参考电压4不等于零时十OM+00一+RfH-+i-O一0oM-根据叠加原理，有Rf 凡Wn=-Ur+-电压传输特性(UM)可见:U。U+传输特性不再对称于纵轴,1警附改变参考电压4,可使传输特性沿横轴移动10.5 电压比较器回结论:1.调节号或&可以改变回差电压的大小。2,改变4可以改变上、下门限电压，但不影回差电压与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度.2.差提高了电路的抗干扰能力，AU越大，抗干扰能力越强。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报 警和波形发生等电路中得到广泛应用。10.5 电压比较器(1)例：电路如图所示，土4m=6V，Ur=5V,Rr=20kQ,R2=10kQ,求上、下门限电压.解：对图(D上门限电压U：=x 6V=2V+10+20下门限电压U：=10 x(_6)V=_2V+10+20 710.5 电压比较器例：电路如图所示，UOM=6V9t/R=SV,&=20kQ,R2=10kQ,求上、下门限电压,解：对I(2)r：=x 5+x 6V=5.33V+10+20 10+20U：=，*5+10+2010-x10+20(-6)V=1.33V(1)的电压传输特性(2)的电压传输特性10.5 电压比较器三通百蔽双限电压比较器应用%-P7招于判断11f在两个给定 u _p-1电压之间。LEFlu-1+K电压传输特性 10.6 RC正弦波振荡器由于学时限制，该节自学。10.7 有源滤波器一、有源滤波器滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一 定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在 此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。缺点，低频时体积大，很难做到小型化。有源滤波器：含有运算放大器的滤波器.优点：体积小、效率高、频率特性好.按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。10.7 有源滤波器一、有源滤波器1.有源低通滤波器设U,.为正弦波信号,则.1R,+00+-L-O+u+=uc=u 十 c 11G)C-LRU0=(l+U%火1故:1+区 1+”u。=&二_ ui l+ia)RC 1+.0_ 仇式中:%二RC称为截止角频率 10.7 有源滤波器若频率为变量，则电路即传递函数 1+9 ATa.Uo G。）R A1 0D）=-=-Ug）1+i其模为 Juf OG)%1 01+J0。Ar)当/=o 时，（jq）i=i4doi当 G=00 一+Ro+u亡1jajRC1+01严CD式中：磔RC称为截止角频率 10.7 有源滤波器一、有源滤波器2.有源高通滤波器U(io?)以(|切)其模为r(i1=亍1+tAan i-i-(Otl T(i I仲噜)2 当切=0时，|T(jq)=OA-HO当勿=时,r(j/)i=F-当。=8时,|T(jG)|二 14f oiO幅频特性可见，电路使频率大于明的信号通过，而小于例 的信号被阻止，称为有源高通滤波器。io.7 有源滤波器二、采样保持电路采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间，所以在A/D保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。转换前必须对模拟量进行瞬间采样,并把采样值 10.7 有源滤波器2.工作原理 采样阶段:保持阶段:G为高电平，S闭合（场效应管导通）,UUU对存储电容C充电，q=uc=4。g为0,S断开（场效应管截止），输出保持该阶段开始瞬间的值不变。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。10.8运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用:产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）.特点：不用外接输入信号，即有输出信号。10.8运放在波形产生方面的应用一、矩形波发生器1.电路结构充电R_由滞回比较器、KC充放电电路组成，电容电压气即是比较器 的输入电压，00 一+-O+MoJi-4+电阻Hz两端的电压4即是比较器 的参考电压。2.工作原理设电源接通时，UQ=+。g毗)，M)=。通过&对电容。充电，”按指数规律增长。10.8运放在波形产生方面的应用2.工作原理动画|当。=+。3)时，电 容充电，“C上升，%,uR=R1 U鸟+一4十00 一+o(sat)当c=Ur时，o跳变成-4(由 电容放电，%下降，R _ TJ-_?_JJR-此+4皿)当Uc=-Ur时，Mo跳变成+(.)，电容又重新充电。oJi-氏00tA+oJi-10.8运放在波形产生方面的应用3.工作波形4.周期与频率T=Tt+T2电容充放电过程，”的响应规律为%（r）=c（8）+c（0+）（8）卜腿在充电过程中%+)=-Ur=-.r)Mc(00)=+t/0(sat)%(，2)=Ur=R Tr Uyt)g+4在放电过程中uc(0 J=Ur=及 U(.C ，R+r o(sat)%(8)=-Ug t)uc(tA=-UR=U2C 3/R o n o(sat)、+4充放电时间常数相同：t=RC矩形波的周期T=+7；=2R71ii0+誓I Hf 矩形波的频率/=y=-)、IRC In 1+退I&/矩形波常用于数字电路中作为信号源10.8运放在波形产生方面的应用二、三角波发生器Ax：滞回比较器 A2：反相积分电路 因 _=0,所以当*=0时，A状态改变10.8运放在波形产生方面的应用2.工作原理动画|A1：滞回比较器因-=0,所以当+=0时，A状态 改变当=-1=0+K+鸟 K+鸟即当-年（土乙）时，4 4输出%改变（+2跃变到-/或-4跃变到+%）,同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。10.8运放在波形产生方面的应用4.周期与频率 T=T1+7=2T1=275=2*%/案 八1/IvC1 二 BT 4R2RC(1)改变比较器的输出i、电阻Rq 6即可改 变三角波的幅值。(2)改变积分常数RC即可改变三角波的频率。10.8运放在波形产生方面的应用嘉在三角波 发生器的 电路中，使积分电 路的正、反向积分的时间常 数不同，即可使其 输出锯齿 波。10.8运放在波形产生方面的应用本章作业P300：10.4.2 10.4.4 10.4.5P303：10.4.6 10.4.7 10.4.12