集成运算放大器及其应用演示幻灯片.ppt

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第,二,章 集成运算放大器及其应用,第二节 差动放大器,第一节 直接耦合放大器,第四节 集成运放电路中的负反馈,第三节 集成运算放大器简介,第六节 集成运放在信号处理电路中的应用,第五节 集成运放在信号运算电路中的应用,*,第八节 集成运放的选择与使用,第七节 集成运放在信号发生电路中的应用,*,第九节 集成运放应用实例,第一节 直接耦合放大器,+,U,CC,R,C2,R,E2,u,o,+,V,2,R,B2,R,B1,R,C,1,u,i,+,V,1,优点,：,能放大直流信号或变化十分缓慢的交流信号。,缺点,：,(1),前、后级静态工作点互相影响；,(2),零点漂移。,1,、前后级静态工作点相互影响,+,U,CC,R,C2,R,E2,u,o,+,V,2,R,B2,R,B1,R,C,1,u,i,+,V,1,V,C,1,V,B,2,R,E2,的接入，提高了,V,1,基极电位，从而保证第一级有较高的静态电位，而不致于进入饱和区,。但,R,E2,的接入使第二级电压放大倍数大大降低。,2,、零点漂移,指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。,多级直接耦合放大电路,+,u,i,=0,+,u,o,u,o,t,O,(1),产生的原因,晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等,。,(2),评价零点漂移的指标,把输出漂移电压折算到输入端来衡量。,(3),抑制零点漂移的措施,差动放大电路,例：,若有两个放大电路的,A,、,B,，它们的电压放大倍数分别为,1000,和,200,，输出端的零点漂移电压均为,1V,。若要放大,2mV,的信号，应采用哪个放大电路？,所以采用,A,放大电路。,第二节,差动放大电路,一、差动放大电路的基本形式,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,B2,V,1,R,B1,R,C,+,+,V,2,u,i2,R,B2,R,B1,+,差动放大电路的电路结构,电路结构对称，,两个输入、两个输出,1.,零点漂移的抑制,u,o,=,V,C1,V,C2,=0,u,o,=(,V,C1,+,V,C1,),(,V,C2,+,V,C2,)=0,静态时：,u,i1,=,u,i2,=0,当,T,I,C,V,C,（两管变化量相等）,对称差动放大电路对两管所产生的,同向漂移,都有抑制作用。,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,B2,V,1,R,B1,R,C,+,+,V,2,u,i2,R,B2,R,B1,+,V,C1,V,C2,2.,有信号输入时的工作情况,共模信号,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,B2,V,1,R,B1,R,C,+,+,V,2,u,i2,R,B2,R,B1,+,大小相等、极性相同,(,u,ic1,=,u,ic2,),(1),共模输入,在共模信号输入下：,V,C1,=,V,C2,（集电极电位等向等量变化）,u,o,=(,V,C1,+,V,C1,),(,V,C2,+,V,C2,)=0,对共模信号没有放大能力,差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,共模信号,需抑制,(2),差模输入,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,B2,V,1,R,B1,R,C,+,+,V,2,u,i2,R,B2,R,B1,+,差模信号,大小相等、极性相反,(,u,id1,=,u,id2,),在差模信号输入下：,V,C1,=,V,C2,(,集电极电位一增一减，呈等量异向变化,),u,o,=(,V,C1,V,C1,),(,V,C2,+,V,C2,)=,2,V,C1,对差模信号有放大能力,。,差模信号,是有用信号,(3),比较输入,u,i1,、,u,i2,大小和极性是任意的。,例,:,u,i1,=10 mV,u,i2,=6 mV,u,i2,=8 mV,2 mV,可分解成,:,u,i1,=8 mV +2 mV,共模分量,差模分量,放大器只,放大两个,输入信号,的差值信,号,差动,放大电路,常作为,比较放大,来用,u,i1,=,u,ic1,+,u,id1,u,i2,=,u,ic2,+,u,id2,其中：,共模分量,差模分量,3.,共模抑制比,衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,共模放大倍数：,差模放大倍数：,共模抑制比：,或,K,CMR,越大，说明差放电路放大差模信号的,能力越强，而受共模干扰的影响越小。,若电路完全对称，理想情况下,A,C,=0,，,K,CMRR,若电路不完全对称，则,A,C,0,u,o,=,A,D,(,u,i1,u,i2,)=,A,D,u,id,u,o,=,A,C,u,ic,+,A,D,u,id,即共模信号对输出有影响。,二、典型差动放大电路,(,长尾式差动放大电路,),R,E,的作用：,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,P,V,1,R,B,R,C,u,i2,R,E,R,B,+,+,+,V,2,U,EE,+,(2),对差模信号无反馈作用。,抑制零点漂移，稳定静态工作点。,T,I,C1,I,C2,I,E,U,RE,U,BE1,U,BE2,I,B1,I,C1,I,C2,I,B2,共,模抑制电阻,U,EE,：,用于补偿,R,E,上的压降，以获得合适的静态工作点。,电位器,R,P,：,调零用的。在静态时调节,R,P,，使,u,o,为零。,一般几十欧,几百欧之间。,+,U,CC,u,o,u,i1,R,C,R,P,V,1,R,B,R,C,u,i2,R,E,R,B,+,+,+,V,2,U,EE,+,三、差动放大电路的几种形式,1,、双端输入,-,双端输出,(1),静态分析,前两项很小,可忽略。,V,E,0,（虚短）,+,U,CC,U,CE,R,C,V,1,R,B,2,R,E,+,U,EE,+,I,C,I,E,I,B,U,BE,+,单管直流通路,(2),动态分析,由于,R,E,对差模信号不起作用，则单管差模信号通路为：,单管交流通路,微变等效电路,R,B,R,C,u,i1,u,o1,+,-,T,1,+,-,同理可得：,双端输出电压为：,双端输出电压放大倍数为：,i,b,R,be,i,b,R,B,R,C,u,i1,u,o1,+,-,+,-,当两管之间接负载电阻,R,L,时：,若是单端输出，电压放大倍数为：,（从,V,1,集电极输出，,反相输出,）,（从,V,2,集电极输出，,同相输出,）,*,单端输出的电压放大倍数只有双端输出的一半。,2,、单端输入,-,单端输出,+,U,CC,u,o1,u,i,R,C,R,P,V,1,R,B,R,C,u,i2,R,E,R,B,+,+,+,V,2,U,EE,+,u,i1,+,+,u,o2,共模信号,差模信号,可把,u,i,分解成一对共模信号和一对差模信号,:,共模放大倍数,A,C,交流通路,微变等效电路,若,R,E,足够大，,A,C,0,R,B,R,C,u,ic1,u,oc1,+,-,V,1,+,-,2,R,E,i,b,R,be,i,b,R,B,R,C,u,ic1,u,oc1,+,-,+,-,2,R,E,其差模放大倍数,A,D,为：,（,反相输出,）,（,同相输出,）,结论：,差动放大电路的电压放大倍数与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模放大倍数与单管相同；若为单端输出，则为单管的一半。,四种差分放大电路的比较,输入方式,双端,单端,输出方式,双端,单端,双端,单端,差模放大倍数,A,D,差模输入电阻,R,i,差模输出电阻,R,o,2(,R,B,+,R,be,),2(,R,B,+,R,be,),2,R,C,R,C,2,R,C,R,C,例,1,某一双端输入、双端输出差动放大电路，已知差模电压增益为,48dB,，共模抑制比为,67dB,，,u,i1,=5V,，,u,i2,=5.01V,。试求输出电压,u,o,。,解：,由已知得：,则：,A,D,-,251,则：,A,C,0.11,u,o,=,A,C,u,ic,+,A,D,u,id,=0.115.005+(-251)(-0.01)=3.06V,共模输入电压：,差模输入电压：,练习题：,1,、在直接耦合放大电路中，采用差动式电路结构的主要目的是,(),。,(a),提高电压放大倍数,(b),抑制零点漂移,(c),提高带负载能力,b,2,、,具有发射极电阻,的典型差动放大电路中，,R,E,的作用是,(),。,(a),稳定静态工作点，抑制零点漂移,(b),稳定电压放大倍数,(c),提高输入电阻，减小输出电阻,a,第三节 集成,运算放大器简介,一、运算放大器的特点,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。,特点：,A,u,o,高：,80,dB140dB,R,i,高：,10,5,10,11,R,o,低：几十,几百,K,CMR,高,：,70,dB130dB,二、集成运算放大器的组成,输入级：,输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用差动放大电路。,中间级：,要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。,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。,输入级,中间级,输出级,偏置,电路,输入端,输出端,运算放大器组成方框图,常用的集成运放芯片,F007,实物外形图：,管脚图,：,1,A741,2,8,7,6,5,4,3,调零端,调零端,反相输入端,同相输入端,输出端,负电源端,正电源端,空脚,外部接线图,：,调零电位器,+,+,A,uo,u,o,u,u,+,7,2,3,4,6,1,5,12V,+12V,三、集成运放的符号、外特性和电路模型,A,u,u,o,+,+,u,+,u,：表示“放大器”,两个,输入端,u,：反相输入端,u,+,：同相输入端,一个输出端：,u,o,为了简化起见，常将接地端省去。,A,u,u,o,+,+,u,+,u,1,、符号,A,u,：电压放大倍数,u,d,u,o,O,2,、运放的外特性,u,d,=u,+,u,：差动输入电压,u,o,=A,u,(,u,+,u,)=,Au,d,电压传输特性,u,o,=,f,(,u,d,),线性区：,u,o,=,A,u,(,u,+,u,),饱和区,(,非线性区,),：,u,d,时，,u,o,=,+,U,o(sat),u,d,u,时，,u,o,=,+,U,o(sat),u,+,u,时，,u,o,=,+,U,o(sat),当,u,+,0,u,i,=,U,i,0,输出电压随时,间线性变化,U,i,U,i,五、微分运算,u,o,C,1,u,i,R,2,R,F,+,+,+,+,+,u,C,i,f,i,1,由虚断和虚断性质可得：,i,1,=i,f,u,i,t,O,U,i,u,o,t,O,若输入信号电压为阶跃电压时，,u,o,为尖脉冲电压。,例,2,：,u,o,R,3,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,R,4,R,5,A,i,1,i,4,i,5,i,1,解：,V,A,=,u,_,i,1,R,3,=,i,1,R,3,应用：由运放和稳压管组成的恒压源,1,、同相输入恒压源,U,O,R,F,R,2,R,1,+,+,+,R,L,R,V,+,U,Z,+U,2,、反相输入恒压源,U,O,R,F,R,2,R,1,+,+,+,R,L,+,U,Z,R,V,+U,改变,R,F,即可调节恒压源的输出电压。,第六节 集成运放,在信号处理电路中的运用,运放工作于,饱和区,。,一、电压比较器,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,运放处于,开环状态,功能：,用来比较,u,i,和,U,R,(,参考电压,),的大小。,当,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,电压传输特性：,u,o,=,f,(,u,i,),+,U,o(sat),U,o(sat),1,、简单电压比较器,2.,过零比较器,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,u,i,u,o,O,+,U,o(sat),U,o(sat),电压传输特性,t,u,i,O,t,u,o,+,U,o(sat),U,o(sat),O,利用电压比较器将正弦波变为方波。,3.,输出带限幅的比较器,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,u,o,R,V,当,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,o,(sat),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,电压传输特性,U,o(sat),+,U,o(sat),u,i,u,o,O,U,R,例,1,：,电路如图所示，输入电压,u,i,是一正弦电压，是分析并画出输出电压,u,o,、,u,o,和,u,o,的波形。,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,R,C,V,R,L,u,o,u,o,过零比较器,微分,电路,检波,电路,t,u,i,O,t,u,o,O,t,u,o,O,u,o,t,O,+,U,o(sat),+,U,o(sat),+,U,o(sat),例,2,：,电路如图所示，运放的最大输出电压,u,opp,=12V,，稳压管的稳定电压,u,Z,=6V,，其正向电压,U,D,=0.7V,，,u,i,=12sin,t,V,，,U,R,=3V,。试画出传输特性和,u,o,的波形。,t,u,o,O,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,u,o,R,3,V,解：,当,u,i,U,R,时，,u,o,=,12V,u,o,=,0.7V,当,u,i,1,，称为,深度负反馈,，此时：,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。,例,3,：,如图所示同相比例运算电路，,R,1,=10k,，,R,F,=300k,，,A,uo,=10,4,。,求闭环电压放大倍数,A,uf,；,如果 ，求 。,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,A,uo,R,L,+,u,f,+,u,d,解：,(1),3.,对放大电路输入电阻的影响,串联反馈：,使,R,i,提高,并联反馈：,使,R,i,减小,与串联反馈还是并联反馈有关,4.,对放大电路输出电阻的影响,电压反馈：,使,R,o,减小,电流反馈：,使,R,o,提高,与电压反馈还是电流反馈有关,5.,改善波形失真,A,u,i,u,f,u,d,加反馈前,加反馈后,u,o,大,略小,略大,略小,略大,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,小,接近正弦波,正弦波,u,i,6.,展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加,无负反馈,BW,f,|A,u,|,O,BW,f,有负反馈,结论：,(1),要想稳定静态工作点，应引入,直流负反馈。,(2),要想改善交流性能，应引入,交流负反馈。,(3),要想稳定输出电压，应引入,电压负反馈；,要想稳定输出电流，应引入,电流负反馈。,(4),要提高,R,i,，应引入,串联负反馈；,要减小,R,i,，应引入,并联负反馈。,(5),要提高,R,o,，应引入,电流负反馈；,要减小,R,o,，应引入,电压负反馈。,练习题：,运算放大器电路如图所示，,R,L,为负载电阻，则,R,F1,和,R,F2,引入的反馈分别为,(),。,(a),串联电流负反馈,(b),并联电流负反馈,(c),串联电压负反馈,(d),正反馈,R,2,R,1,+,+,R,L,R,F2,R,F1,u,i,第七节 集成运放,在信号发生电路中的运用,正弦波信号发生器（正弦波振荡器）,用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。（从,1Hz,几百,MHz),常用的有：,LC,振荡电路,：输出功率大、频率高。,RC,振荡电路,：输出功率小、频率低。,石英晶体振荡电路,：频率稳定度高。,应用：,无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。,一、自激振荡,放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象。,2,+,1,+,+,开关合在“,1”,为无反馈放大电路,在反馈端有一反馈电压,开关打到“,2”,，去掉输入电压仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。,当 时，,产生了自激振荡,1,、自激振荡的条件,当 时，,设 ，则,产生自激振荡的条件：,(1),相位条件：,(,振,荡电路必须是,正反馈,),振荡产生的首要条件,(2),幅度条件：,必须有,足够的反馈量,(,可以通过调整,A,u,或,F,达到,),。,2.,起振及稳幅振荡的过程,设：,U,o,是振荡电路输出电压的幅度，,B,是要求达到的输出电压幅度。,起振时,U,o,0,，达到稳定振荡时,U,o,=,B,。,起振过程中,U,o,1,，,稳定振荡时,U,o,=,B,，要求,A,u,F,=,1,，,从,A,u,F,1,到,A,u,F,=,1,，就是自激振荡建立的过程。,可使输出电压的幅度不断增大。,使输出电压的幅度得以稳定。,起始信号的产生：,在电源接通时，会在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。,3.,正弦波振荡电路的组成,(1),放大电路,:,放大信号,(2),反馈网络,:,必须是,正反馈,，反馈信号即是放大电路的输入信号,(3),选频网络,:,保证输出为单一频率的正弦波。,(4),稳幅环节,:,使电路能从,A,u,F,1,，过渡到,A,u,F,=1,，从而达到稳幅振荡。,二、桥式,RC,正弦波,振荡电路,R,+,+,R,2,R,1,C,R,C,u,o,1,、电路结构,u,i,+,放大电路,(,同相比例运算电路,),u,f,+,选频网络,反馈网络,稳幅环节,2,、,RC,串并联网络的选频特性,+,+,R,C,R,C,令：,幅频特性：,相频特性：,O,0,0,90,90,O,当,=,o,时，达最大值，且,=0,，与,同相,。即网络具有选频特性。,3,、振荡条件,当,时，,u,f,与,u,o,同相。,起振时，,A,u,F,1,即：,R,2,2,R,1,达到稳定时：,R,2,=2,R,1,振荡频率：,改变,R,、,C,可调节振荡频率,R,+,+,R,2,R,1,C,R,C,u,o,u,f,+,u,i,+,4,、工作原理,电路中微小的起始扰动信号经正反馈反馈到输入端，反馈电压经放大电路后有更大的输出，最后利用稳幅环节稳定下来。,热敏电阻,稳幅原理,R,+,+,R,2,R,1,C,R,C,u,o,具有,负温度系数,的热敏电阻，利用它的非线性可以,自动稳幅。,起振时，由于,u,o,很小，流过,R,2,的电流也很小，阻值高，使,R,2,2,R,1,，使,A,u,F,1,。,当,R,2,=2,R,1,时，,A,u,F,=1,，,振荡稳定。,u,o,T,R,2,A,u,利用二极管的稳幅电路,u,o,V,2,u,i,=,u,f,C,R,F2,+,+,+,+,R,F1,V,1,R,C,R,R,1,