《電子電工高等教育出版社集成運(yùn)算放大器ppt課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電子電工高等教育出版社集成運(yùn)算放大器ppt課件（62頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

第16章 集成運(yùn)算放大器,16.1 集成運(yùn)算放大器的簡單介紹,16.2 運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用,16.4 運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用,16.5 使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題,16.3 運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用,1. 了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。 2. 理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，理解理想 運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法。 3. 理解用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和 積分運(yùn)算電路的工作原理，了解有源濾波器 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16章 集成運(yùn)算放大器,16.1 集成運(yùn)算放大器的簡單介紹,集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)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。,集成電路 是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之 間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上, 組成一個(gè)不 可分的整體。,集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可 靠性高、價(jià)格低。,各類型號(hào)集成芯片,16.1.1 集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn),Auo 高: 80dB~140dB rid 高: 105 ~ 1011? ro 低: 幾十? ~ 幾百? KCMR高: 70dB~130dB,1. 元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好； 2. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流 源代替，電位器需外接； 3. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電 容、電感 和變壓器均需外接； 4. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。,16.1.2 電路的簡單說明,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),,,同相 輸入端,輸出端,反相 輸入端,輸入級(jí)：采用帶恒流源的差分放大電路，輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)。 中間級(jí)：常用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，電壓放大倍數(shù)高。 輸出級(jí)：一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成，輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 偏置電路：恒流源電路構(gòu)成，提供合適的偏流，決定各級(jí)Q。,集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào),反相 輸入端,同相 輸入端,信號(hào)傳 輸方向,輸出端,實(shí)際運(yùn)放開環(huán) 電壓放大倍數(shù),,16.1.3 主要參數(shù),1. 最大輸出電壓 UOPP 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(yùn)放沒有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。,6. 共模輸入電壓范圍 UICM 運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)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 UIO 4. 輸入失調(diào)電流 IIO 5. 輸入偏置電流 IIB,16.1.4 理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù),1. 理想運(yùn)算放大器的條件,Auo ? ? ， rid ? ? ， ro? 0 ， KCMR? ?,2. 電壓傳輸特性 uo= f (ui),線性區(qū)： uo = Auo(u+– u–),非線性區(qū)（飽和區(qū)）： u+ u– 時(shí)， uo = +Uo(sat) u+ u– 時(shí)， uo = – Uo(sat),,線性區(qū),理想特性,實(shí)際特性,飽和區(qū),O,3. 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù),因?yàn)?uo = Auo(u+– u– )， Auo ? ?,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(yùn)放的線性 范圍越小，必須加負(fù)反 饋使其工作于線性區(qū)。,O,rid ? ?,ro ? 0,(3) 輸出電壓uo與負(fù)載無關(guān),,4. 理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn),(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(dāng) u+ u– 時(shí)， uo = + Uo(sat) u+ u– 時(shí)， uo = – Uo(sat) 不存在 “虛短”現(xiàn)象,16.2 運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用,集成運(yùn)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(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。,運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)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)與參數(shù)，而與運(yùn)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(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。,16.2.1 比例運(yùn)算,1. 反相比例運(yùn)算,（1）電路組成,（2）電壓放大倍數(shù),因虛短, 所以u(píng)–=u+= 0， 稱反相輸入端“虛地”— 反相輸入的重要特點(diǎn),因虛斷，i+= i– = 0 ，,所以 i1 ? if,靜態(tài)時(shí)u+、 u– 對(duì)地電阻相同， 所以平衡電阻 R2 = R1 // RF,結(jié)論：,① Auf為負(fù)值，即 uo與 ui 極性相反。因?yàn)?ui 加 在反相輸入端。,② Auf 只與外部電阻 R1、RF 有關(guān)，與運(yùn)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1：電路如圖所示，已知 R1= 10 k? ，RF = 50 k? 。 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 = –5,R2 = R1 ?? RF =10 ?50 ? (10+50) = 8.3 k?,2. 因 Auf = – RF / R1 = – RF ? 10 = –10 故得 RF = –Auf ? R1 = –(–10) ?10 =100 k? R2 = 10 ? 100 ? (10 +100) = 9. 1 k?,例2 測量電阻的電路如圖所示。其中 ui = U = 10 V，輸出端接有滿量程為 5 V 的電壓表，被測電阻為 Rx 。 試找出 Rx 與電壓表讀數(shù)的關(guān)系； (2) 若所用運(yùn)放為 CF741 型，為了擴(kuò)大測量電阻的范圍，將電壓表的量程選為 50 V 是否有意義？,解：(1),=－105 uo Ω,(2) 查附錄可知：,CF741 型的最大輸出電壓為±13 V。 因此，選用量程為 50 V 的電壓表無意義。,2. 同相比例運(yùn)算,因虛斷i+ = 0，所以u(píng)+ = ui,（1）電路組成,（2）電壓放大倍數(shù),,因虛短，所以 u– = ui ， 反相輸入端不“虛地”,靜態(tài)時(shí)u+、u?對(duì)地電阻相同， 所以平衡電阻R2=R1//RF,結(jié)論：,① Auf 為正值，即 uo與 ui 極性相同。因?yàn)?ui 加 在同相輸入端。,② Auf只與外部電阻 R1、RF 有關(guān)，與運(yùn)放本 身參數(shù)無關(guān)。,③ Auf ≥ 1 ，不能小于 1 。,④ u– = u+ ≠ 0 ，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。,當(dāng) R1= ? 且 RF = 0 時(shí)，,uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。,由運(yùn)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。,這是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓 uo不會(huì)隨之變化， uo =7.5V。,負(fù)載電流的大小 與負(fù)載無關(guān)。,例3：負(fù)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(duì)被 測電路影響小。,流過電流表的電流,16.2.2 加法運(yùn)算電路,1. 反相加法運(yùn)算電路,因虛短, u–= u+= 0,R2= R11 // R12 // RF,因虛斷，i– = 0,所以 ii1+ ii2 = if,若 R11 = R12 = R1,若 R1 = RF,2. 同相加法運(yùn)算電路,方法1: 根據(jù)疊加原理 ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，,同理，ui2單獨(dú)作用時(shí),方法2：,,平衡電阻： R21 // R22 = R1 // RF,u+,,1. 輸入電阻低； 2. 共模電壓低； 3. 當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)， 對(duì)其它路無影響。,同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：,反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：,1. 輸入電阻高； 2. 共模電壓高； 3. 當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)， 對(duì)其它路有影響。,16.2.3 減法運(yùn)算電路,由虛斷可得：,由虛短可得：,分析方法1：,若 R1 = R2 ，R3 = RF,若 R1 = RF,R2 // R3 = R1 // RF,輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)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(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。,u+,16.2.4 積分運(yùn)算電路,由虛短及虛斷性質(zhì)可得 u+= u-= 0, i1 = if,若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即 ui= Ui 時(shí)，則,,,,,,,,,積分飽和,線性積分時(shí)間,線性積分時(shí)間,,–Uo(sat),ui = Ui 0,ui = –Ui 0,采用集成運(yùn)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(shí)間 t 的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。,輸出電壓隨時(shí) 間線性變化,Ui,–Ui,將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成 比例-積分運(yùn)算電路。,電路的輸出電壓,上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分,這種運(yùn)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(shí)間常數(shù), 以滿足控制系統(tǒng)的要求。,16.2.5 微分運(yùn)算電路,,,,,由虛短及虛斷性質(zhì)可得 u+= u-= 0, i1 = if,Ui,–Ui,比例-微分運(yùn)算電路,上式表明：輸出電壓是對(duì)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。,—PD調(diào)節(jié)器,if,例4：設(shè)RF＞＞R4，試證：,證：,例5：已知：ui1 = 1V， ui2 = 2V， ui3 = 3V， ui4 = 4V， R1 = R2 = 2kΩ， R3 = R4 = RF = 1kΩ，求uo。,解：,應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法求u+：,應(yīng)用疊加原理求uo：,例6：求uo與ui1、ui2的運(yùn)算關(guān)系式。,解：,第一級(jí)：,第二級(jí)：,例7：求uo。,解：,第一級(jí)：,第二級(jí)：,uo2 = uo2－uo1,例8：圖示電路是廣泛應(yīng)用與自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的比例 －積分－微分電路。試求該電路 uo 與 ui 的關(guān)系式 。,uo,,∞,－ +,+,,,,,△,,CF,ui,,,,R1 C1,R2,,,,,,RF,,,,,,,,,,u+ = u－ = 0,解：,,,,,i1,iR1,iC1,if,16.3 運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用,16.3.1 有源濾波器,濾波器是一種選頻電路。 它能選出有用的信號(hào)，而抑制無用的信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過，衰減很大。,無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。,有源濾波器：含有運(yùn)算放大器的濾波器。,缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。,優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。,按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。,1. 有源低通濾波器,設(shè)輸入為正弦波信號(hào), 則有,故：,若頻率 ? 為變量，則電路的傳遞函數(shù),其模為,當(dāng)? ?0時(shí)，| T(j?)| 衰減很快,顯然，電路能使低于?0的信號(hào)順利通過，衰減很小，而使高于?0的信號(hào)不易通過，衰減很大，稱一 階有源低通濾波器。,為了改善濾波效果，使 ? ?0 時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。,2. 有源高通濾波器,設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有,故：,可見，電路使頻率大于?0 的信號(hào)通過 ，而小于?0 的信號(hào)被阻止，稱為有源高通濾波器。,若頻率 ? 為變量，則電路的傳遞函數(shù),其模為,模擬開關(guān),模擬輸入信號(hào),1. 電路,16.3.2 采樣保持電路,采樣保持電路，多用于模 - 數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前。由于A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換前必須對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時(shí)間，以滿足A/D 轉(zhuǎn)換電路的需要。,用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。,采樣存儲(chǔ) 電容,控制信號(hào),電壓跟隨器,,2. 工作原理,17.3.2 采樣保持電路,1. 電路,,,,采樣階段： uG為高電平， S 閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通)， ui對(duì)存儲(chǔ)電容C充電， uo= uC = ui 。,保持階段： uG為 0， S 斷開(場效應(yīng)管截止)，輸出 保持該階段開始瞬間的值不變。,,,,,采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。,16.3.3 電壓比較器,電壓比較器的功能： 電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)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(hào)的 大小和極性。,用途： 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。,運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。,理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：,1. 輸出只有兩種可能 +Uo (sat) 或–Uo (sat) 當(dāng) u+ u－ 時(shí)， uo = +Uo (sat) u+ u－ 時(shí)， 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,電壓傳輸特性,–Uo(sat),+Uo(sat),,運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài),1. 基本電壓比較器,閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。,,當(dāng) u+u– 時(shí)，uo= +Uo (sat) u+u– 時(shí)，uo= –Uo (sat),即 uiUR 時(shí)，uo = – Uo (sat),可見，在 ui =UR 處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。,參考電壓,,,單限電壓比較器： 當(dāng) ui 單方向變化時(shí)， uo 只變化一次。,,ui UR，uo=+ Uo (sat) ui UR，uo= –Uo (sat),,輸入信號(hào)接在反相端,輸入信號(hào)接在同相端,,輸入信號(hào)接在反相端,輸入信號(hào)接在同相端,,輸出帶限幅的電壓比較器,設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ， 忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航?則 ui UR，uo = –UZ,uiUR 時(shí)，uo' = – Uo (sat),過零電壓比較器,利用電壓比較器 將正弦波變?yōu)榉讲?uo,,16.4 運(yùn)放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用,波形發(fā)生器的作用： 產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。 特點(diǎn)：不用外接輸入信號(hào)，即有輸出信號(hào)。,16.4.1 矩形波發(fā)生器,1. 電路結(jié)構(gòu),由滯回比較器、,RC充放電電路組成，,電容電壓uC 即是比較器的輸入電壓，,2. 工作原理,設(shè)電源接通時(shí)， uo = +Uo(sat) ，uC(0) = 0。,電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。,uo 通過 RF 對(duì)電容C充電， uC 按指數(shù)規(guī)律增長。,,,充電,,當(dāng) uo = +Uo(sat)時(shí)，電容充電， uC上升，,電容放電， uC下降，,,當(dāng)uC= UR 時(shí)，uo 跳變成 –Uo(sat),當(dāng) uC= –UR 時(shí)，uo 跳變成 +Uo(sat) ，電容又重新充電。,放電,2. 工作原理,,,3. 工作波形,,T = T1+T2,電容充放電過程，uC 的響應(yīng)規(guī)律為,4. 周期與頻率,在充電過程中,在放電過程中,矩形波的周期,矩形波的頻率,充放電時(shí)間常數(shù)相同：? = RC,矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號(hào)源,A1：滯回比較器 因 u– = 0 ， 所以當(dāng) u+ = 0 時(shí)， A1狀態(tài)改變,16.4.2 三角波發(fā)生器,1. 電路結(jié)構(gòu),A2：反相積分電路,,2. 工作原理,A1：滯回比較器 因 u- = 0 ，所以當(dāng) u+ = 0時(shí)，A1狀態(tài)改變,輸出 uo1 改變(+UZ 躍變到–UZ 或 –UZ 躍變到 +UZ)，,當(dāng),同時(shí)積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。,3. 工作波形,4. 周期與頻率,T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2,(1) 改變比較器的輸出 uo1、電阻R1 、R2 即可改變?nèi)遣ǖ姆怠?(2) 改變積分常數(shù)RC 即可改變?nèi)遣ǖ念l率。,,16.4.3 鋸齒波發(fā)生器,1. 電路,三角波發(fā)生器,在三角波發(fā)生器的電路中，使積分電路的正、反向積分的時(shí)間常數(shù)不同，即可使其 輸出鋸齒波。,2. 波形,16.4.3 鋸齒波發(fā)生器,1. 電路,