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1、集成运算放大器原理和应用基本原理和一般应用,课程大纲,一.基本原理和主要性能指标,一、基本原理和主要性能指标,1、概念 2、运算放大器基本组成和原理 3、主要性能指标,一、基本原理和主要性能指标,1 概念,因为早期运放主要用于放大和模拟运算(加法、减法、乘法、除法、积分、微分等),所以取名运算放大器。,现在 还用于信号处理、信号变换、信号产生等方面,在各种电子设备中被广泛应用。在测量、控制电路中有十分重要的地位。,2、运算放大器基本组成和原理-组成,一、基本原理和主要性能指标,运算放大器,输入级:采用恒流源的差动放大电路,工作在小电流状态,输入阻抗高。,中间级:一般采用恒流源的共发射极放大电路
2、,放 大倍数在几千倍以上,是运算放大器的主要增益部分。,输出级:有较大的电压输出幅度,较高的输出功率、较小的输出电阻,一般设有过载保护。,偏置电路:为各级提供合适的静态工作点,作为有源负载提高电压增益。,一、基本原理和主要性能指标,2、运算放大器基本原理和组成-原理,一、基本原理和主要性能指标,3. 主要性能指标,(1)输入失调(偏移)电压Vio 一般在110Mv,指为了保证输出为零,在输入端加的补偿电压,温度影响较大。 (2)输入失调(偏移)电流Iio 输入信号为零时,两输入端静态电流之差,温度影响较大。 (3)输入偏置电流IIB 输入信号为零时,两输入端静态电流的平均值,温度有一定影响。
3、(4)差模增益(放大倍数)Avd 指运算放大器在开环状态时的差模放大倍数。 (5)转换速率SR 运算放大器在单位增益和额定输出电压下,输出电压的最大变化率dv/dt。,一、基本原理和主要性能指标,3. 主要性能指标,(6)共模印制比KCMR(CMR) 差模放大倍数与共模放大倍数之比。 (7)最大共模输入电压VicM 运算放大器在线性工作工作范围内所能承受的最大共模输入电压。 (8)最大差模输入电压VidM 运算放大器两输入端之间所能承受的最大电压。 (9)-3dB带宽fH和单位增益带宽fc fH是指当Ao下降到3dB所对应的信号频率;fc是指Ao下降到0dB所对应的信号频率。注意与GBP区别开
4、来。 (10)差模输入电阻和输出电阻 差模输入电阻是指两输入端之间动态电阻;输出电阻指运算放大器在环状态下输出端对地电阻。,一、基本原理和主要性能指标,3. 主要性能指标-例子,一、基本原理和主要性能指标,3. 主要性能指标-例子,二.运算放大器分析方法,1、分析运算放大器的基本法则:虚短、虚断、虚地。 2、典型运算放大电路 同相输入比例放大电路 跟随电路 反相输入比例放大电路 积分电路 微分电路 加法电路 减法电路,2、典型运算放大电路,同相输入比例放大电路,跟随电路,2、典型运算放大电路,反相输入比例放大电路,2、典型运算放大电路,2、典型运算放大电路,积分电路,微分电路,2、典型运算放大
5、电路,加法电路,2、典型运算放大电路,减法电路,2、典型运算放大电路,1、在测量方面的应用 2、在信号处理方面的应用,三、运算放大器的基本应用,1、在测量方面的应用,利用运算放大器测量电压、电流等: 可以与指针表做成: 直流电流测量电路 支流电压测量电路 交流电流测量电路、 交流电压测量电路,1、在测量方面的应用,直流电流测量电路,(1)有源滤波器 (2)采样保持电路 (3)电压比较电路 (4)波形产生电路 (5)比例-积分-微分(PID)调节器,2、在信号处理方面的应用,(1)有源滤波器,2、在信号处理方面的应用, 一阶有源低通滤波器:过滤高频信号 一阶有源高通滤波器:过滤低频信号 二阶有源
6、带通滤波器:过滤低频高频和信号 二阶有源带阻滤波器:过滤中频信号,(1)有源滤波器滤波-幅频特性图,2、在信号处理方面的应用,2、在信号处理方面的应用,(1)有源滤波器-一阶有源低通滤波器,2、在信号处理方面的应用,(1)有源滤波器-一阶有源高通滤波器,2、在信号处理方面的应用,(1)有源滤波器-二阶有源带通滤波器,2、在信号处理方面的应用,(1)有源滤波器-二阶有源带阻滤波器,2、在信号处理方面的应用,(2)采样保持电路,缺少控制开关,2、在信号处理方面的应用,(3)电压比较电路,用于比较电路的运放叫比较器; 性能要求:鉴别准确,反应灵敏,动作迅速,抗干扰能力 强,有一定的保护措施,防止过压
7、(输入)或过流。 对SR、Vin、Vio等要求严格; 常用的是迟滞(滞回)比较器。,2、在信号处理方面的应用,(3)电压比较电路-滞回电压比较电路,2、在信号处理方面的应用,(4) 波形产生电路, 锯齿波发生电路 三角波发生电路 正弦波发生电路 方波发生电路 压空振荡发生电路,2、在信号处理方面的应用,(4) 波形产生电路-方波发生电路,2、在信号处理方面的应用,(5)比例-积分-微分(PID)调节器,1、运算放大器的选择 2、运算放大器的保护措施 3、抑制干扰和噪声 4、其他注意事项,四、运算放大器应用时应注意的问题,1、运算放大器的选择,运算放大器的主要技术要求: 高放大倍数、高输入阻抗、
8、低漂移、低功耗、高速、高压、精密、大功率、电压比较; 实际的运放不可能都具备上面的技术指标, 根据这些指标,运放分为不同类型: 高输入阻抗型、低漂移型、低功耗型、高速型、高压型、大功率型、电压比较型; 根据实际应用选折具有相应指标的运放类型。,1、运算放大器的选择,高输入电阻型,高输入电阻型可以减轻信号源的负担,常用于测量设备的首级与传感器匹配,利于发挥传感器的灵敏度。也用于信号处理电路,信号保持电路,信号滤波电路和模拟调节电路。,低漂移型,1、运算放大器的选择,低漂移型的输入、输出值随温度、时间有极微小的变化,经常用于精密检测,因为精密检测采集的信号一般很小,常常是微伏数量级,如果漂移过大,
9、就会带来很大的误差。,高速型,1、运算放大器的选择,高速型响应速度SR快,一般用于快速模/数转换器、数/模转换器、有源滤波器、精密比较器、采样-保持电路;设备示波器、视频放大器等设备用该类型。,低功耗型,1、运算放大器的选择,低功耗型运放电源消耗小,常用于供电不便的检测仪表,如:遥测、遥感设备、便捷式仪器等,大功率型,1、运算放大器的选择,大功率型运放主要用于输出功率大的场合,可以达到几安的输出电流,比如说用于功放、驱动IC等。,电压比较型,1、运算放大器的选择,电压比较型主要用于电压比较器,要求输出对输入的响应时间小;一般输入电压不能太大。,2、运算放大器的保护措施,电源保护: 注意电源的范
10、围和极性,可用二极管预防电源极性接反和静电。 输入保护: 输入端电压不能过大,电流不能太大。 一般可加二极管或稳压管限制输入电压。 输出保护: 防止输出过电流、输出对地短路、输出与其他高电压接触,可以用电阻防止过电流,用稳压管来嵌位高电压。,3、抑制干扰和噪声,抑制干扰: 布板时调整好运放位置,远离干扰源; 注意信号线的走向,走双绞线,不要走干扰环; 有大的干扰源要屏蔽; 使用滤波电路-电源滤波和信号滤波。 噪声抑制: 远离开关功率元件,远离发热器件,加 滤波电路。,4、其他注意事项,(1)使用前要弄清楚原理、参数和封装; (2)不要带电焊接运放IC; (3)注意焊接温度和时间; (4)测试时注意把握住表笔和探头。,五、实例分析,对以前设计的项目应用运放的例子进行分析 1、比较器: 用于电源输入欠压保护,过温保护 2、运放(PID)调节器: 用于电源环路控制。,1、比较器,1、比较器,2、调节器,2、调节器,