《[理学]第2章 集成运放及其基本应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[理学]第2章 集成运放及其基本应用（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 集成运放及其基本应用2.1 2.1 放大的概念和放大电路的性能指标放大的概念和放大电路的性能指标2.2 2.2 集成运算放大电路集成运算放大电路2.3 2.3 理想运放组成的基本运算电路理想运放组成的基本运算电路2.4 2.4 理想运放组成的电压比较器理想运放组成的电压比较器8.3 8.3 有源滤波器有源滤波器2.1 放大的概念和放大电路的性能指标2.1.1 放大的概念放大电路扬声器话筒 （传感器）直流电源声音声音如：扩音机示意图如：扩音机示意图放大的本质：放大的本质：能量的控制和转换能量的控制和转换放大的基本特征：放大的基本特征：功率放大功率放大能够控制能量的元件称为能够控制能量的元
2、件称为有源元件有源元件，如：晶体，如：晶体 管、场效应管管、场效应管放大电路的核心元件。放大电路的核心元件。放大的基本要求：放大的基本要求：不失真不失真1、放大电路的方框图2.1.2 放大电路的方框图及其性能指标RL+-+-+-RS放放 大大 电电 路路信号源信号源负载负载和和R RS S：信号源的电压和内阻信号源的电压和内阻：输入电压和输入电流输入电压和输入电流和和R RL L：负载电阻负载电阻：输出电压和输出电流输出电压和输出电流和和(1)放大倍数2、放大电路的性能指标指输出量指输出量 （ ）与）与 输入量输入量 （ ）之比）之比 。 或或 或或衡量放大能力衡量放大能力的重要指标的重要指标
3、RL+-+-+-RS放放 大大 电电 路路电压放大倍数电压放大倍数 ：电流放大倍数电流放大倍数 ： 电压对电流的放大倍数电压对电流的放大倍数( (互阻放大倍数互阻放大倍数 ):):电流对电压的放大倍数电流对电压的放大倍数( (互导放大倍数互导放大倍数 ):):(2)输入电阻和输出电阻RL+-+-+-RS放放 大大 电电 路路RL+-+-+-RSRi+-Ro输入电阻输入电阻Ri ：从放大电路输入端从放大电路输入端 看进去的等效电阻看进去的等效电阻 。输入电阻的大小决定了输入电阻的大小决定了 放大电路从信号源吸取放大电路从信号源吸取 信号幅值的大小。信号幅值的大小。(2)输入电阻和输出电阻RL+-
4、+-+-RS放放 大大 电电 路路RL+-+-+-RSRi+-Ro输出电阻输出电阻Ro ：从负载两端看进去从负载两端看进去 的戴维宁等效电源的戴维宁等效电源 的内阻。的内阻。输出电阻的大小决定了输出电阻的大小决定了 放大电路放大电路带负载的能力带负载的能力 。(3)通频带 衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。Of低频段中频段高频段fLfHfL：下限截止频率fH：上限截止频率通频带： fBW = fH - fL(4)最大不失真输出电压Uom指在不失真的前提下能够输出的最大电压。指在不失真的前提下能够输出的最大电压。(5)最大输出功率Pom与效率最大输出功率
5、Pom：在输出电压不失真的情况下在输出电压不失真的情况下 ，负载上能够获得的最大功率。，负载上能够获得的最大功率。效率：2.2.2 集成运放的符号和电压传输特性：表示“放大器”两个 输入端uN：反相输入端uP：同相输入端一个输出端： uo为了简化起见，常将接地端省去。Aod：开环差模电压放大倍数 Aoduo+uNuPAoduo+uNuP一、符号常用的集成运放芯片A741实物外形图：实物外形图：管脚图管脚图：1 A741A7412876543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二、电压传输特性指输出电压和输入电压之间的关系曲线。线性区(放大区)： uo = Aod(uP
6、uN) 非线性区(饱和区)： uo = UoM线性区+UoMuP uNuoUoMOuo= f (ui) = f (uP uN)饱和区由于Aod非常高，因而线性区非常窄。例1： F007运算放大器的正、负电源电压为15V， Aod =2105 ，UoM=13V。今分别加下列输 入电压，求输出电压及其极性。 (1) uP=+15V，uN= 10 V (2) uP= 5V， u= +10 V (3) uP= 0， uN= + 5mV； (4) uP=5mV，uN=0解：2.2.3 理想集成运放二、符号一、条件Aod ， rid ， ro 0 ， KCMR Auo+uNuP三、电压传输特性 uo= f
7、 (ui)+UoMuP uNuoUoMO2.2.4 理想运放两个工作区域的特点一、工作在线性区的分析依据(1) Aod ，uo =Aod (uP uN )uo为一有限值 uP= uN，称“虚短” iP= iN 0 ，称“虚断” Aod越大，运放的线性范围越小，必 须加负反馈才能使其工作于线性区。若uP或 uN接地，则称“虚地” 。(2) rid ，两个输入端电流 为零。iNiPAuouPuN+rid uouPuN+ro-Aod(uP uN)二、工作在饱和区的分析依据(一般工作于开环或正反馈状态)+UOMuP uNuoUOM饱和区O 饱和区(1) 输出只有两种可能：+ +U UOM OM 或或
8、U UOMOM当uP uN 时， uo = + UOM 当uP 0 uI = U uN 时， uo = + UoM 当uPUUREFREF时，时，u uo o = = U UOMOMU UREF REF ：参考电压：参考电压UREFuouI+A电压传输特性：uo= f (uI)uIuoOUREF+ +U UOMOM U UOMOM当当u uI IUUREFREF时，时，u uo o = += +U UOM OM 当当u uI I UUT T时，时，u uo o = = U UOMOM电压传输特性 ：uIuoOUT+ +U UOMOM U UOMOM电压传输特性的三要素求解法：(1) (1) 由
9、集成运放最大输出电压决定输出高低电平由集成运放最大输出电压决定输出高低电平 U UOHOH和和 U UOL OL ; ;(2) (2) 写出集成运放两输入端写出集成运放两输入端 u uN N和和 u uP P 的表达式，令的表达式，令u uN N= = u uP P ，求出输入电压，求出输入电压u uI I，即为阈值电压，即为阈值电压U UT T ；(3) (3) 若输入电压若输入电压u uI I从反相输入端从反相输入端( (或通过电阻或通过电阻) )输入，输入， 则当则当 u uI I U UT T时，时，u uOO = = U UOL OL ；当；当 u uI IU UT T时，时，u u
10、OO = = U UOH OH ；当；当 u uI IU UT T 时，时，u uOO= =U UOHOH= +12V= +12VuI/VUo/VO4+12+12 1212(2)2.4.3 滞回比较器单限电压比较器的缺点：UREFuouI +AR2R1若输入电压uI在阈值电压附近波动tuIO OUTtuOO OUOHUOL抗干扰能力差。为此采用滞回比较器 ：当输入电压在一定 的范围内变化时，输 出电压保持不变。一、反相输入滞回比较器电路引入了正反馈uoUREF+AR1R2uI当当 u uN N= = u uP P 时，求得阈值电压为时，求得阈值电压为当当 u uo o=+=+U UOMOM时时
11、, ,当当 u uo o= =- -U UOMOM时时, ,当当u uI I u uP P， u uo o= =- -U UOMOM此时此时u uP P= =U UT2T2uoUREF+AR1R2uI再增大再增大u uI I，u uN N u uP P，u uo o= =- -U UOMOM保持不变保持不变uIuoO UT1UT2+ +U UOMOM U UOMOM(2)(2)当当u uI I再逐渐减小时再逐渐减小时当当u uI I略小于略小于U UT2 T2 时，时，u uN N - -U UT T 时，时，u uo o= = + +U UOMOM继续减小继续减小u uI I(1)(1)当当
12、u uI I从大于从大于- -U UT T 逐渐减小时逐渐减小时当当u uI I+ +U UT T 时，时，u uo o= =+ +U UOMOM三、窗口比较器(P59)uouI+A1URH+A2 URLD1D2R1 R2DZ当当 u uI I U URH RH 时，时，D D1 1导通，导通，D D2 2截止，截止，u uo o= = U UZ ZuIuoOURLU UZ ZURH又称双限比较器例2 ：如图所示电路，UOM=12V，R1=10k， R2=50k。求下列两种情况下电路的阈值电压 并画出电压传输特性。 (1) UREF=0V； (2) UREF=6V解：(1)uoUREF+AR1
13、R2uI该电路是反相输入滞回该电路是反相输入滞回 比较器。比较器。uI/VUo/VO2-2+ +12121212(2)当 UREF=6V时 uoUREF+AR1R2uIuI/VUo/VO3 1212+ +121278.3 有源滤波器8.3.1 8.3.1 滤波电路基本知识滤波电路基本知识滤波电路：对信号频率具有滤波电路：对信号频率具有选择性选择性的电路。的电路。 作用：它能选出有用的信号，而抑制无用的信号。作用：它能选出有用的信号，而抑制无用的信号。无源滤波器无源滤波器有源滤波器有源滤波器按频率范围的不同，滤波器可分为按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、低通、高通、 带通和带阻等。带通和
14、带阻等。由电阻、电容等无源元件组成。由电阻、电容等无源元件组成。含有运算放大器的滤波器。含有运算放大器的滤波器。有源滤波器的集成运放工作在有源滤波器的集成运放工作在线性区线性区。四种滤波器理想的幅频特性四种滤波器理想的幅频特性Of通带fp阻带低通滤波器(LPF)Of阻带fp通带高通滤波器(HPF)Of阻带fp1通带带通滤波器(BPF)阻带fp2Of通带fp1阻带带阻滤波器(BEF)通带fp28.3.2 8.3.2 无源滤波器无源滤波器CR+1 1、低通滤波器、低通滤波器模与频率的关系模与频率的关系令 ：通带截止频率幅频特性幅频特性相频特性相频特性频率特性频率特性 幅角与频率的关系幅角与频率的关
15、系低通滤波器的幅频特性：当f =0时，当f =fp时，当f 时，fpfO1 0.707当频率大于fp时，信号被 很快衰减。具有“低通”特性。2 2、高通滤波器、高通滤波器CR+其中：当f =0时，当f =fp时，当f 时，高通滤波器的幅频特性：fpfO1 0.707无源滤波器的特点：无源滤波器的特点： (1)电路的增益小，最大仅为1；(2)带负载能力差。如：低通滤波器接上负载后如：低通滤波器接上负载后CR+RL接上负载后接上负载后CR+RL其中 ：通带电压放大倍数通带截止频率可见：通带放大倍数和通带截止频率均随负载 变化而变化，即带负载能力差。8.3.3 8.3.3 有源滤波器有源滤波器1 1、一阶有源低通滤波器、一阶有源低通滤波器uiuoR2uCCRR1+A其中：通带电压放大倍数通带截止频率对数幅频特性：当f =0时，当f =fp时，当f =10fp时，对数幅频特性对数幅频特性 当f =0时，当f =fp时，当f =10fp时，f / fpO -3-200.1110-20dB/倍频为了改善滤波效 果，常采用二阶 有源低通滤波器 。二阶有源低通滤波器uiR CuoR2CRR1+A常用的二阶有源低通滤波器uiR CuoR2CRR1+A2. 2. 一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器C RuiuoR2R1+A其中：通带电压放大倍数通带截止频率对数幅频特性：当f =fp时，当f =10
