《电工电子技术 教学课件 ppt 作者 明立军 刘雅琴 第九章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子技术 教学课件 ppt 作者 明立军 刘雅琴 第九章（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 集成运算放大器,【学习目标】 1）了解集成运算放大器的基本知识； 2）集成运放工作在线性区和非线性区的特点； 3）掌握运放的基本运算电路； 4）掌握电压比较器的基本知识； 5）掌握、和石英晶体振荡器的电路组成、工作原理和性能特点。 【能力目标】 1）能分析基本运算电路； 2）能分析正弦波震荡电路。,9.1 集成运算放大器简介,所谓集成电路，就是把整个电路的各元器件以及相互之间的连接同时制作在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。,集成运算放大器的基本放大电路,1.集成运算放大器的基本组成： 1） 输入端和输出端 2） 电源端 3） 调零端,2. 集成运算放大器的主要参数,集成运算放
2、大器性能的好坏常用一些参数表征。这些参数是选用集成运算放大器的主要依据。下面介绍集成运算放大器的一些主要参数。 1) 最大输出电压UOPP 能使输出电压和输出电流保持不失真关系的最大输出电压称为集成运算放大器的最大输出电压。 2）开环电压放大倍数AUO 在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，即为开环电压放大倍数。 3）输入失调电压UIO 在一般情况下，当输入信号为零时，输出UO0，应在输入端加上相应的补偿电压使其输出电压为零，该补偿电压称为输入失调电压UIO。,4） 输入失调电流IIO 当输入信号为零时，输入级两个差分端的静态电流之差称为输入失调电流IIO 。 5） 开环差模输入电阻r
3、i和输出电阻r0 运放组件两个输入端之间的电阻 ，叫做差模输入电阻。这是一个动态电阻。 r0 是集成运放开环工作时，从输出端向里看进去的等效电阻。 6） 共模抑制比KCMR 差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值， 7） 最大共模输入电压UICM UICM是指集成运算放大器在线性工作范围内所能承受的最大共模输入电压。,3. 集成运算放大器的基本分析方法,集成运算放大器可以工作在线性区域，也可以工作在非线性区域。 为了使集成运算放大器工作在线性区域，通常把外部电阻、电容、半导体器件等跨接在集成运算反复大器的输出端，与反相输入端之间构成闭环工作状态，限制其电压放大倍数。,工作在线性区域的理想集成
4、运算放大器有两个重要结论： 1）集成运算放大器同相输入端和反相输入端的电位相等（虚短）即。 2）集成运算放大器同相输入端和反相输入端输入电流等于零（虚断）。,应用上述两个结论，可以使集成运算放大器应用电路的分析大大简化，是分析集成运算放大器组成的电路的依据。,9.2 基本运算电路,1.反相比例运算电路 如图所示，输入信号经输入外接电阻送到反相输入端，而同相输入端通过电阻接地。反馈电阻跨接在输出端和反相输入端之间，形成电压并联负反馈。,反相比例运算电路,根据：i+ i 0，u+ u 0得 ii = if + i if； 所以， 即：因此，闭环（引入反馈后的）电压放大倍数为： 可见，u0与ui成正
5、比，负号表示u0与ui相位相反，故称为反相比例运算电路。,2.同相比例运算电路,如图所示，输入信号 ui 通过外接电阻 R2 输入送到同相输入端，而反相输入端经电阻接地。反馈电阻RF跨接在输入端和反相输入端之间，形成电压串联负反馈。,根据集成运算放大器工作在线性区域时的两条依据，可得 ii = if + i if 。由图可列出： 。解得： 。闭环电压放大倍数为： 。,同相比例运算电路,可见, u0与ui成正比且同相，故称此电路为同相比例运算电路。,3.加减运算电路,（1） 加法运算电路 在反相比例运算电路的输入端增加若干输入电路，如图所示，则构成反相加法运算电路。,反相加法运算电路,由节点电流
6、定律得： ； ，有 整理得： 当 时，则上式为： 当 时，则有： 平衡电阻为：,（2） 减法运算电路,如果两个输入端都有信号输入，则为差分输入。差分运算在测量和控制系统中应用很多，其放大电路如图所示。,差分输入放大电路,根据叠加原理可知， u0为ui1和ui2分别单独在反相比例运算电路和同相比例运算电路上产生的响应之和，即：,当R1=R2、R3=R4时，则有： 可见，此电路输出电压与两输入电压之差成比例。,4.微分电路,【微分运算电路图】 依据u+ u 0，可得：iR=UC，所以： 即： 可见u0与ui的微分成比例，因此称为微分运算电路。,a）电路图 b）波形图,5. 积分电路,【积分运算电路
7、图】 由电路可得： 可见u0与ui的积分成比例，因此称为积分运算电路。,a）电路图 b）波形图,9.3 电压比较器,1.过零电压比较器 参考电压为零的比较器称为过零比较器（亦称为零电平比较器），如图所示。,a）电路图 b）传输特性,当时ui0时， u0=Uom 。即每当输入信号越过零时，输入电压就要发生翻转，由一个状态跃变到另一个状态。因此，过零比较器能够实现对输入信号的过零检测，可以实现波形的转换。,2.单限电压比较器,将过零比较器中的同相输入端外接一参考电压UR，就构成了单限比较器，如图a所示；比较器的输出特性如图b所示 ：,a）电路图 b）传输特性,当uiUR时， u0=Uom 。,3.
8、滞回电压比较器,滞回电压比较器也叫迟滞电压比较器，如图a所示。它是从输出端引出一个反馈电阻到同相输入端，形成正反馈，这样使作为参考电压的同相输入端的电压随输出电压而变化，达到移动过零的目的。,a）电路图 b）传输特性,当输出电压为+Uom时，同相端电压为： 只要 uiUT ,输出将保持 Uom不变，一旦ui由大逐渐减小到小于UT ，输出电压将从 Uom跃变到 +Uom。,9.4 振荡电路,1.正弦波振荡器的基本概念 (1)正弦波振荡器的振荡条件 振荡电路自激振荡的条件是： 1）幅度平衡条件 要有足够的反馈量，使 ，即 Uf=Ui 2）相位平衡条件 ，即电路必须引入正反馈。,(2) 振荡器的起振
9、与稳幅,当振荡电路刚接通电源时，电路中就产生了电流扰动，它包含了从低频到高频的各种频率的微弱信号，其中必有一种频率的信号满足振荡器的相位平衡条件，产生正反馈，其他频率信号则被选频网络抑制掉。如果此时放大器的放大倍数足够大，满足 的条件，则经过电路的不断放大后，输出信号在很短的时间内就由小变大，由弱变强，使电路振荡起来。 随着电路输出信号的增大，晶体管的工作范围进入截止区和饱和区，电路的放大倍数自动地逐渐减小，从而限制了振荡幅度的无限增大，或者在电路中采用负反馈等措施也可限制振荡幅度。当 时，电路就有稳定的信号输出。,(3) 振荡电路的组成,振荡器由以下几部分组成： （1）放大电路 它具有放大信
10、号的作用，将电源的直流电能转换成振荡信号的交流电能。 （2）反馈网络 它形成正反馈，满足振荡器的相位平衡条件。 （3）选频网络 在正弦波振荡电路中，它的作用是选择某一频率，使之满足振荡条件，形成单一频率的振荡。 （4）稳幅电路 用于稳定振荡器输出信号的振幅，改善波形。,(4） 振荡电路的分析,可采用下列步骤进行分析： 1）检查电路是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路，特别是前三项。 2）检查放大电路的静态工作点是否合适，是否满足放大条件。 3）判断电路能否振荡,（5）振荡电路的分类,振荡器分为RC正弦波振荡器，LC正弦波振荡器和石英晶体正弦波振荡器。,2.RC正弦波振荡电路,RC正弦
11、波振荡电路是利用电阻器 R 和电容器 C 组成选频电路的振荡电路。下图所示为RC正弦波振荡器的一种，又称为文氏桥振荡器。,RC桥式振荡器,对于 RC选频电路来讲，振荡电路的输出电压 U0是它的输入电压，它的输出电压Ui送到同相输入端，是集成运放的输入电压。当 时，U0与Ui同相，并且 而同相比例运算电路的放大倍数为,下图是两种具有稳幅环节的文氏桥振荡器。电路中分别利用二极管的非线性和热敏电阻的特性自动完成输出信号幅度的稳定。两种电路采用的元件不同，但都是利用改变负反馈深度来达到稳幅的目的。,a）负温度系数热敏电阻稳幅 b）二极管非线性元件稳幅,RC文氏桥正弦波振荡器的特点是电路简单、容易起振，
12、但调节频率不太方便，振荡频率不高，一般适用于f01MHz的场合。,下图是一种实用的正弦波音频信号发生器的电路图。在电路中，采用双刀多波段开关，通过切换电容器来进行频率的粗调。采用双连同轴电位器来实现频率的细调，实现了在音频范围内信号频率的连续可调。,桥式振荡电路组成的正弦波音频信号发生器,3.LC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路采用 LC并联回路作为选频网络。它主要用来产生高频正弦波信号，振荡频率通常在0.5MHz以上。 按电路中反馈网络的形式不同，电路可分为变压器反馈式振荡器、电感三点式振荡器、电容三点式振荡器等。,（1） LC并联网络的选频特性,LC并联选频网络如图所示。当信号频率变化时
13、，在低频，并联阻抗为感性，随着频率的降低，阻抗愈来愈小；,在高频，并联阻抗为容性，随着频率的升高，阻抗值也愈来愈小，可以证明，只有在中间的某一个频率 f = f0时，并联阻抗为纯阻性且等效阻抗接近最大值。频率f0就是的LC并联谐振频率。,LC并联谐振回路,由谐振电路原理可知，若忽略电阻R的影响， LC并联网络的谐振频率为 ， 谐振时，电压 与电流 同相，电路呈纯电阻性。,(2) 变压器反馈式正弦波振荡器,电路是采用高频变压器构成的LC正弦波振荡电路。,【组成】： 1）放大电路 2）选频网络 3）反馈网络,【电路特点】 变压器反馈式振荡器LC容易起振，若用可变电压器代替固定电容C,则可以方便的调
14、节频率，其缺点时振荡频率不太高，通常为几兆赫至几十兆赫。,【电路能否振荡的判断 】 1）相位条件的判断 就是判断电路是否为正反馈。可用瞬时极性法。 2）幅度条件判断 当三极管的放大倍数和绕组的匝数比合适时，即可满足幅度平衡条件。,(3) 电感三点式振荡电路,电感三点式振荡电路又称为哈特莱振荡电路，电路如图所示：,【电路组成】 放大电路 选频网络 反馈网络,a）电感三点式振荡电路 b）电感三点式振荡电路的简化交流通路,【相位平衡条件 】 用“射同基反”的口诀来判断。含义是：对于三点式振荡器的交流通路，如图所示，若三极管的发射极与 LC网络的接点两边元件的电抗性相同（如都为电感或都为电容），三极管
15、的基极与LC网络的接点两边元件的电抗性相反（一个为电感，一个为电容）。可以证明，此电路必满足振荡的相位平衡条件。,在此电路中，由于电感的三个端子分别与三极管 V的三个电极相连，故称为电感三点式振荡器。,【振荡频率】 电感三点式振荡电路的振荡频率由LC并联网络的谐振频率确定，即： 【电路特点】 电感三点式振荡器电路简单，容易起振，调频方便，只要将电容 C 换成可变电容器，就可以方便的进行频率的连续调节。此电路常用与对波形要求不高的设备中，其振荡频率通常在几十兆赫以下。,(4)电容三点式振荡器,电容三点式振荡器又称为考毕兹电路，电路如图所示。,a）电容三点式振荡电路 b）简化交流通路,【电路的组成】 放大电路采用分压式偏置的共发射极电路。 【相位平衡条件】 可以用瞬时极性法和“射同基反”的口诀，更容易判断出此电路满足振荡器的相位平衡条件。 由于串联电容的三个端子分别与三极管 V的三个电极相连，故称为电容三点式振荡器。 【振荡频率】 振荡频率由 LC 回路的谐振频率确定，即：,【电路特点】 由于电路的反馈电压取自电容两端，而电容对高次谐波的容抗较小，所以电路对高次谐波的正反馈比
