《电子技术 非电类 第2版 教学课件 ppt 作者 荣雅君 杨丽君 编 第4章 集成运算放大器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子技术 非电类 第2版 教学课件 ppt 作者 荣雅君 杨丽君 编 第4章 集成运算放大器（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 集成运算放大电路,本章提要,随着半导体制造工艺水平的提高，以前由分立元件组成的电子电路,已经能够将整个电路中的元器件及相互之间的联接同时制造在一块硅基片上，构成一特定功能的电子电路，称为集成电路。相对于分立电路，集成电路具有体积更小，重量更轻，功耗更低，可靠性更高的特点，因此性能更加优越。近年来，集成电路正逐渐取代分立元件电路。本章主要讨论以下几个问题：,3集成运放在信号运算、信号处理及信号产生方面的应用。,1集成运放的组成及主要参数；,2理想集成运放两种工作方式的主要特点和分析方法；,本章通过了解集成运放的主要技术参数，重点理解理想运放“虚短”、“虚断”的含义；正确理解集成运放两种工
2、作状态的特点和分析方法，能够分析各种集成运放组成的运算电路的工作情况及输入输出关系；并对各种信号发生电路、比较电路的原理和应用有一定的了解和认识。,一、集成运算放大器电路简介,集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种，本章所介绍的即是集成运算放大器及其基本应用。 运算放大器实际上是一种具有高开环放大倍数、高输入电阻、高放大倍数、低输出电阻并具有深度负反馈的多级直接耦合放大器。 广泛应用于测试技术、自动控制系统、信号处理等各个领域。,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,集成运算放大器基本内部组成可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分。,第四章 集成运算放大电路 第一
3、节 概述,1输入级 采用差分放大电路构成。具有对称性好、输入电阻高、可以有效减小零点漂移、抑制干扰信号等优点，因此可以有效放大有用信号。 2中间级 为整个电路提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放大电路，集电极电阻用晶体管恒流源代替，恒流源的动态电阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。 3输出级 输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足够大的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低，带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。 4偏置电路 为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流过大时将运放烧坏。,第四章
4、 集成运算放大电路 第一节 概述,集成运放的图形符号,反相输入端 同相输入端,输出端 uo,u u+, ud +, 输入方式: 反相输入 同相输入 差分输入,u u+,uo,F007 的外部接线和管脚图,返 回,下一节,上一页,下一页,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,1. 开环电压放大倍数（开环电压增益）Aod 在输出端开路，无外接反馈电路时，两个输入端加电压输入信号，此时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数，简称开环电压放大倍数，一般用分贝表示。 Aod 越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 2. 开环差模输入电阻rid 它指的是集成运放加入差模信号时的开环等效
5、输入电阻，表征了输入级从信号源取用电流的大小，其值越大越好。 3. 开环输出电阻ro 它指的是没有外接反馈电路时，输出级的输出电阻。表征了集成运放带负载的能力，其阻值越小越好。,二、集成运算放大器的主要参数,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,4. 输入失调电压uio 理想的集成运放，当输入信号为零时，一般输出电压也为零，但是实际的集成运放中，当输入电压为零时，输出电压不等于零，为使输出电压为零，须在输入端加补偿电压，该补偿电压就称为输入失调电压。它表征了输入级差分对管（或）不对称的程度，一般在毫伏级。 5. 最大输出电压UOM 能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压， 6.
6、共模抑制比KCMRR 它表示集成运放的差模放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值，即： KCMRR 越大，说明运算放大器抑制共模信号的性能越好。 集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低、零点漂移小、可靠性高、体积小等主要特点。,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述, 理想运放的主要条件： (1) 开环放大倍数：Ao (2) 开环输入电阻：ri (3) 开环输出电阻：ro0 (4) 共模抑制比：KCMRR,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,三、理想集成运放的技术指标及符号,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,四、集成运算放
7、大器的电压传输特性,理想特性,实际特性,电压传输特性表示了输出电压随输入电压变化的规律。 电压传输特性有两个工作区： 线性工作区和非线性工作区。 1集成运放线性工作的特点 或,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,如果集成运放工作在线性区，分析由它组成的电路时，有两条重要而普遍适用的结论： （1）“虚短” 集成运放两个输入端的电压近似相等，即 u+ u- 。 如果集成运放反相端有信号输入时，同相输入端接“地”，由“虚短”现象可知，反相输入端的电位接近“地”电位，即反相输入端是一个不接“地”的“地”电位，通常称为“虚地” 。,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,（2）“虚断” 流进集成运放
8、两个输入端的电流近似等于零，即 i+i-0 。 由于集成运放开环差模输入电阻很高（理想时），输入回路相当于断路，故从两个输入端流入的电流可以忽略不计，如同这两端被断开一样，但实际并不是真的断开，这种现象称为“虚断”。 理想的集成运放无论工作在线性区还是非线性区，“虚断”现象总是存在的。,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,（1） （2）集成运放两个输入端电压u+与 u不一定相等，即“虚短”的结论不一定成立。 （3）集成运放输入电流仍等于零。尽管两个输入端电压不等，但因为理想运放的，因此仍可认为此时的输入电流等于零，即“虚断”现象仍然存在。,2. 集成运放非线性工作（饱和状态）的特点,当 u
9、+ u时：,uo = + UO(sat),当 u+u时：,uo =UO(sat),第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,(一) 比例运算电路 (1) 反相比例运算电路,u u+,u= u += 0,虚地,i1 = if,闭环电压放大倍数 Af,返 回,上一页,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,平衡电阻,当 Rf = R1 时： uo = ui,反相器,平衡电阻: Rp = R1 / Rf,上一节,上一页,平衡电阻的作用是保证集成运放的同相输入端和反相输入端的外接电阻相等，以消除静态基极电流对输出电压的影响。,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,第四章 集
10、成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,(2) 同相比例运算电路,u u+,u= u + = ui if = i1,平衡电阻: R2 = R1 / Rf,返 回,上一页,闭环电压放大倍数 Af,当,电压跟随器,再令,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,(二) 加法运算电路 1.反相加法运算电路,上一节,上一页,当,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,返 回,上一页,2.同相加法运算电路,右图所示电路是具有两个输入电压的同相加法运算电路。 图中外部的元件参数应满足关系式,以使电路能够补偿输入偏置电流、失调电流及其漂移的影响。,单独作用时，令,，,单独作用时
11、，令,，,所以有输出电压为：,若选取,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,两个电压源共同作用时，,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,(三) 减法运算电路,下一节,下一页,1应用集成运放中“虚短”和“虚断”的特点。,由“虚短”的特点，,当,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,2应用叠加原理求解,当ui1单独作用时:, 当 ui2 单独作用时:,u u+,下一页,则： uo = uo + uo,当,时：,平衡电阻: R2 / R3= R1 / Rf,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,例4-3 图4-10示电路是具有四个输入
12、电压的双端输入和差运算电路。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的关系式。,式中，,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,若令,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,(四) 积分运算,+ uC,u = u+ = 0 uC = uuo =uo if = i1,积分时间常数,平衡电阻:,R2 = R1,返 回,下一节,(b) 波形,(a) 电路,(五) 微分运算电路,+ uC,u= u+ = 0 uC = ui if = i1,微分时间常数,平衡电阻: R2 = Rf,(b) 波形,上一节,上一页,第四章 集
13、成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,上述的基本微分电路存在如下的缺点： 输出端可能出现输出噪声淹没微分信号的现象； 由于电路中的反馈网络构成的 RFC 滞后环节，它与集成运算放大 器的滞后环节合在一起，使电路的稳定储备减 小，电路容易引起自激振荡； 突变的输入电压可能造成 uo 超过集成运算放大器所允许的最大输出电压，以至于产生堵塞现象，造成自锁状态, 使电路不能正常工作,图是一种改进型的微分运算电路 图中输入回路的小电阻R1限制了噪声干扰和突变的输入信号。且由于R1的引入，加强了电路中负反馈的作用。反馈支路引入小电容CF和 的并联形式来进行相位补偿。适当选取电路参数能使电路稳定工作。
14、,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,由此可见，此电路是一个反相比例运算和微 分运算相结合的电路，因此称为比例微分调节 器（简称PD调节器），用于控制系统中，使调节 过程起到加速作用。,解 由图可列出,第四章 集成运算放大电路 第二节 模拟信号的运算电路,一、电压比较电路 电压比较电路的基本功能是对输入模拟电压进行比较和鉴别,根据输入模拟电压是大于还是小于给定的参考电压来决定电路的输出状态,也可以由比较电路的输出状态来判断输入电压的大小，故称为电压比较器。 构成比较器的集成运放一般接成开环或正反馈状态，使其工作于非线性区。,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,(一
15、) 基本电压比较器,下一节,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,1过零比较电路,传输特性,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,2. 任意电平比较器,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,3. 基准电压比较器,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,二、施密特比较器,单限比较器具有电路简单、灵敏度高的优点，但存在抗干扰能力差的缺点。为了提高比较器的抗干扰能力，可以在
16、开环比较器的基础上增加由电阻构成的正反馈环节，称为施密特比较电路，又称施密特触发电路。,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,设电路的初始状态为,集成运算放大器同相输入端的电压也变为：,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,称下门限电压。,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,说明：,3)由于回差电压的存在，施密特比较器具有较强的抗干扰能力。,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,解： 上门限电压：,下门限电压为:,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,第四章 集成运算放大电路 第三节 信号处理电路,一、方波产生电路,特点：与滞回比较器相比较，方波发生器去掉了反相输入端的信号而改接了电容C ，并增加了反馈电阻R
