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1、大二电工学运算放大器课大二电工学运算放大器课件件 本章要求本章要求1. 1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2. 2. 理解运算放大器的电压传输特性，和理想理解运算放大器的电压传输特性，和理想 运算放大器的分析方法。运算放大器的分析方法。3. 3. 掌握用集成运放组成的比例、加减、微分和掌握用集成运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理。积分运算电路的工作原理。4. 4. 了解运放在线性和非线性方面的其它应用。了解运放在线性和非线性方面的其它应用。24.共模抑制比共模抑制比KCMRR5. KCMRR=|Aod / Aoc| ，式中式
2、中Aoc为共模放大倍数。为共模放大倍数。KCMRR越大，识别差模信号的能力越强，抑制共模信号越大，识别差模信号的能力越强，抑制共模信号的能力越大。也表为的能力越大。也表为 KCMRR(db)=20lg|Aod /Aoc| 。 5.最大输出电压最大输出电压Uopp 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压，能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压，又称为饱和电压。又称为饱和电压。93.2 3.2 运算放大器的分析方法运算放大器的分析方法3.2.1 3.2.1 理想运算放大器理想运算放大器 在一般分析计算中，都将集成运算放大器看成理在一般分析计算中，都将集成运算放大器看成理想运算放大器，即将集
3、成运算放大器的各项技术指标想运算放大器，即将集成运算放大器的各项技术指标理想化。即认为：理想化。即认为： 1 1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数 Aod ； 2）差模输入电阻）差模输入电阻 rid ； 3）输出电阻）输出电阻 ro 0 ； 4）共模抑制比）共模抑制比 KCMRR 10理想运算放大器的图形符号理想运算放大器的图形符号“- ”为反相输入端；为反相输入端；“+”为同相输入端；为同相输入端；“”表示开环电压放大倍数满足理想化条件；表示开环电压放大倍数满足理想化条件； 这里省略了其这里省略了其它引线，而只画它引线，而只画出了两个输入端出了两个输入端和一个输出端，和一个输出端，其中：其
4、中：“ ”表示运放表示运放输输入。入。+uouu+i+i 11运放的三种工作方式运放的三种工作方式 1 1）当信号从同相输入端对公共地端输入时，输出）当信号从同相输入端对公共地端输入时，输出电压与输入电压同相，电压与输入电压同相，同相输入方式；同相输入方式； 2）当信号从反相）当信号从反相输输入端入端对对公共地端公共地端输输入入时时，输输出出电压电压与与输输入入电压电压反相，反相，反相反相输输入方式；入方式； 3）当信号同）当信号同时时从同相从同相输输入端和反相入端和反相输输入端入端对对公共公共地端地端输输入入时时，输输出出电压电压相位由两个相位由两个输输入入电压综电压综合决定，合决定，差差动
5、输动输入方式。入方式。123.2.2 3.2.2 运算放大器的电压传输特性和两运算放大器的电压传输特性和两个工作区域个工作区域 输出电压输出电压u uo o与输入电压与输入电压( (u u+ +- -u u- -) ) 之间关系的特性曲线之间关系的特性曲线 u uo o= =f f( (u u+ +- -u u- -) ) ， 称为电压传输特性。称为电压传输特性。 u+ u uo +UoppUopp O线性区线性区饱和区饱和区131. 运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点当当 |uo |Uopp时，输入电压和输时，输入电压和输出电压有线性关系：出电压有线性关系： (1）由于开环差模增益
6、）由于开环差模增益 Aod ，而输出电压，而输出电压uo为为有限值，有有限值，有u+-u-0 ， (2) 由于差模输入电阻由于差模输入电阻 rid ,输入电流约等于输入电流约等于 0 +uouu+i+i u+ u uoUopp O线性区线性区uo = Aod（u+ u) +Uopp理想运放工作在理想运放工作在线线性区有两个性区有两个重要特点：重要特点：即即 u+=u- ，即即 i+=i-0，14运放工作在运放工作在线线性区的条件是必性区的条件是必须须引入引入负负反反馈馈： 这是由于，当这是由于，当 |uo |Uopp时，运放工作在线性区，输时，运放工作在线性区，输入电压和输出电压有线性关系：入
7、电压和输出电压有线性关系：uo = Aod（u+ u) 由于由于Aod，在无，在无负负反反馈馈（开（开环环）情况下，只要）情况下，只要 u+-u- 有一点点有一点点输输入，入，uo就会达到正就会达到正饱饱和和+UOPP 或或负饱负饱和和-UOPP 。由于干。由于干扰扰的影响，很的影响，很难难使运放在开使运放在开环时环时工作工作在在线线性区。引入性区。引入负负反反馈馈，可减少，可减少净输净输入入电压电压 u+-u- , 使使uo u 时，时， uo = + Uopp u+t1时，时，uo= -UOPP= -10V。583.3.4 微分运算电路微分运算电路因因u-=0, ic = if ,uoif
8、icC1uiR2RF+ uitOuotO动画动画+U+Ui i1. ui=+Uit=0时时uo产生较大跃变产生较大跃变随着电容随着电容C的充电的充电uo 衰减为衰减为059 微分运算电路微分运算电路ifi1uoC1uiR2RF+ uitOuotO U Ui i动画动画2. ui= -UI60比例比例-微分运算电路微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中，控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。PDPD调节器调节器调节
9、器调节器uoC1uiR2RF+ R1ifiRiC61i3i1ii+uoR3uiR2R1+ R4CiCi4另一种比例微分电路另一种比例微分电路62uitOuotO+U+Ui i比例微分电路阶跃输入时的波形比例微分电路阶跃输入时的波形633.4 运算放大器在其他方面的应用运算放大器在其他方面的应用 运算放大器组成的运算电路工作在线性区，以完成摸运算放大器组成的运算电路工作在线性区，以完成摸拟信号的数学运算，在电子技术及工业控制中，还有许拟信号的数学运算，在电子技术及工业控制中，还有许多其他应用。这里例举一些信号处理、波形发生等应用多其他应用。这里例举一些信号处理、波形发生等应用电路，在这些电路中，
10、运放有的工作在线性区，有的工电路，在这些电路中，运放有的工作在线性区，有的工作在饱和区。作在饱和区。3.4.1 电压比较器电压比较器电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。由此来判断输入信号的由此来判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。运放工作在开环状态，工作在饱和区。运放工作在开环状态，工作在饱和区。运放工作在开环状态，工作在饱和区。运放工作在开环状态，工作在饱和区。64电压比较器的电压传输特性电压比较器的电压传输特性 Dz Dz为双向稳压管，为双向稳压管，为双向稳压管，为双向稳压管，起双向稳压作用。设稳起双向稳压作用。设稳起双向稳压作用。设
11、稳起双向稳压作用。设稳压管的稳定电压为压管的稳定电压为压管的稳定电压为压管的稳定电压为U UZ Z，则则则则u u0 0输出为输出为输出为输出为 U UZ Z当当当当 u uI I U UR R，u uo o= = U UZ Z u ui i U UR R，u uo o = = U UZ Z UZ UZu ui iUUR时，时，uo=UOPP电压传输特性电压传输特性uiuoO +UOPP UOPPUR(uo)652vuitOOuot 6v 6vt1t2例：设例：设ui为峰值为为峰值为4V，周，周期为期为T=80ms的三角波，的三角波，比较电压比较电压UR=2V，稳压管，稳压管的稳定电压的稳定电
12、压UZ=6V，试，试画出输出电压波形。画出输出电压波形。8040(ms）4v解：解：ui2V时时, uo=UZ=6V， ui+UT , uo= -UZ ,u+= -UT, 电容开始反向充电，电容开始反向充电，uouc00tt-UT+UT+UZ-UZt1t2t3T输出方波的周期为输出方波的周期为:当当 uc=u- -UT ,uo=+UZ 电路产生自激振荡，输出方波。电路产生自激振荡，输出方波。动画动画733.4.4 三角波发生器三角波发生器C Cu uo1o1R R5 5D DZ ZR R1 1+ + + R R4 4u uo oR R6 6R R+ + + + + A A2 2A A1 1R
13、R2 2R3 两级输出电压两级输出电压通过通过R2和和R3反馈到反馈到A1的同相端。的同相端。 uo1通过通过R2产生电压产生电压正反馈。受正反馈正反馈。受正反馈影响，影响，uo1输出方波输出方波A1为比较器，为比较器，输出方波；输出方波；A2为积分器，为积分器，对方波积分，对方波积分，输出三角波。输出三角波。A2对对uo1进行积分，进行积分，输出三角波输出三角波74动画动画ttuo1uo00+UZ+UZ-UZ-UZt1t2t3工作过程：工作过程：电路通电后，电路通电后，uo1和和uo输出随机，输出随机，设设t=0 时时uo1为正，由于正反馈为正，由于正反馈作用，很快达到正饱和，作用，很快达到
14、正饱和，uo1=+UZ ,A2进行反向积分，进行反向积分，uo下降下降(设设t=0,uo=0), 当当t=t1 时时 uo= -UZ ; 若若R2=R3，则此时两输出端反馈到，则此时两输出端反馈到A1同相端的电压之同相端的电压之和为零，只要和为零，只要uo再下降一点，由于正反馈作用，再下降一点，由于正反馈作用，A1立刻立刻翻转，翻转，uo1= -UZ , A2开始反向积分开始反向积分( t1 t2 ); 当当t=t2时，时，uo=+UZ，由于正反馈作用，由于正反馈作用，A1再次翻转，再次翻转，uo1=+UZ ; t2t3 ,A2 再次反向积分，重复上述过程。再次反向积分，重复上述过程。75C Cu uo1o1R R5 5D DZ ZR R1 1+ + + R R4 4u uo oR R6 6R R+ + + + + A A2 2A A1 1R R2 2R3+UZ+UZ-UZ-UZt1t2t3ttuo1uo00可以证明电路的可以证明电路的自激振荡周期为自激振荡周期为T=4RCT振荡频率为：振荡频率为：改变改变RC可以调节频率；可以调节频率；改变改变R2和和R3可改变方波可改变方波和三角波的对称性。和三角波的对称性。动画动画7677
