《湘潭大学电工学下chapternemodppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《湘潭大学电工学下chapternemodppt课件（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第第16章章 集成运算放大电路集成运算放大电路 返回返回.16.1 集成运算放大器的简单介绍16.2 运算放大器在信号运算方面的应用16.3 运算放大器在信号处理方面的应用16.4 运算放大器在波形产生方面的应用16.5 使用运算放大器应注意的几个问题.集成电路集成电路: :它是用一定的生产工艺把晶体管、场它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定管壳内，构成一个完整的、具有一定功
2、能的器件，也称为固体器件功能的器件，也称为固体器件优优 点：工作稳定、使用方便、体积小、重量点：工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了元件、电路和系轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合统的三结合返回目录返回目录.集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的特点1. 单个的精度不是很高单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致2.2.元器件相互离得很近元器件相互离得很近, ,温度特性较一致温度特性较一致3.3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易
3、制造都不易制造 4.4.电感难于制造电感难于制造, ,电容一般不超过电容一般不超过200pF,200pF,大电容大电容不易制造不易制造返回目录返回目录.16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入 电阻、低输出电阻的直接耦电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路合放大电路电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路 尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压
4、放大倍数输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。内部内部电路电路返回目录返回目录.集成电路的封装集成电路的封装双列直插式塑料封装双列直插式塑料封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212、1414、1616等种类等种类金属壳封装金属壳封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212等种类等种类返回目录返回目录.每两个每两个运放共运放共用一个用一个偏置偏置电阻电阻四个四个运放运放共用共用VDDVDD、VSSVSS端端C14578C14578外引线排列图外引线排列图返回目录返回目录.F007F0075G245G
5、24外引线图外引线图 反相反相输入端输入端 同相同相输入端输入端输出端输出端接接 线线 图图顶顶 视视 图图返回目录返回目录. rid 高高:几十几十k 几百几百k运放的特点：运放的特点：理想运放：理想运放： rid KCMRR很大很大KCMMRR ro 小：几十小：几十 几百几百 ro 0 Auo 很大很大:104以上以上 107Auo 运放的特点和符号运放的特点和符号运放符号：运放符号： u u+ uo A0 u u+ uo A0 u u+ uo 返回目录返回目录.运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区线性区很线性区很窄
6、窄, ,所以所以运放在线运放在线性区工作性区工作, ,通常引入通常引入深度电压深度电压负反馈负反馈返回目录返回目录.运算放大器线性应用时的分析依据运算放大器线性应用时的分析依据1. 1. 差模输入电阻差模输入电阻 , ,两个输入端的输入电流两个输入端的输入电流可认为是零，即虚断。可认为是零，即虚断。2. 2. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 输出电压是一个有输出电压是一个有限值，限值，即虚短。即虚短。 如果信号从反向端输入，同相端接地如果信号从反向端输入，同相端接地 反相端近于反相端近于“地电位，即虚地。地电位，即虚地。返回目录返回目录.运算放大器在饱和区时的情况运算放大器在饱和区时的情况当
7、当 时，时，当当时，时，注意：此时输入端的输入电流也注意：此时输入端的输入电流也等于零等于零返回目录返回目录.16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用1. 1. 比例运算比例运算(1) 反相输入返回目录返回目录.平衡电阻，保证输入端平衡电阻，保证输入端对地的静态电阻相等对地的静态电阻相等电路的输入电阻平衡电阻返回目录返回目录.R RR R2 2R R1 1F Fu ui iu uo o电位为零，虚地电位为零 注意虽然虽然但不能将反相输但不能将反相输入端和同相输入入端和同相输入端直接相联或者端直接相联或者直接接地直接接地返回目录返回目录.(2)(2)同相输
8、入同相输入请思考：当或或此电路此电路 有什么特点？有什么特点？例题返回目录返回目录.2. 2. 加法运算加法运算(1) 反相加法器返回目录返回目录.平衡电阻加法运算电路与运算放大器本身的参加法运算电路与运算放大器本身的参数无关数无关, ,只要电阻阻值足够精确只要电阻阻值足够精确, ,就可就可保证加法运算的精度和稳定性保证加法运算的精度和稳定性. .返回目录返回目录.(2) 同相加法器此电路若以此电路若以为输入，为输入，则输出为：则输出为：请想一想：外接的各电阻关系如何？请想一想：外接的各电阻关系如何？反相求和电路与同相求电路相比有什么优点？反相求和电路与同相求电路相比有什么优点？.3. 减法运
9、算图中电路的输入方图中电路的输入方式也称做差动输入式也称做差动输入由同相输入及反相输入由同相输入及反相输入的结论的结论 ，运用叠加定理，运用叠加定理返回目录返回目录.请思考：如何选择电阻，能得出如下结论差动输入方式下的电压放大倍数差动输入方式下的电压放大倍数注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选用KCMRR较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。例题返回目录返回目录.4. 4. 积分运算积分运算反相输入反相输入虚地虚地例题返回目录返回目录.思考题：在图示电路中，输入电压试求输出电压试求输出电压的幅值，并画出的幅值，并画出的波形图。的波形图。返回目录返回目录.5. 5. 微分电路微分电路应用举例
10、返回目录返回目录.例例1 电路如图所示，试分别计算开关电路如图所示，试分别计算开关S断开和闭合时的电压放大倍数断开和闭合时的电压放大倍数Auf。uouiR21k+ 1k1kS10kiiif.2. 当当S闭合时：闭合时：uouiR21k+ 1k1kS10kiiif1. 当当S断开时：断开时：解：解：. 例例2 如图所示电路，已知如图所示电路，已知RF100k，R150k，输入电压，输入电压 ui3sint V，求电，求电压放大倍数和输出电压压放大倍数和输出电压uo。uoRFuiR2R1+ 解解 ：电压放大倍数：电压放大倍数输出电压：输出电压： .例例3 一个测量系统的输出电压和某些输入信号的数一
11、个测量系统的输出电压和某些输入信号的数值关系为值关系为uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，试选择图示电路，试选择图示电路中各输入电路的电阻和平衡电阻。设中各输入电路的电阻和平衡电阻。设RF=100 k。uoui1RFui3Ri1Ri3+ R2ui2Ri2解：解：=. 当当 R1= 且且 RF = 0 时，时，uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uoui+ uo+ 15k15k+15V 7.5k例例4 试计算图示电路中试计算图示电路中uo的大小的大小 。解：由于解：由于 uo只与电源电压和分压电阻只与电源电压和分压电阻有关，而与负载电阻大小和运放有关，而与
12、负载电阻大小和运放的参数无关。的参数无关。 . 例例5 如图所示电路，已知如图所示电路，已知RF100k，R150k，输入电压，输入电压 ui3sint V，求电，求电压放大倍数和输出电压压放大倍数和输出电压uo。uoRFuiR2R1+ 解解 ：电压放大倍数：电压放大倍数输出电压：输出电压： .例例6 在图示电路中，已知在图示电路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求输出电压，求输出电压uo。uo1ui1+ + uoui2RRRA1A2+RRR解：解：.16.3 16.3 16.3 16.3 集成运算放大器在信号处理方面的应用集成运算放大器在信号处理方面的应用集成运算放大器在信号处理方面的应用
13、集成运算放大器在信号处理方面的应用一、有源滤波器一、有源滤波器一、有源滤波器一、有源滤波器滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通过过(衰减很小衰减很小)，而抑制其余频段的信号，而抑制其余频段的信号(衰减很大衰减很大)。滤波器通常分为低通、高通、带通及带阻等。滤波器通常分为低通、高通、带通及带阻等。 无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。 有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。
14、有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。 缺点：低频时体积大，很难做到小型化。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。 优点：体积小、效率高、频率特性好。优点：体积小、效率高、频率特性好。优点：体积小、效率高、频率特性好。优点：体积小、效率高、频率特性好。.一、有源滤波器一、有源滤波器1. 1. 有源低通滤波器有源低通滤波器有源低通滤波器有源低通滤波器uiuoRFuCCR+ R1+.uiuoRFuCCR+ R1+若频率若频率若频率若频率 为变量，为变量，为变量，为变量，为通频带放大倍数为通频带放
15、大倍数 .幅频函数：幅频函数：相频函数相频函数: . 幅频特性幅频特性 0| Auf0 | Auf(j) | O幅频函数：幅频函数：.uoRFCR+ R1uiRC二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 0 时信号衰时信号衰减得更快些，常将两节减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。来，组成二阶有源低通滤波器。二阶二阶一阶一阶 幅频特性幅频特性 0| Auf0 | T(j) | O.2. 有源高通滤波器有源高通滤波器uiuoRFCR+ R1.若频率若频率若频率若频率 为变量，为变量，为变量，为变量，uiuoRFCR+
16、 R1为通频带放大倍数为通频带放大倍数 .幅频函数：幅频函数：相频函数相频函数: . 幅频特性幅频特性 0| Auf0 | Auf(j) | O.3. 有源带通滤波器有源带通滤波器 将低通滤波器将低通滤波器和高通滤波器串联，和高通滤波器串联，并使低通滤波器的并使低通滤波器的截止频率大于高通截止频率大于高通滤波器的截止频率，滤波器的截止频率，则构成有源带通滤则构成有源带通滤波器。波器。 .4. 有源带阻滤波器有源带阻滤波器 将低通滤波将低通滤波器和高通滤波器和高通滤波器并联，并使器并联，并使高通滤波器的高通滤波器的截止频率大于截止频率大于低通滤波器的低通滤波器的截止频率，则截止频率，则构成有源带
17、阻构成有源带阻滤波器。滤波器。 .控制信号控制信号二、采样保持电路二、采样保持电路 采样保持电路，多用于模采样保持电路，多用于模 - 数转换电路数转换电路A/D之前。由于之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。模拟开关模拟开关模拟输模拟输入信号入信号采样存储采样存储电容电容电压跟随器电压跟随器 SuC+ui+uo+ uG.采样阶段：采样阶段： uG为高电平，为高电平， S 闭合闭合(场效
18、应管导通场效应管导通)，ui对存储电容对存储电容C充电，充电， uo= uC = ui 。保持阶段：保持阶段： uG为为 0， S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输，输出出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。控制信号控制信号控制信号控制信号uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ uG.三、电压比较器三、电压比较器 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平
19、，或者由低电平变成高电由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。平。由此来判断输入信号的大小和极性。 运放工作在开环状态或引入正反馈，运放工作在开环状态或引入正反馈，运算放大器工作在饱和区。运算放大器工作在饱和区。1. 1. 输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能 +Uo (sat) +Uo (sat) 或或或或Uo (sat) Uo (sat) 当当当当 u+ u u+ u 时，时，时，时， uo = +Uo (sat) uo = +Uo (sat) u+ u u+u u+u 时，时，时，时，uo= +Uo uo= +Uo (sat
20、) (sat) u+u u+u 时，时，时，时，uo= Uo uo= Uo (sat) (sat) 即即即即 uiUR uiUR ui UR 时，时，时，时，uo = Uo (sat)uo = Uo (sat)可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 .单限电压比较器：单限电压比较器：单限电压比较器：单限电压比较器： 当当当当 ui ui 单方向变化时，单方向变化时，单方向变化时，单方向变化时， uo uo 只变化一次。只变化一次。只变化一次。只变化一次。 Uo(
21、sat)Uo(sat) +Uo(sat+Uo(sat) )uiuoOURuitOURt1 t2Ouot +Uo (sat) Uo (sat)URuouiR2+ R1. 当当UR=0时，即输入电压和零电平比较，时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。称为过零比较器。 电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性Uo(sat)Uo(sat) +Uo(sat+Uo(sat) )u ui iu uo oO OUR= 0UR= 0uouiR2+ R1tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O O利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦
22、波变为方波将正弦波变为方波.ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)uiuoURR2+ R1 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOURt1 t2.输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器uoRVSuouiR2+ R1设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为UZUZ，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降那么那么那么那么 ui UR
23、 ui UR ui UR，uo = UZuo = UZuiUR uiUR ui UR 时，时，时，时，uo = Uo (sat) uo = Uo (sat) +UZ UZ电压传输特性电压传输特性uiuoO. 例例7 电路如图所示，输入电压电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，是一正弦电压，其周期为其周期为T，输出端外接，输出端外接RC电路的时间常数电路的时间常数RC 0 ui 0 时，时，时，时，uo = +Uo (sat) uo = +Uo (sat) ui 0 ui 0 时，时，时，时，uo = Uo (sat) uo = Uo (sat) tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat
24、)O O.uoRVDuLuiRL+ +CAtuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O OtuAO OtuLO O由于由于RC0.16.4 16.4 运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用1.1.矩形波发生电路矩形波发生电路双向稳压管,起输出限幅作用R1R1和和R2R2构成正反馈电路构成正反馈电路 起限流的作用起限流的作用反相输入端的电压反相输入端的电压电容两端电压的变化是电容电容两端电压的变化是电容通过电阻通过电阻RFRF的充放电实现的的充放电实现的RFRF和和C C构成负反馈电路构成负反馈电路通过比较通过比较的大小可的大小可得出输出电压得出输出电压返回目录返回目
25、录.思考题：如何改变矩形波的周期思考题：如何改变矩形波的周期T T？矩形发生器的波形矩形发生器的波形返回目录返回目录.2. 2. 三角波发生器三角波发生器组成积分电路组成比较器返回目录返回目录.当当电路工作稳定后电路工作稳定后, ,当当从从返回目录返回目录.当当电路工作稳定后电路工作稳定后, ,当当从从返回目录返回目录.如何计算周期如何计算周期? ?三角波发生器的波形三角波发生器的波形返回目录返回目录.16.5 16.5 16.5 16.5 集成运算放大器实际使用中的一些问题集成运算放大器实际使用中的一些问题集成运算放大器实际使用中的一些问题集成运算放大器实际使用中的一些问题一、调零一、调零一
26、、调零一、调零 由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输入信号为零时，输出信号不为零，应用时要先调零入信号为零时，输出信号不为零，应用时要先调零 调零的两种方法：调零的两种方法： 一是在无输入时调零，即将两个输入端接一是在无输入时调零，即将两个输入端接“地地”，调节电位器，使输出电压为零，调节电位器，使输出电压为零 。 一种是在有输入时调零，即按已知输入信号一种是在有输入时调零，即按已知输入信号一种是在有输入时调零，即按已知输入信号一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。电压计算输出电压，而后将实际值调整
27、到计算值。电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。 .二、维护二、维护1 1输入端保护输入端保护输入端保护输入端保护VD1VD2uoui+ RFR2R1 当输入端所加的差模电压超过允许的最大值当输入端所加的差模电压超过允许的最大值UIDM或共模电压超过允许的最大值或共模电压超过允许的最大值UICM时，可能会损坏时，可能会损坏输入级的晶体管。保护电路将输入电压限制在二极管输入级的晶体管。保护电路将输入电压限制在二极管的正向压降以内。的正向压降以内。 .2 2输出端保护输出端保护输出端保护输出端保护u uo oRFuiuiR1+ RR2VS1uouo
28、RFuiuiR1+ R3VS2 在输出端串接一低阻值电在输出端串接一低阻值电在输出端串接一低阻值电在输出端串接一低阻值电阻，限制集成运放的输出电阻，限制集成运放的输出电阻，限制集成运放的输出电阻，限制集成运放的输出电流流流流 。R R的阻值一般应尽量小的阻值一般应尽量小的阻值一般应尽量小的阻值一般应尽量小些，在数百欧左右，以保护些，在数百欧左右，以保护些，在数百欧左右，以保护些，在数百欧左右，以保护在正常工作时，其电压降很在正常工作时，其电压降很在正常工作时，其电压降很在正常工作时，其电压降很小，对输出电压幅度影响不小，对输出电压幅度影响不小，对输出电压幅度影响不小，对输出电压幅度影响不大。大
29、。大。大。 为了防止输出电压过大，为了防止输出电压过大，为了防止输出电压过大，为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护。可利用稳压管来保护。可利用稳压管来保护。可利用稳压管来保护。输出电压在输出电压在输出电压在输出电压在 范围内范围内范围内范围内 .3 3电源保护电源保护电源保护电源保护+E+E+ -E-E 当电源极性接对时，当电源极性接对时，当电源极性接对时，当电源极性接对时，二极管正向导通，运放获二极管正向导通，运放获二极管正向导通，运放获二极管正向导通，运放获得电源。当电源极性接反得电源。当电源极性接反得电源。当电源极性接反得电源。当电源极性接反时，二极管截止使电源加时，二极管截止使电源
30、加时，二极管截止使电源加时，二极管截止使电源加不到运放上，从而保护了不到运放上，从而保护了不到运放上，从而保护了不到运放上，从而保护了运放芯片。运放芯片。运放芯片。运放芯片。 .三、扩大输出电流三、扩大输出电流uouoRFuiuiR1+ RBV1V2+UCCRBVD1VD2-UCCR2 由于运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需由于运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需由于运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需由于运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要较大的电流时，可在输出端加接一级互补对称电路要较大的电流时，可在输出端加接一级互补对称电路要较大的电流时，可在输出端加接一级互补对称电
31、路要较大的电流时，可在输出端加接一级互补对称电路. . .四、单电源供电四、单电源供电u uo oRFuiuiR1+ RUCCUCCRUCCUCC 当特殊场合要求选用当特殊场合要求选用双电源运放而只有单电双电源运放而只有单电源供电的情况下，可采源供电的情况下，可采用图示的电路。用图示的电路。 电路中采用电阻分压的办法，使得两个输入端电路中采用电阻分压的办法，使得两个输入端电路中采用电阻分压的办法，使得两个输入端电路中采用电阻分压的办法，使得两个输入端u+u+、u-u-及输出端及输出端及输出端及输出端uouo的静态电位同为的静态电位同为的静态电位同为的静态电位同为UCCUCC2 2，即工作电平被抬，即工作电平被抬，即工作电平被抬，即工作电平被抬高到高到高到高到UCCUCC2 2，对于此电平来说，集成运放相当于加，对于此电平来说，集成运放相当于加，对于此电平来说，集成运放相当于加，对于此电平来说，集成运放相当于加UCCUCC2 2双电源。双电源。双电源。双电源。 .
