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当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 管理学资料 > 简明电路分析第13章
第13章13集成运算放大器13.1集成运放概述13.2集成运放的基本运算电路13.3信号处理中常用的运算放大电路第13章(1)直接耦合方式,充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。(2)用复杂电路实现高性能的放大电路,因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。(3)用有源元件替代无源元件,如用晶体管取代难于制作的大电阻。(4)采用复合管。集成运算放大电路,简称集成运放,是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算,故而得名。13.1集成运放组成第13章两个输入端一个输出端若将集成运放看成为一个“黑盒子”,则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。第13章集成运放电路四个组成部分的作用输入级:前置级,多采用差分放大电路。要求Ri大,Ad大,Ac小,输入端耐压高。中间级:主放大级,多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级:功率级,多采用准互补输出级。要求Ro小,最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路:为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。第13章集成运放各管脚用途:2为反相输入端由此端接输入信号,则输出信号和输入信号是反相的(或两者极性相反)。3为同相输入端由此端接输入信号,则输出信号和输入信号是同相的(或两者极性相同)。4为负电源端通常接-15V直流稳压电源。7为正电源端通常接+15V直流稳压电源。1和5为外接调零电位器(通常为100kΩ)的两个端子。6为输出端8为空脚。μA74112345678第13章集成运放的主要参数1.开环差模电压放大倍数(开环电压增益)Auo它是决定运算精度的主要参数,在输出端开路,没有外接反馈电路,在标称电源电压作用下,两个输入端加信号电压,测得的差模电压放大倍数Auo。Auo越大,运算精度就越高。2.开环差模输入电阻rid它是指集成运放两个输入端加差模信号时的等效电阻。表征输入级从信号源取用电流的大小。一般rid为3MΩ左右,目前高的运放可达1000MΩ以上。第13章3.开环输出电阻ro开环输出电阻表征运放带负载的能力,它是指没有外接反馈电路时,输出级的输出电阻。其阻值越小越好,一般为600Ω以下。4.最大输出电压UOM输出端接上额定负载与标称电源电压作用时,所能输出的不明显失真的最大电压,称为最大输出电压,一般为±13V以下。5.输入失调电压Uio为使输出电压为零,在输入端加一个补偿电压,该补偿电压称为输入失调电压Uio。第13章它表征输入级差动放大电路两个晶体管不对称的程度,Uio越小越好,一般为几毫伏。6.共模抑制比KCMR它表示运放的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac之比的绝对值,即KCMR越大,说明运算放大器的共模抑制性能就越好。cdCMRAAK(dB)AA201gKcdCMR第13章集成运放及其分析依据-++反相输入端u-u+同相输入端信号传输方向ui输出端理想运放开环电压放大倍数ou实际运放开环电压放大倍数上页下页返回AO1.集成运放符号第13章2.电压传输特性上页下页返回uo0uiUOM–UOMuo=f(ui),其中ui=u+–u-Ui–Ui+线性区uiUi–Ui+uo=A0ui=A0(u+–u-)uiUi+和uiUi-饱和区uo=+–UOMou+-+u–u+AO第13章3.集成运放的理想特性理想化的条件:开环电压放大倍数AO∞;差模输入电阻ri开环输出电阻rO共模抑制比KCMRR∞;0;∞;上页下页返回-++u-u+ouAO第13章集成运放的理想电压传输特性0uouiUO+理想运放上页下页返回ou+-+u–u+uo0uiUo+U0-Uim–Uim实际运放UO-第13章4.理想运放的分析依据理想运放对于理想运放Ao,ri,“虚短路”原则(2)“虚断路”原则(1)uuouiu=Ao=–-+上页下页返回理想运放工作在线性区的分析依据uiuO_++u-u++i-uiuO+_i+0i-=i+=0uirii-=i+=u-u+=第13章当u+u-时,u0=UO+iiuO+rid+输出电压u0只有两种可能:当u+u-时,u0=UO-“虚断”的条件原则上仍成立,即ii≈0“虚短”原则上不成立,即u+和u-不一定相等!上页下页返回理想运放工作在非线性区的分析依据uiuO_++u-u+第13章反馈的基本概念AoFxoxixdxfxi—输入信号xd—净输入信号xo—输出信号xf—反馈信号无反馈有反馈方框图A0=xo/xd开环放大倍数F=xf/xo反馈系数负反馈xd=xi–xf(同相)闭环放大倍数xoAf=—xi反馈:将放大电路输出信号的一部分或全部经反馈网络引回输入端。上页下页返回第13章反馈的类型及判别直流反馈:反馈信号中只含直流成分交流反馈:反馈信号中只含交流成分交、直流反馈:反馈信号中交、直流同时存在电压反馈:反馈信号取自输出电压,与输出电压成正比电流反馈:反馈信号取自输出电流,与输出电流成正比串联反馈:反馈信号与输入信号以串联的形式作用于净输入端并联反馈:反馈信号与输入信号以并联的形式作用于净输入端第13章电压串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈电流串联负反馈负反馈的类型上页下页返回第13章负反馈对放大器性能的影响1.降低放大倍数对于负反馈,1。其值愈大,负反馈作用愈强,Af也就愈小。即引入负反馈后的Af(闭环放大倍数)比无负反馈时AO(即开环放大倍数)小。oooddoiof1)1(FAAFAxxAxxAoFA1oFA1闭环放大倍数反馈深度:第13章AFxoxixdxf2.提高放大倍数的稳定性设开环放大倍数的相对变化率为dA/AAf=A1+AF,对A求导得dAfdA=11+AF-AF(1+AF)2=1(1+AF)2,dAf=dA(1+AF)2dAfAf=dA/A(1+AF)21+AF=dAA.11+AFdAfAf=dAA1.1+AF上页下页返回闭环放大倍数的相对变化率为dAf/Af第13章AFxoxixdxf0.707A0AfffH3.扩展通频带AAfA00.707AffHfBWf1AFBW加入负反馈使放大器的通频带展宽0无负反馈有负反馈上页下页返回BWBWf第13章ufuiuiuo负反馈改善了波形失真A4.减小非线性失真加入负反馈无负反馈FAuoud上页下页返回第13章1比例运算1、反相输入比例运算电路uiuoi1ifi-RfR1R2Rf引入深度负反馈并联电压负反馈R1-输入电阻Rf-反馈电阻R2-平衡电阻R2=R1//R1上页下页返回i+第13章反相输入运算关系uiuoi1ifi-RfR1R2“虚断路”i-=0uif=–—oRfi1=ifAf=—=–—u0uiRfR1——反相比例当Rf=R1=R时u0Af=—=–1ui——反相器上页下页返回“虚地”u-=u+=0uii1=—–R1,ui—–R1u=–—oRf第13章1)输入电阻低反相比例器引入并联电压负反馈2)输出电阻低反相比例器的特点上页下页返回uiuoi1i-RfR1R2if第13章2、同相输入RfR1R2ui1if同相比例运算电路uu=——–o-R1R1Rf+u-u=+故有:u上页下页idu+u_返回Auf=uoui=1+RfR1——同相输入比例器id=0=uiuu=——–oiR1R1Rf+o=1+uiRfR1uoi第13章同相输入比例器的特点同相输入比例器属于电压串联负反馈电路。1)输入电阻高在理想运放的情况下,输入电阻:ri=∞2)输出电阻低在理想运放的情况下,ro=0RfR1R2uoi1if同相比例运算电路ui上页下页返回第13章电压跟随器当R1=∞或Rf=0时uo=ui同相跟随器uiR2uoRfR1R2uoi1if同相比例运算电路ui上页下页返回=1+uiRfR1uo第13章2加法运算电路fuobui1ui3ui2i1i2i3if1RR3RRR2上页下页Rb=R1//R2//R3//Rf反相加法运算电路返回第13章ui1fuobui3ui2i1i2i3if1RR3RRR2u=–(++)ui2oui1ui3RfRfRfR1R2R3i-因i-=0,故i1+i2+i3=if即ui1u-——R1ui2u-——R2+ui3u-——R3+u0——Rfu-=u_u_又——“虛地”上页下页返回运算关系第13章其中R=R21R22R上页下页返回uO=1+R+RfR1R21ui1R22ui2ui1-u+R21+ui2-u+R22=u+Rf211uoui1ui2RRRR22R同相加法运算电路ui2ui1u+=R21R22+R21R22R1+1+1RfuO=1+R1u+ui1ui2u+=R+R21R22第13章=1+ui2uoRfR1R2+R3R3-ui1RfR1上页下页3差动运算差动比例运算电路返回因i-=0,u_=ui1_i1R1i1=if=ui1_u0R1+Rfui1=_.R1ui1_u0R1+Rfui1ui2u+=ui2R3R2+R3u_=u+u0R3RfR1R2i-u_u+ifi1第13章uoR1R2R3ui2ui1Rf=1+ui2uoRfR1R2+R3R3-ui1RfR1当R1=Rf=R2=R3时u0=ui2-ui1—减法运算电路上页下页返回第13章R11ui121132212N2N1uof1uRRRRRRi2f2uo=—–•—––—–ui1ui211RRRRRR1312f1f2f2上页下页两级反相输入减法运算电路返回第13章R1uoi1uiCifduCdtC—–iC=依据u-=u+…虚地R2i1=if,uR1i1=——,iif=-C——dtdu0=–——–uoCR11uidt∫得:上页下页4积分运算电路返回积分运算电路第13章输入为阶跃电压时积分器的输入输出波形uidt=–——uoCR11∫0tUR1C=–——totuootuiU上页下页返回R1uoi1uiCifR2第13章uuOiCduidtuo=–RfC–—uouiR2Rf输入与输出的关系式为若输入为方波则输出波形为上页下页返回5微分运算电路i1if第13章一、概述1.电压比较器的功能:比较电压的大小。输入电压是模拟信号;输出电压表示比较的结果,只有高电平和低电平两种情况,为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。广泛用于各种报警电路。2.电压比较器的描述方法:电压传输特性uO=f(uI)电压传输特性的三个要素:(1)输出高电平UOH和输出低电平UOL(2)阈值电压UT(3)输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向电压比较器第13章3.几种常用的电压比较器(1)单限比较器:只有一个阈值电压(3)窗口比较器:有两个阈值电压,输入电压单调变化时输出电压跃变两次。(2)滞回比较器:具有滞回特性输入电压的变化方向不同,阈值电压也不同,但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。T2T1UUU回差电压:第13章4、集成运放的非线性工作区电路特征:集成运放处于开环或仅引入正反馈理想运放工作在非线性区的特点:1)净输入电流为02)uPuN时,uO=+UOMuPuN时,uO=-UOM无源网络第13章二、单限比较器(1)UT=0(2)UOH=+UOM,UOL=-UOM(3)uI0时uO=-UOM;uI0时uO=+UOM集成运放的净输入电压等于输入电压,为保护集成运放的输入级,需加输入端限幅电路。二极管限幅电路使净输入电压最大值为±UD1.过零比较器必要吗?第13章输出限幅电路为适应负载对电压幅值的要求,输出端加限幅电路。UOH=+UZ1+UD2UOL=-(UZ2+UD1)UOH=-UOL=UZUOH=UZUOL=-UD不可缺少!第13章电压比较器的分析方法:(1)写出uP、uN的表达式,令uP=uN,求解出的uI即为UT;(2)根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平;(3)根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。第13章利用过零比较器可以把正弦波变成方波:第13章2.一般单限比较器,得令0PNI211REF212Nuuu
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