63电工电子技术教学PPT

6.1方波信号发生器的设计说明6.2集成运算放大器基础知识6.3放大器中的负反馈6.4集成运放的应用电路6.5集成运放的选取和使用6.6方波信号发生器的设计过程6.7拓展实训第6章集成运算放大器方波信号发生器的设计说明1.设计目的(1)掌握方波信号发生器电路的设计方法及工作原理。(2)熟悉集成运算放大器的线性应用及非线性应用。(3)初步了解利用集成运放的基本应用电路设计和分析复杂组合电路的方法。2.设计内容设计一个用集成运算放大器构成的方波信号发生器。其指标为：方波幅值为6V，频率为500Hz，相对误差。定义：集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。特点：增益高，输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比高，失调与漂移小。结构：由四部分组成，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。集成运算放大器的结构框图集成运算放大器的基本知识集成运放的符号集成运算放大器的封装形式图集成运算放大器的符号集成运放一般采用金属封装和双列直插式塑料封装。它有两个输入端和一个输出端，标有“-”的输入端与输出端成反相关系，称为反相输入端；标有“+”的输入端与输出端成同相关系，称为同相输入端。一般可将运放简单地视为具有一个信号输出端和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元。反相输入端同相输入端主要技术参数1.开环差模电压增益odA运放在无外加反馈的情况下的直流差模增益，其值为输出电压与输入差模电压之比的对数的20倍，即Ood20lgUAUU决定运放精度的重要因素，单位为分贝(dB)；越大，运放性能越稳定，精度也越高odA2.输入失调电压IOU使输出电压为零时需要在输入端所加的补偿电压，其数值表征输入级差分对管失配的程度，在一定程度上反映了温漂的大小。3.输入失调电压温漂IOU表示温度变化引起的输入失调电压的变化，即IOIOUddUT4.输入失调电流表示当输出电压等于零时，两个输入端的偏置电流之差，用公式表示为它用以描述差分对管输入电流的不对称情况。一般运放为0.01~0.1mA，该值越小越好，高质量的低于1nA。5.输入失调电流温漂表示输入失调电流在温度变化时产生的变化量，其值为在规定工作温度范围内，输入失调电流的变化量与温度变化量之比值，用公式表示为一般运放为每度几纳安，高质量的运放只有每度几皮安。IOIIOI2BB1IOIIIIOIIOIIOIOIddIT6.输入偏置电流表示当运算放大器的输出电压等于零时，两输入端偏置电流的平均值，即它是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要取决于集成运放输入级的静态集电极电流和输入级放大管的值。双极型三极管输入级的集成运放的输入偏置电流为几十纳安至；场效应管输入级的集成运放的输入偏置电流在1nA以下。一般越小，零漂越小。7.输入偏置电流温漂表示输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。其值为输入偏置电流的变化量与温度变化量之比值，用公式表示为一般每度为几皮安。1μABIBBIddIT)(212B1BBIIIBIBIBIBI8.差模输入电阻表示差模输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，用公式表示为它用来衡量集成运放向信号源索取电流的大小。此值越大，集成运放向信号源索取电流越小。一般集成运放的差模输入电阻为几兆欧，以场效应管作为输入级的集成运放可达。9.输出阻抗是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。越小，带负载能力越强idridrIDIDidIUridrMΩ106OrOrOr1.电压传输特性集成运放的基本特性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+AO2.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;∞;－＋＋u－u＋ouAO集成运放的理想电压传输特性0uouiUO+理想运放ou＋－＋u–u+uo0uiUo+U0-Uim–Uim实际运放UO-3.理想运放的分析特点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=–-+第5章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+=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！理想运放工作在非线性区的分析依据uiuO_++u-u+放大器中的负反馈反馈是将放大电路的输出量(电压或电流)的一部分或全部，通过一定的网络反送到输入回路，如果引入的反馈信号增强了外加输入信号的作用，使放大倍数增大，则称为正反馈；反之，如果它削弱了外加输入信号的作用，使放大电路的放大倍数减少，则称为负反馈。反馈的类型及判别方法根据反馈信号本身的交、直流性质直流反馈交流反馈根据反馈信号在放大电路输出端采样方式电压反馈电流反馈负反馈四种组态性能比较图一图二反馈放大电路的工作原理负反馈放大电路方框图放大倍数反馈系数净输入信号故：则OiXAXOFXXFiiFXXXOiiFiO()()XAXAXXAXFXFAAXXA1iOF——反馈放大电路的闭环放大倍数，表示引入反馈后，放大电路的输出信号与外加输入信号之间的总的放大倍数；——回路增益，表示反馈放大电路中，信号沿着放大网络和反馈网络组成的环路传递一周后所得到的放大倍数；——反馈深度，表示引入反馈后放大电路的放大倍数与无反馈时相比所变化的倍数。它表征系统引入负反馈后放大电路各项性能的改善程度。FAFAFA1如果，称为深度负反馈，则|1|1AFFFAAFAAXXA11iOF即深度负反馈放大电路的闭环放大倍数几乎与放大网络的放大倍数无关，而主要取决于反馈网络的反馈系数。FAAF深度负反馈放大电路的一个突出优点就是只要反馈系数的值一定，就能保持闭环放大倍数的稳定，避免了影响放大倍数的干扰因素对闭环放大倍数的影响。故实际的反馈网络常由电阻等元件组成，反馈系数取决于某些电阻值，基本不受温度等因素的影响。FFAAFA负反馈对放大器的影响1.提高放大倍数的稳定性由反馈放大电路的工作原理可知，FAAA1F则22F)1(1)1(11dFAFAFAFAAA式子两边同乘以，可得AAFAAAd11dFFFdAA闭环放大倍数的相对变化率只有开环放大倍数的相对变化率的。由此可见，放大倍数受外界影响大为减小，放大器的稳定性得到提高。FAFFdAAAAAdFA112.减小非线性失真非线性失真：在放大电路的输出波形中产生了输入信号原来没有的谐波成分。如果正弦波输入信号经过放大后产生的失真波形为正半周大，负半周小，反馈系数为常数的情况下，反馈信号也是正半周大，负半周小，则的波形就变成了正半周小，负半周大，这样把输出信号的正半周压缩，负半周扩大，结果使正负半周的幅度趋于一致，从而改善输出波形，减小非线性失真。3.改变输入电阻和输出电阻输入电阻的变化取决于输入端的负反馈方式(串联或并联)，串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。输出电阻的变化取决于输出端反馈方式(电流或电压)，电流负反馈可以稳定输出电流，即负载电阻变化时，输出电流基本不变，接近恒流源的特性，考虑到理想电流源的电阻为无穷大，这就意味着放大电路的输出电阻增大。电压负反馈可以稳定输出电压，即负载电阻变化时，输出电压基本不变，接近恒压源的特性，考虑到理想电压源的电阻为零，这就意味着放大电路的输出电阻减小。集成运放的应用电路比例运算电路定义：将信号按比例放大的电路称为比例运算电路。比例电路的输出电压和输入电压之间存在比例关系，即可以实现比例运算。基本形式：反相比例电路、同相比例电路、差分比例电路反相比例电路根据理想运放工作在线性区时“虚短”和“虚断”的特点，可知，。这说明反相比例运算电路中，集成运放的反相输入端和同相输入端两点的电位相等，且均等于零，如同这两点接地一样，但又不是真正接地，这种现象称为“虚地”。故0ii0uu1i1RuiFoFoFRuRuui反相比例电路又，则，故0iF1iii1FouRRu电压放大倍数为oFui1uRAuR平衡电阻结论：电压放大倍数取决于电阻和的比值FR1R同相比例电路定义：如果输入信号从同相输入端输入，而反相输入端通过电阻接地，则称为同相比例电路。0iioF11uRRRuiuuui1Fi1F1o)1(uRRuRRRuoFui11uRAuR有图可知又因为则结论：输出电压与输入电压的幅值成正比，但相位相同，电路实现了同相比例运算，并电压放大倍数取决于电阻和的比值。FR1R电压跟随器：电路的输出电压与输入电压不仅幅值相等，而且相位相同，两者之间具有一种跟随关系。即当或时，电压放大倍数等于1。1R0FRiuuouuuuiouuF12//RRR差分比例电路由图可知0ii利用叠加原理求得反相输入端的电位1iF1FoF11uRRRuRRRu2i323uRRRu1iF1FoF112i323uRRRuRRRuRRR)(2i1i1FouuRRu同相输入端的电位为uu又因为则21RR3FRR反相加法运算电路22i11iFoRuRuRu根据运放反相输入端“虚地”可知，0u)(22i11iFoRuRuRuRRR21)(i2i1FouuRRu同相加法运算电路根据运放同相“虚断”和叠加原理可得432F1//////RRRRR2i423421i43243////////uRRRRRuRRRRRu34FF24o1i211234324////(1)(1)()////iRRRRRRuuuuRRRRRRRRi2i1ouuu结论：电路的输出电压等于两个输入电压之和。RRR21当时【例6-3】电路如图所示，，，，，求和。12310kΩRRRF150kΩRF2100kΩRi10.1Vui20.2Vuo1uou解：电路由两级集成运放组成，第一级为反相比例运算电路F1o1i11500.10.5(V)10RuuR第二级为加法运算电路o1i2F1oF2F2i2i12323110.20.5()()100()3(V)1010uuRuRRuuRRRRR积分运算电路特点：它和反相比例运算电路的差别是用电容代替了电阻。为使得直流电阻平衡，要求电容两端的电压与流过电容的电流之间存在积分关系即CC1duitCFR21RR根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念可知，，，则0ii0uuiC11uiiRoCCi111dduuitutCRC结论：输出电压与输入电压是积分的关系，相位上相反。积分时间常数CR1当输入电压为阶跃电压时，电容以近似恒流方式进行充电，则输出电压与时间成线性关系；当电容充电到运放反向电压最大值时，电路进入非线性状态，或者积分时间已到，则积分停止，积分波形分别如图中的线2和线1所示。结论：输入阶跃信号时，积分电路可以产生斜坡信号，利用这个原理也可以将方波信号转换为三角波信号。iuOPPU【例6-4】给定电容，试设计并实现的运算电路。μF1C)d10d20(i21iotutuu解：本题要求实现的运算包括积分运算和反相加法运算，因此设计电路图如图所示。根据“虚短”和“虚断”的概念可知)d1d1(d)(1d)(