2集成运放及其应用

2.1放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念二、放大电路的性能指标一、放大的概念放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制与转换放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真——放大的前提判断电路能否放大的基本出发点VCC至少一路直流电源供电二、性能指标ioUUAAuuuioIIAAiiiioIUAuiioUIAiu1.放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。2.输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。Lo'oLoo'oo)1(RUURUUUR空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值iiiIUR输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻3.通频带由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率上限频率LHbwfff4.最大不失真输出电压Uom：不失真的前提下能够输出的最大电压。5.最大输出功率Pom和效率η：Pom：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率效率η：放大电路中供电的直流电源能量的利用率效率等于最大输出功率Pom与电源消耗功率PV之比2.2集成运算放大电路集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的放大电路。因首先用于信号的运算而得名。由于它具有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在检测、自动控制、信号产生与信号处理等许多方面得到了广泛应用。两个输入端一个输出端2.2.1差分（动）放大电路的概念集成运放的输入部分是差分放大电路，集成运放也可看成高性能的差分放大电路。差分放大电路ui1ui2uo放大电路uiuo差分放大电路有二个输入端和输出端。在差动放大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即ui1=-ui2，这种输入方式称为差模输入。两信号的差值称为差模信号，用uid表示，uid为两输入端输入信号之差，即uid=ui1–ui2若两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即ui1=ui2，这种输入方式称为共模输入，两信号的算术平均值称为共模信号，用uic表示。uic为。uic=ui1＋ui2若ui1≠ui2，这种输入方式称为比较输入，ui1、ui2可分解为一对共模信号及一对差模信号。即：2idic1iuuu2idic2iuuu差分放大电路只对差模信号才起放大作用，对共模信号起抑制作用，故称为差分放大电路。差模电压增益共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。其值越大越好。odudiduAu共模电压增益ocucicuAuudCMRRucAKA根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。2.2.2集成运放的符号及电压传输特性集成运放的符号∞_++(a)国标符号运放符号(b)习惯画法集成运放的电压传输特性由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)Aod是开环差模放大倍数。非线性区(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM(该值接近于电源电压),就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)为了简化分析并突出主要性能，通常把集成运放看成理想的，理想运算放大器应当满足下列条件。(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；(2)输入电阻趋于无穷；(3)输出电阻趋于零；(4)共模抑制比趋于无穷；(5)有无限宽的频带；(6)当输入端u-=u+时，uo=0。目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上，输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此，作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。2.2.3集成运放的理想化条件2.2.4理想运放的工作区域反馈：将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部通过一定的电路（反馈电路）回送到输入回路的反送过程。引入反馈后，放大电路与反馈电路构成一个闭合环路，所以把引入了反馈的放大电路叫做闭环放大电路（或闭环系统），而把未引入反馈的放大电路叫做开环放大电路（或开环系统）。按照反馈的极性，可以分为正反馈和负反馈。正反馈:反馈信号增强输入信号。负反馈:反馈信号削弱输入信号。判断运放工作状态方法是看电路中引入反馈的极性，若为负反馈，则工作在线性区；若为正反馈或者没有引入反馈（开环状态），则运放工作在非线性状态。１、线性区1）理想集成运放两输入端间的电压为0，但又不是短路，故常称为“虚短”。2）理想运放的两个输入端不取电流，但又不是开路，一般称为“虚断”。２、非线性区：当时，；当时，。其中是集成运放的正向或反向输出电压最大值。非线性区“虚断”仍然成立。uu0iiuuOmOUuuuOmOUuOmU2.3.理想运放组成的基本运算电路（1）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式uO＝f(uI)（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。（1）识别电路；（2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。2、学习运算电路的基本要求1.研究的问题二、比例运算电路1)电路的输入电阻为多少？2)R’＝？为什么？Rf太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得－100的比例系数？+_iN=iP=0，uN=uP=0－－虚地在节点N：RuiiRIFIffFOuRRRiu1.反相输入R’=R∥Rf4)若要Ri＝100kΩ，比例系数为－100，R1＝？Rf＝？保证输入级的对称性T形反馈网络反相比例运算电路I12MuRRuI342142O)1(uRRRRRRu∥？，则，若比例系数为？，则若要求3421ik100100k100RRRRR利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。432MO)(Riiuu1I12Ruii3M3RuiIfONfOIPN)1()1(uRRuuRRuuuu运算关系的分析方法：节点电流法2.同相输入1)电路引入了哪种组态的负反馈？2)输入电阻为多少？3)电阻R’＝？为什么？4)共模抑制比KCMR≠∞时会影响运算精度吗？为什么？IPNOuuuu同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器?)3??)2?)1IcoiuRRF三、加减运算电路3I32I211I321FPN0RuRuRuiiiiuuRRR)(3I32I211IffFORuRuRuRRiu方法一：节点电流法1.反相求和1.反相求和I33fI22fI11fO3O2O1OuRRuRRuRRuuuu方法二：利用叠加原理首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。I33fO3I22fO2uRRuuRRu同理可得1I1fO1uRRu2.同相求和设R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf利用叠加原理求解：令uI2=uI3=0，求uI1单独作用时的输出电压在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果简单明了，易于计算。1I4321432f1O)1(uRRRRRRRRRu∥∥∥∥同理可得，uI2、uI3单独作用时的uO2、uO3，形式与uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意义清楚，计算麻烦！2.同相求和设R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rfff3I32I211IPfPfO)()1(RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu与反相求和运算电路的结果差一负号4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)()(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu∥∥∥必不可少吗？3.加减运算利用求和运算电路的分析结果)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu设R1∥R2∥Rf＝R3∥R4∥R5)(I1I2fOuuRRu若R1∥R2∥Rf≠R3∥R4∥R5，uO＝?实现了差分放大电路讨论：电路如图所示（1）组成哪种基本运算电路？与用一个运放组成的完成同样运算的电路的主要区别是什么？（2）为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不考虑第二级电路对它的影响？四、积分运算电路和微分运算电路RuiiRCI)(d11OIO21tutuRCutttuRCud1IO)()(11O12IO21ItuttuRCuttu为常量，则～在若tRuCuud1ICO1.积分运算电路即输出电压是输入电压对时间的积分，RC称为积分时间常数。用符号“τ”表示。移相利用积分运算的基本关系实现不同的功能1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输出电压波形？3)输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分，延时波形变换方波变三角波R2的作用？2.微分运算电路tuRCRiutuCiiRCRddddIOI虚地在电路结构上将积分电路中R与C的位置互换，就组成微分器。即输出电压是输入电压的微分。RC为微分时间常数。当输入阶跃电压时，t=0时，输出电压极大，但实际受运放输出电压限制仍为一个有限值；随后由于电容C被充电，输出电压按指数规律衰减到零，如图所示。uIuOtt00(a)(b)微分器的输入输出波形2.4电压比较器2.4.1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。在自动控制和电子测量中，常用于鉴幅、模数转换、各种非正弦波形的产生和变换电路中。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:使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向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：2.4.2单限比较器电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈(起加速作用)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1.过零比较器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI0时uO＝－UOM;uI0时uO＝＋UOM2.一般单限比较器，得令0PNI211REF212NuuuRRRURRRuREF12TURRU作用于反相输入端0REF＜U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。单限电压比较器只有一个阈值电压，只要输入电压经过阈值电压，输出电压就产生跃变。若输入电压受到干扰或噪声的影响在阈值电压上下波动，即使其幅值很小，输出电压也会在正、负饱和值之间反复跃变。若发生在自动控制系统中，这种过分灵敏的动作将会对执行机构产生不利的影响。三、滞回比较器，得令PNO211PIN,uuuRRRuuuOLMOHMUUUU1TM12RUURR1.阈值电压2.工作原理及电压传输特性设u