电工学秦曾煌主编第六版下册电子技术第16章-PPT精选

(16-0)第十六章集成运算放大器(16-1)第十六章集成运算放大器§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(16-2)集成电路:将整个电路的各个元件及连线均制造在同一块半导体基片上，形成一个不可分割的整体。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；§16.1集成运算放大器的简单介绍(16-3)各类型号集成芯片(16-4)一、集成电路内部结构的特点：2.输入级采用差放电路。由于电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，故温度均一性好。3.电阻元件由硅半导体构成，范围从100Ω到30KΩ，精度低。高阻值电阻用晶体管有源元件代替或外接。1.电感元件难于制造。制造几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成，大电容需外接。4.二极管一般用晶体管的发射结构成。(16-5)三、集成运放电路的组成输入级：常为差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小,输入端耐压高。它有同相和反相两个输入端。中间级：主放大级，常为共射放大电路，多采用复合管。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用互补功放电路或射极输出器。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。多采用恒流源电路。(16-6)集成运放的基本结构输入级中间级输出级-UCC+UCCu＋uou－反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS基本原理框图(16-7)T3T4T5T1T2ISu＋u－反相端同相端uo与uo反相与uo同相(16-8)-UEE+UCCu＋uou－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大。(16-9)-UEE+UCCu＋uou－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级足够大的电压放大倍数(16-10)-UEE+UCCu＋uou－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io，输出阻抗ro小。(16-11)ri大:几十k几百k运放特点：KCMRR很大ro小：几十几百Ao很大:104107理想运放：riKCMRRro0Ao运放符号：＋－u－u+uo－＋＋u－u+uoAuo国际符号国内符号反相输入端同相输入端输出端(16-12)1、最大输出电压UOPP使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。2、开环电压放大倍数Auo三、集成运放的主要参数无外加反馈回路时的差模放大倍数。一般在104107之间。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度越高。3、输入失调电压UIO使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。此值越小越好。(16-13)4、输入失调电流IIO5、输入偏置电流IIB6、共模输入电压范围UICM共模电压超出此范围时，运放的共模抑制性能大大下降。输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差。此值一般在零点零几微安级，越小越好。输入信号为零时，两输入端静态基极电流平均值。此值一般在零点几微安级，越小越好。(16-14)uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_++AuomaxOMoCCUuU例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|12V时，运放处于线性区。四、理想运放及其分析依据线性放大区饱和区饱和区(16-15)由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。1、在分析信号运算电路时对运放的处理uiuo_++Auouiuo_++∞实际：理想：(16-16)理想运放的条件uoAidr0or)(uuAuuoo虚短路:uu0ii放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路，也称虚断路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区特点(16-17)()ououAuu虚短路不成立：uu0ii虚开路成立运放工作在饱和区的特点(16-18)2、分析运放组成的线性电路的依据•虚短路•虚开路•放大倍数与负载无关，每级可以分开分析。0iiuu信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用u–uo_++u+i–i+(16-19)§16.2运放在信号运算方面的应用凡是将放大电路输出端信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。反馈概念串联负反馈→ri↑;并联负反馈→ri↓;电压负反馈→ro↓;电流负反馈→ro↑;负反馈对放大电路的影响(16-20)§16.2.1比例运算作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大、反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。(16-21)0uui1≈iF1FiouuRRF11ouuRAuRuo_++RFR1RPuii1iF1.放大倍数虚短路虚开路一、反相比例运算电路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。虚地(16-22)平衡电阻：可使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1//RF为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大RF，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。i1iFuo_++RFR1RPui2.电路的输入电阻ri=R1(16-23)4.共模电压02uu3.反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小uo_++RFR1RPuii1iF电位为0，虚地因虚短,所以u–≈u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点(16-24)反相比例电路的特点：2.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。3.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。4.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。5.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。1.反相端为“虚地”。(16-25)例：试计算下图开关S断开和闭合时的Au解：S断开:S闭合:ifi1i2P98例16.2.1++--UiUo10RRR1S+-+RR1105FuRARRRRi1i2iF1223iiuuiRRR212iiF()1010oouuuiRR310iouuRRi3.3ouuAu2Fii由知：(16-26)R4R2uo_++R1RPuiR3i1i2i4i3M例：求Au=?0uui1=i2虚短路虚开路虚地21iMuvRR24234111()()oMuuvRRRRR(16-27)该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。因R3的存在，削弱了负反馈。)1()111(342412214324RRRRRRRRRRRRuuAiou2344111()oMuvRRRR21iMuvRR(16-28)例：电路如下图所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不变，要求Auf为–10，则RF、R2应为多少？解：1.Auf=–RFR1=–5010=–5R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k2.因Auf=–RF/R1=–RF10=–10故得RF=100kR2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–(16-29)二、同相比例运算电路_++RFR1R2uiuou-≈u+=uiF1oiiuuuRRF1(1)oiRuuRF111ouuRAuR虚短路虚开路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。虚开路i1iF(16-30)同相比例电路的特点3.共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。(16-31)oiuuuu此电路输入电阻大，输出电阻小，在电路中的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。三、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。当R1=或RF=0时F111ouuRAuRuoui++––++–(16-32)例：试计算Uo解：由其为电压跟随器知:Uo=15/2=7.5VP99：例16.2.2+-++15V+Uo-2R2RR2R+-++15V+Uo-2RR(16-33)uo+–++–2RRL2R+15VR电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。(16-34)例：试计算Uo44321221121212211)//())(//(11RRRRUUURRRRURURRRRRURUUOaoOOiiOOaoP99：例16.2.3解：Ui1Ui2aUo+-++-++-+R1R2R3R4+-+Ro+-UaoR4R3Uoa(16-35)§16.2.2加法运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和、反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。(16-36)一、反相求和运算R12_++RFR11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。FPRRRR////1211(16-37)0uuFiii1211FF121112()oiiRRuuuRRi12iFi11R12_++RFR11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。(16-38)二、同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。12122////FRRRR-R1RF++ui1uoR21R22ui2(16-39)此电路如果以u+为输入，则输出为：uRRuFo)1(1-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与ui1和ui2的关系如何？))(1(222121212212221iiFouRRRuRRRRRu注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）22221211222122iiuRRRuRRRu节点电压法(16-40)1.输入电阻低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；211211212(1)()iiFoiiiiiiRRRuuuRRRRR反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–FFoi1i2i1i2()RRuuuRR(16-41)uo-R1RF++ui1R21R22ui2R´左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：1.虚开路：流入同相端的电流为0。2.结点电位法求u+。(16-42)_++RFR1R2ui2uoR3ui1uu11RuuRuuiFo1123231)1(iFiFouRRuRRRRRu解出：223iuuuRR§16.2.3减法运算i11iFi12iR3(16-43)RF_++R1R2ui2uoR3ui1F211()oiiRuuuR单运放加减运算电路特例：差动放大器213FRRRR1123231)1(iFiFouRRuRRRRRuRFR1(16-44)实际应