电工电子学_集成运算放大器（PPT77页)

下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B第9章集成运算放大器9.1集成运算放大器概述9.2放大电路中的负反馈9.4运算放大器在信号处理方面的应用9.5运算放大器在信号产生方面的应用9.3运算放大器在信号运算方面的应用下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理；4.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第9章集成运算放大器下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B9.1集成运算放大器概述集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上,组成一个不可分的整体。集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B各类型号集成芯片9.1.1集成运放的组成1.元器件参数的一致性和对称性好；2.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；3.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；4.二极管多用三极管的发射结代替。下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B输入级中间级输出级偏置电路运算放大器方框图输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。偏置电路:由镜像恒流源等电路组成输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B9.1.2差动放大电路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。电位器RP:起调零作用。1、电路组成下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B2.信号输入两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。(1)共模信号ui1=ui2=uic大小相等、极性相同差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。共模信号需要抑制+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B2.信号输入两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，(2)差模信号ui1=–ui2大小相等、极性相反uid=ui1–ui2uo=(VC1－VC1)－(VC2+VC１)=－2VC1即对差模信号有放大能力。差模信号是有用信号+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B(3)比较输入ui1、ui2大小和极性是任意的。例1:ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:ui1=8mV+2mV放大器只放大两个输入信号的差值信号—差动放大电路。这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B3.零点漂移的抑制uo=VC1－VC2=0uo=(VC1+VC1)－(VC2+VC2)=0静态时，ui1=ui2=0当温度升高时ICVC（两管变化量相等）对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B4.输入和输出方式+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–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下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B(CommonModeRejectionRatio)CdCMRAAK)(lg20(dB)CdCMR分贝AAK全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。差模放大倍数共模放大倍数KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。5.共模抑制比共模抑制比下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数Ac=0输出电压uo=Ad（ui1－ui2）=Aduid若电路不完全对称，则Ac0，实际输出电压uo=Acuic+Aduid即共模信号对输出有影响。下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B输入级中间级输出级9.1.3集成运放的工作原理反相输入端同相输入端输出端+UCCui-UEEuoT3T4T5T1T2IS123++下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信号传输方向输出端实际运放开环电压放大倍数(a)(b)(a)符号;(b)引脚8765F0071234U-U+-UCC+UCC输出下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B1.主要参数1.最大输出电压UOM能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB9.1.3集成运放的特性下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+u–时，uo=Uo+u+u–时，uo=Uo-2.电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区实际特性饱和区O下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B1)开环电压放大倍数2)开环输入电阻3)开环输出电阻4)共模抑制比由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。4.理想运算放大器及其分析依据ouAidr0orCMRRK在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)uo++u+u––电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性饱和区O理想运算放大器图形符号下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B理想运放工作在线性区的特点因为uo=Auo(u+–u–)所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u–,称“虚短”(2)输入电流约等于0即i+=i–0,称“虚断”电压传输特性Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou–u+i+i––u+–u–uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B理想运放工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学BRB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––9.2.1反馈的基本概念反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。9.2放大电路中的负反馈esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS通过RE将输出电流反馈到输入通过RE将输出电压反馈到输入下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B(b)带反馈(a)不带反馈AoXiX1.反馈的定义+–fXiXAoXfidXXX—净输入信号dX—反馈信号fX—输出信号oX净输入信号：FiXdX反馈电路比较环节—输入信号iX基本放大电路若三者同相，则Xd=Xi-Xf,即XdXi,此时,反馈信号削弱了净输入信号,电路为负反馈。若XdXi，即反馈信号起了增强净输入信号的作用则为正反馈。下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B负反馈：反馈信号削弱净输入信号，使放大倍数降低。在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。正反馈：反馈信号增强净输入信号，使放大倍数提高。2.反馈的分类返回后一页前一页（1）正反馈与负反馈下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B（2）交流反馈与直流反馈在反馈网络中串接隔直电容，可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。反馈只对直流起作用，称为直流反馈。有的反馈对交直流均起作用。返回后一页前一页引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点。下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学BRE直流反馈RE交直流反馈+UCCREiUoU++––+UCCREiUoU++––返回后一页前一页下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B(3)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。(4)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B3.负反馈放大电路的一般表达式doXXAofXXFfidXXX反馈放大电路的基本方程反馈系数净输入信号开环放大倍数AFAXXA1iof闭环放大倍数+–fXdXAoXFiX下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B负反馈使放大倍数下降。则有：AAfdfXX、同相，所以AF是正实数负反馈时，中，在1fAFAAdfofdoXXXXXXAF|1+AF|称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强，Af也就愈小。射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈。若|AF|1，称为深度负反馈，此时：在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。FA1f下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B负反馈交流反馈直流反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈放大电路中不同类型的负反馈稳定静态工作点下一页返回上一页退出2019/8/5电工电子学B（1）反馈极性的判别利用瞬时极性法判别负反馈与正反馈的步骤：2.若电路中某点的瞬时电位高于参考点(对交流为电压的正半周)，则该点电位的瞬时极性为正(用表示)；反之为负(用表示)。－4.若反馈信号与输入信号加在同一输入端(或同一电极)上，两者极性相反时，净输入电压减小,为负反馈；反之，极性相同为正反馈。3.若反馈信号与输入信号加在不同输入端(或两个电极)上，两者极性相同时，净输入电压减小,为负反馈；反