电子电工学学习.pptx

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1、集成运算放大器简介集成运算放大器简介 概述 集成运算放大器的组成 集成运算放大器的特点 集成运算放大器的主要参数第1页/共73页概述概述 集成运放实质上是一种双端输入、单端输出的具有高电压放大倍数，高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合放大器。它在发展初期主要用来实现模拟运算功能。后来，集成运放已成为象晶体管一样的通用增益器件，广泛用于模拟电子线路的各个领域。1.集成电路的外形：集成电路的外形：国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。第2页/共73页概述概述 国国产产第第二二代代集集成成运运放放CF741接接线线如如图图所所示示。双双列列直

2、直插插式式集集成成运运放放的的管管脚脚顺顺序序是是，管管脚脚向向下下，标标志志于于左左，序序号号自自下下而而上上逆逆时针方向排列。时针方向排列。2.集成运放的管脚顺序及功能集成运放的管脚顺序及功能CF741外接线图外接线图接正电源接正电源(+9+18)V 接负电源（接负电源（-9-18）V为同相输入端为同相输入端（输出信号与输（输出信号与输入信号同相位）入信号同相位）为反相输入为反相输入端（输出信端（输出信号与输入信号与输入信号反相位）号反相位）为空脚为空脚为输出端为输出端脚脚1、4、5外外接调零电位器接调零电位器第3页/共73页概述概述 集成电路构成:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片

3、上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗 集成电路内部结构的特点：1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。第4页/共73页概述概述分立电路：集成电路：集成度：SSISSI、MSIMSI、LSILSI、VLSI VLSI（ASIASI）导电类型：双极型、单极型、容型 信号类型：数字、模拟、混合 优 点：体积小、重量轻、功耗低、可 靠性高 模拟集成电路：集成运

4、算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成数模转换电路 集成电路分类第5页/共73页概述概述2 2反相输入端反相输入端6 6输出端输出端3 3同相输入端同相输入端7 7正电源端正电源端4 4负电源端负电源端8 8闲置端闲置端（NC）1 1、5 5接调零电位器接调零电位器集成运放举例：第6页/共73页集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗 ri 尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗 ro小。输入级中间级偏置 电路输出级输入端输入端输出端输出端第7页/

5、共73页集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻比较容易，而制造晶体管却最容易。出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。输 入 级：由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。中 间 级：共射放大电路。用于电压放大。输 出 级：互补对称电路。降低输出电阻，提高带载能力偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级静态工作点第8页/共73页集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成UEE u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS输输入入级级中中间间

6、级级输输出出级级与uo反相与uo同相第9页/共73页集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成-内部结构内部结构-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4 4级：互补对称射极跟随器差动放大器第第2级级第第1级：级：差动放大器第第3级：级：单管放大器+极极性性判判断断第10页/共73页集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点为满足运算精度的要求，理想集成运算放大器的开环电压放大倍数的数值很大。零点漂移小。差模输入电阻很高，一般在10105 510101111范围，如果用MOSMOS集成电路，输入级的输入电阻高达10101111以上

7、。输出电阻很低，一般输出级都采用互补对称电路作为输出级，所以，输出电阻一般在几十欧到几百欧概括概括:开环电压放大倍数高(10(104 4-10-107 7)；输入电阻高（约几百KK）；输出电阻低（约几百）；漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低第11页/共73页集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 ri 大大:几十几十k 几百几百 k KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很很大大:104 107理想运放：ri KCMMRR ro 0 0Ao 运放符号：运放符号：uu+uo u u+uo国际符号国内符号第12页/共73页集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点

8、实际运放的参数指标很接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比较接近。运算放大器的传输特性o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性理想特性u+-u-uo第13页/共73页集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1.开环差模电压放大倍数Auo Auo是决定运放电路稳定性个运算精度的重要因素，希望Auo越大越好。2.2.最大输出电压UoPP 在一定电源电压下，集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的输出电压的峰值称为最大输出电压。其值比电源电压小。如电源

9、电压为15V15V，该值为10V10V左右。3.3.最大差模输入电压Uidmax Uidmax是指集成运放的反向输入端和同向输入端之间所能承受的最大电压。第14页/共73页集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数4.最大共模输入电压Uicmax Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，超过这个值，集成运放的共模抑制比将明显下降，甚至造成器件损坏。5.5.差模输入电阻rid rid是指集成运放两个输入端之间的电阻值。r ridid越大越好，它标志集成运放输入端向差模信号源索取信号电流的能力大小。6.6.输出电阻ro ro是指集成运放输出级的输出电阻。它反应了运放的带负载能力。

10、7.7.共模抑制比KCMRR KCMRR是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数与共模输入电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称程度。KCMMR越大，运放的共模抑制能力越强。第15页/共73页集成集成运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数第16页/共73页理想集成运算放大器理想集成运算放大器理想集成运放的电路模型理想集成运放及其分析依据（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数（2）差模输入电阻）差模输入电阻（3）开环输出电阻）开环输出电阻（4）共模抑制比）共模抑制比 理想集成运放的传输特性是指表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线。如右图：理想集成运放的传输特性实际特性实际特性理想特

11、性理想特性第17页/共73页理想集成运算放大器理想集成运算放大器传输特性的特点 传输特性可分为线性区和非线性区。所以，运算放大器可工作在线性区也可工作在非线性区，但是，其分析方法不一样。线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区当理想运放工作在线性区时1.理想运放的两个输入端的电位相等理想运放的两个输入端的电位相等虚短虚短2.理想运放的两个输入端的输入电流为零。理想运放的两个输入端的输入电流为零。虚断虚断第18页/共73页理想集成运算放大器理想集成运算放大器线性区：uo=Auo(u+-u-)虚短虚短虚断虚断虚短虚短rid，故故两输入端的输两输入端的输入电流为零入电流为零。Auo，uo为有限值

12、为有限值故故 u+-u-=uo/Auo0 即即 u+u-分分析析依依据据当有信号输入时当有信号输入时，如同相端接地，如同相端接地，即即u u+=0=0 则则u u-0 0第19页/共73页理想集成运算放大器理想集成运算放大器当理想运放工作在非线性区时：1.理想运放的两个输入端的输入电流为零。理想运放的两个输入端的输入电流为零。虚断虚断2.输出电压有两种取值可能输出电压有两种取值可能当当只是两种状态的转换点只是两种状态的转换点式中：式中：+Uo（sat）为正饱和值为正饱和值-Uo（sat）为负饱和值；为负饱和值；第20页/共73页集成运放的应用集成运放的应用 概述 运放在信号运算方面的应用 运放

13、在信号处理方面的应用 运放应用中的反馈 集成运放的使用第21页/共73页概述概述运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积分与微分等简单运算，还能完成对数与反对数以及乘除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用叠加原理。问题1.1.如何保证运放工作在线性区?因为:A:Auouo，即当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。由前面学习知:负反馈能减小放大倍数，且反馈愈深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大电路的性能，所以解决之道是：解决之道是：在电路中引入深度负反馈在电路中引入深度负反馈。第22页/共73页概述概述问题2:2:是从输出端将反馈引到同相端还是反相端

14、引回到反相端引回到反相端 答案是：答案是：Rf第23页/共73页运放在信号运算方面的应运放在信号运算方面的应用用比例运算比例运算加法运算加法运算减法运算减法运算积分运算积分运算微分运算微分运算综合举例综合举例第24页/共73页比例运算比例运算作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。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。第25页/共73页比例运算比例运算反向比例运算1.1.信号从反相端输入。2.2.Rf 反馈电阻,从输出引到反相输入端.3.3.R2 平衡电阻用于消除静态基极电流对输出电压的影响R2=R1 R

15、f 第26页/共73页比例运算比例运算反向比例运算特点反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！输入电阻 ri=R1 为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R R2 2，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。共模电压为零第27页/共73页比例运算比例运算同向比例运算 因为输入信号从同向输入端输入，所以称为同向输入。第28页/共73页比例运算比例运算同向比例运算特例电压跟随器第29页/共73页加法运算加法运算作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和和反相求和（减法运算）。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，

16、与输入电压和反馈系数有关。第30页/共73页加法运算加法运算反向加法i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路第31页/共73页加法运算加法运算反向加法i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路第32页/共73页加法运算加法运算同向加法-R1Rf+ui1uoR21R22ui2此电路如果以此电路如果以 u+为输入为输入 ，则输出为：则输出为：流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）第33页/共73页加法运算加法运算比较：-R1Rf+ui1uoR21R22ui2i13ui3uo +-ifR13R2R

17、fi12R12i11R11ui2ui1加法电路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。第34页/共73页加法运算加法运算比较：-R1Rf+ui1uoR21R22ui2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。i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路第35页/共73页减法运算减法运算当运放的两个输入端都加入信号时称为差动输入第36页/共73页减法运算减法运算当运放的两个输入端都加入信号时称为差动输入差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2=2R R1 1）,这是由于反相输入造

18、成的。第37页/共73页单运放的加减运算电路单运放的加减运算电路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。R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6第38页/共73页比例运算电路与加减运算电路小比例运算电路与加减运算电路小结结1.1.它们都引入电压负反馈，因此输出电压稳定、输出电阻都比较小 2.2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.3.同相输入的共模电压高，要求运放的CMRRCMRR大，反相输入的共模电压小。第39页/共73页积分运算积分运算如果将反馈电阻换成电容，则比例运算电路就变成了积分电路00负号表示输出与输入反向当ui为阶跃信号

19、时最后达到负的饱和值最后达到负的饱和值第40页/共73页积分运算积分运算与前面学过的RC积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电电流基本恒定。右图是在控制和测量系统中常用的比例-积分调节器（PIPI调节器）：ui1uo +-R2CFi1R1PI调节器调节器ifucRF 可视为可视为反相比例运算反相比例运算和和积分运算积分运算的叠加。的叠加。第41页/共73页积分运算积分运算积分电路的主要用途1.1.在电子开关中用于延迟。2.2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.4.移相。第42页/共73页微分运算微分运算微分运

20、算是积分运算的逆运算，所以，如果将输入电阻换成电容，则比例运算电路就变成了微分电路 当ui为阶跃信号时，uo为尖脉冲电压输出电压与输入电压的一次微分成正比。00第43页/共73页微分运算微分运算微分运算是积分运算的逆运算，所以，如果将输入电阻换成电容，则比例运算电路就变成了微分电路若输入：若输入：则：则：uit0t0uo第44页/共73页微分运算微分运算在控制系统中使调节过程加速的比例微分调节器（PD调节器）00uiuo+-R2C1iciRRFifR1第45页/共73页综合举例综合举例例1：如图所示，已知:RF=240k,R1=24k，R2=30k,R3=12k，R4=80k 求输出电压与输入

21、电压的关系。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3第46页/共73页综合举例综合举例例2：如图所示，求输出电压与输入电压的关系。-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6第47页/共73页综合举例综合举例例3：如图所示，求输出电压的大小。_+10k 20k+5V5k ui20k uo1uo_+20k 20k 10k 第48页/共73页综合举例综合举例例4：如图所示，求输出电压与输入电压的关系。uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+第49页/共73页综合举例综合举例解：先求解前面运放。uo2+A+ARRRWui1ui2uo1

22、ab+虚短路：虚开路：第50页/共73页综合举例综合举例解：再求解后面运放。uo2uo1R1R1+AR2R2uo+三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。第51页/共73页小结：小结：熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。会用“虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u)”分析给定运算电路的 放大倍数。第52页/共73页运放在信号处理方面的应运放在信号处理方面的应用用 电压比较器电压比较器 有源滤波器有源滤波器 采样保持电路采

23、样保持电路第53页/共73页电压比较器电压比较器运放除了能完成信号的运算，还能完成信号滤波、采样保持及比较等处理工作。电路特点 （1 1）UR为参考电压，加在同相输入端。输入电压ui加在反向输入端。（3 3）其电压传输特性如图所示:（2 2）当uiUR时,输出电压uo=-U(sat）.第54页/共73页电压比较器电压比较器如果输入信号是正弦信号:调节UR的大小,可以改变输出波形正负半周的宽度.如果UR=0,则构成过零比较器.第55页/共73页电压比较器电压比较器过零比较器:传输特性传输特性电路电路如果想限制输出电压的大小,可以在输出端接双向稳压管.第56页/共73页电压比较器电压比较器过零滞回

24、比较器:传输特性传输特性电路的结构电路的结构电路特点 （1 1）输出端至反向输入端之间没有反馈通路，所以属于开环应用，输出电压必为高低两种电平。（2 2）R2和Rf组成正反馈电路，只是为了加快电压比较器状态的翻转过程，使电压传输特性变的更陡。第57页/共73页电压比较器电压比较器工作过程分析 输出电压的变化总是滞后于输入电压的变化，所以叫过零滞回比较器。第58页/共73页有源滤波器有源滤波器滤波器是一种选频电路选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。将由RCRC

25、组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。在此仅介绍有源低通滤波和有源高通滤波器第59页/共73页有源滤波器有源滤波器滤波电路的分类1.按信号性质分类模拟滤波器和数字滤波器2.按所用元件分类无源滤波器和有源滤波器3.按电路功能分类低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器4.按阶数分类一阶，二阶 高阶无源滤波器的缺点1.带负载能力差。2.无放大作用。3.特性不理想，边沿不陡。4.两级一阶低通滤波器串接时，各级互相影响第60页/共73页有源滤波器有源滤波器四种典型的频率特性低通低通高通高通带通带通带阻带阻第

26、61页/共73页有源滤波器有源滤波器有源滤波器的优点1.不使用电感元件，体积小重量轻。2.有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。3.除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。有源滤波器的缺点1.不宜用于高频。2.不宜在高电压、大电流情况下使用。3.可靠性较差。4.使用时需外接直流电源。第62页/共73页有源低通滤波器有源低通滤波器画出其幅频特性为有放大作用幅频特性与一阶无源低通滤波器类似运放输出，带负载能力强。第63页/共73页有源高通滤波器有源高通滤波器工作原理称为截止角频率

27、称为截止角频率称为电路的频率特性称为电路的频率特性第64页/共73页有源高通滤波器有源高通滤波器工作原理第65页/共73页采样保持电路采样保持电路当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。uiuo +-RC采样保持电路采样保持电路ucS控制信号控制信号ououi采采样样 保保持持t输入输出波形输入输出波形第66页/共73页运放应用中的反馈运放应用中的反馈在集成运放的线性应用中，必须加入深度负反馈才能使电路稳定运行。而且，输入与输出间的关系与运放电路本身的参数无关。

28、所以，各种反馈都有。电压并联负反馈电压并联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈第67页/共73页运放应用中的反馈运放应用中的反馈电流反馈电流并联负反馈电流串联负反馈 输出电流与输出电压和负载电阻无关，所以是电流反馈。第68页/共73页运放应用中的反馈运放应用中的反馈结论结论1.1.反馈电路直接从输出端引出，是电压反馈；从负载电阻靠近地端引出的，是电流反馈（R RL L经电阻R R接地）。2.2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同向和反向），是串联反馈；加在同一个输入端（同向或反向）上的，是并联反馈。3.3.反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。第69页/共73页集成运放的使用集成运放的使用

29、1.选用元件2.消振3.调零4.保护5.扩大输出电流输入保护输入保护输出保护输出保护电源保护电源保护第70页/共73页本章教学基本要求本章教学基本要求了解集成运算放大器的基本组成。理解运算放大器的电压传输特性，了解其主要参数的意义。掌握理想运算放大器的表示符号和基本分析方法。理解用运放组成的比例、加减、微分、积分运算电路的工作原理。了解有源滤波电路的工作原理。理解电压比较器的工作原理及应用本章讲授学时本章讲授学时:6:6学时学时 自学学时自学学时:24:24学时学时第71页/共73页本章小结本章小结集成运算放大器集成运放的组成与特点集成运放的主要参数集成运放的理想化模型集成运放的应用组成输入级、中间级、输出级特点输入电阻高、输出电阻低、KCMRR高、Auo高Auo、输入电阻、输出电阻、KCMRR、最大输出电压UoPP最大差模输入电压Uidmax、最大共模输入电压Uicmax 输入电阻高ri、输出电阻低ro 0、KCMRR、Auo信号运算比例、加法、减法、微分、积分信号处理比较、滤波、采样保持运放中的负反馈第72页/共73页感谢您的观看！第73页/共73页