《電工電子》第十章.ppt

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1、第十章 集成運算放大器,第一節(jié) 集成運算放大器的概述,第二節(jié) 集成運算放大器的輸入方式,第三節(jié) 集成運放在信號運算方面的應(yīng)用,第四節(jié) 集成運放在信號測量方面的應(yīng)用,第五節(jié) 集成運放的非線性應(yīng)用,第六 節(jié) 集成運放在信號產(chǎn)生方面的應(yīng)用,,,第一節(jié) 集成運算放大器的概述,一、集成電路的特點,1. 元器件參數(shù)的一致性和對稱性好。 2. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。 3. 電阻的阻值受到限制。大電阻常用三極管恒流源代替， 電位器需外接； 4. 電容的容量受到限制。電感不能集成，故大電容、電感 和變壓器均需外接。,運算放大器是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。集成運放是將整個電路的各個元件

2、做在一個半導(dǎo)體基片上。,,,,二、 集成運放的組成,1. 集成運放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖,輸入級,輸出級,中間級,,,輸入級 差動放大器,輸出級 射極輸出器或互補對稱功率放大器,中間級 電壓放大器,,,,2、集成運放的基本結(jié)構(gòu),,輸入級,中間級,輸出級,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,,V3,V4,,,V1,,,,V2,,,,,,,,,,,,,,,,,,基本原理框圖,V5,,,,,,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,V3,V4,V5,,V1,,,,V2,,,,,,,,,,,,,,,要求：,輸入級,,,盡量減小零點漂移,盡量提高 KCMRR , 輸入阻抗 ri盡可能

3、大。,,,,,,,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,V3,V4,V5,,V1,,,,V2,,,,,,,,,,,,,,,,輸入級,中間級,足夠大的電壓放大倍數(shù),,,,,,,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,,V3,V4,V5,,V1,,,,V2,,,,,,,,,,,,,,,,輸入級,中間級,,輸出級,主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io ，輸出阻抗 ro小。,,,,,,V3,V4,,,V1,,,,V2,,,,,,,,,,,,,,,uo,與uo反相,與uo同相,V5,,,,,,,,,,,,,uo,,,3、集成運算放大器的符號,輸出端,反相 輸入端,同相 輸入端

4、,Au0,信號傳 輸方向,,,,理想運放開環(huán) 電壓放大倍數(shù),實際運放開環(huán) 電壓放大倍數(shù),ri 高:幾十k 幾百k,實際運放：,KCMRR很大,ro ?。簬资?幾百,A u0 很大:104以上 107,理想運放：,ri ,KCMRR ,ro 0,Au0 ,運放符號：,三、理想集成運放的特點和符號,1、集成運放的參數(shù),,,,2、電壓傳輸特性,Ao越大，運放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。,實際運放,,,,,UO（sat）,UO（sat）,Uim,Uim,,,,,,,ui=u+-u-,理想運放的電壓傳輸特性,,,UO（sat）,UO（sat）,理想運放,uo= f ( ui )

5、, 其中 ui = u+ u,,,,,,,“虛斷路”原則,,,,,+,,,,,,,,,,,ii,,ui,,對于理想運放,rid,相當(dāng)于兩輸入端之間短路,對于理想運放,相當(dāng)于兩輸入端之間斷路,uO,ii 0,,1,3、理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù),,,,+,,,,,**：由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。,理想運放的條件：,,,,放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，可以分開分析。,,,,第二節(jié) 集成運算放大器的輸入方式,一、 反相輸入,i1=iF,,,,電路的輸入電阻：,Ri=R1,反饋方式：,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,輸出電阻很小！,RP=R1//RF,,,

6、,,輸入電阻小、 共模電壓為0， 以及“虛地” 是反相輸入的特點,二、同相輸入,u-= u+= ui,,,電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻高。,共模電壓：ui,沒有虛地概念。,,,,if,i1,當(dāng)RF=0，R1= 時，電路為電壓跟隨器,此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。,,,,三、 差動輸入,,,,解出：,,,,差動運算電路,u,o,RF,R1,R2,R3,,,,,,,,,,,,,,,,,利用疊加原理進行分析,,,,,,,,,,,,,,,,,差動信號放大了兩個信號的差，但是它的輸入電阻不高（2R1）。,若取R2=R1，R3=RF則

7、：,,,,,,,,,,以上電路的比較歸納：,1.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電壓穩(wěn)定，輸出電阻都比較小 。,2.關(guān)于輸入電阻：,反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高，差動輸入電阻亦小。,3. 同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。,,,,第三節(jié) 集成運放在信號運算方面的應(yīng)用,,,,,u,i,u,o,i1,iF,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RF,R1,R2,,,,1. 反相比例運算電路,一、比例運算,,RF,R,R,1,2,u,i,u,o,,,,,,,,,,,,,,,,,,2. 同相比例運算電路,有：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,ui,,,,uo,,3、同相跟隨

8、器,uo = ui,,,RF,R,若不接入電阻R、RF，運算關(guān)系不變,,,,,,,,,二、加法運算：,,,,,_,+,,+,,,,,,,,,,,RF,R11,,R12,ui2,uo,,,,,,,RP,ui1,,,,,,,,,,1. 差動比例運算電路,u,o,RF,R1,R1,RF,,,,,,,,,,,,,,,,三、 減法運算電路,,ui1,ui2,差動比例運算 是減法運算電 路的一種形式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,11,u,i1,,21,2. 兩級反相輸入減法運算電路,,,,,,,,,,,,,,13,,,,,22,,,,A2,A1,u,o,,11,u,,,,,,,,,,R,

9、,R,R,R,R,R,R,,,,,i2,F2,,,,應(yīng)用舉例：,四、積分運算：,1、輸入方波，輸出是三角波。,u i,,-,+,+,,,,,R,R2,C,,,,uo,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2、如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。,,U,積分時限,,,,五、微分運算：,u-= u+= 0,,,u i,,,,,,+,+,,,,,,,,,,uo,R,R2,,i1,,iF,C,,,,,,,,,,,,1、若輸入：,則：,,,,微分應(yīng)用舉例,,,,,,u,,,,,,,,,uO,,,i,,C,uo,ui,,,,,,輸出與輸入 的關(guān)系式為,2、若輸

10、入為方波,則輸出波形為,,,,,,,u,i,u,o,i1,if,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RF,R1,R2,虛地：,,,,例1: 反相比例運算電路,,,,,,,R3,R4,設(shè): RFR4 , 求Auf,解：,,代入 if = i1,由 RFR4 ,,,,,,,例2：求解微分方程,根據(jù)電路參數(shù)，所要 求解的微分方程為：,,,,uo1,,例3. T型電阻網(wǎng)絡(luò)電路,,,,,,,,,設(shè)計實驗內(nèi)容：,設(shè)計一個交流放大器,要求：,1、由兩個以上的集成運放組成,2、輸入電阻 10K,3、電壓放大倍數(shù)=103,4、輸入和輸出同相,,,,第五節(jié)、集成運放的非線性應(yīng)用,所謂非線性應(yīng)用是指，由運放組成

11、的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。,,,,運放處于非線性狀態(tài)。,一、處于開環(huán)非線性狀態(tài)運放的特點,1、虛短路不成立。（u+ u-）,2、輸入電阻仍可以認(rèn)為很大。（ii0）,3、輸出電阻仍可以認(rèn)為是0。,4、輸出只有兩種狀態(tài)，u+u- uo=+UO(sat) u+

12、,,,,穩(wěn)定輸出電壓,,,,,,-UZ,2、 反相輸入任意電平比較器,,,,,,,,,,R1,R2,,,,,,,R3,,,,,,UR,Dz,,UR,,,,0,ui,uo,uO,ui,,,UZ,,設(shè) UR0,UZ,,總結(jié),1、電路簡單。,2、 容易引入干擾。,,,,,,,,,,3、當(dāng)Ao不夠大時，輸出邊沿不陡。,三、遲滯電壓比較器,1、下行的遲滯比較器,分析：,（1）、因為有正反饋，所以能加速輸出端的翻轉(zhuǎn),（2）、當(dāng)uo正飽和時：,（3）、當(dāng)uo負(fù)飽和時：,,,,,,,+,+,,,,,,uo,R1,Rf,,,R2,,ui,,,,,U+,,,,,,傳輸特性,翻轉(zhuǎn)后增大了U+-U- ，進一步加速翻轉(zhuǎn)

13、,URH -URL稱為回差,小于回差的干擾不會引起跳轉(zhuǎn),下限,上限,Uo（sat）,-Uo（sat）,,,,uRH,uRL,,,,,,,,Uo（sat）,-Uo（sat）,輸入正弦波的情況,,,,,加上參考電壓后的上下限,,,,,,,+,+,,,,,,uo,R1,Rf,,,R2,,ui,,,,UR,,,,,,加上參考電壓后的傳輸曲線,,,,,uRH,uRL,2、上行的遲滯比較器,從u+=0 時翻轉(zhuǎn)，可以求出上下限。,,,,,,,+,+,,,,,,uo,R1,Rf,,,R2,,ui,,,,,,,,,,,,Uo（sat）,-Uo（sat）,傳輸特性曲線,,,,uRH,uRL,另一種電路形式,？,如

14、何計算上下限？,用UZ代替Uo（sat）,,,,,,,+,+,,,,,,,R1,Rf,,,R2,,ui,,,,uo,,,,,,UZ,,,,,,,另一種電路形式,？,如何計算上下限？,上下限不同！,,,,,,,+,+,,,,,,,R1,Rf,,,R2,,ui,,,,uo,,,,,,,,UZ,,,,,,,,電壓比較器的分析方法,1. 輸出電壓躍變的條件,由此可求出電壓比較器的門限電壓,,2. 電壓傳輸特性,輸出端不接 DZ時， uo = UO(sat),輸出端接 DZ限幅時一般為， uo = UZ,,,,1、 產(chǎn)生自激振蕩的原理,正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩,第六節(jié)集成運放在信號產(chǎn)生方面的應(yīng)用,一、

15、正弦波發(fā)生器,,,,+,如果：,,,,反饋信號代替了放大電路的輸入信號,,,,,,自激振蕩條件的推導(dǎo)：,自激振蕩的條件：,因為：,所以自激振蕩條件可以寫成：,（1）振幅條件：,（2）相位條件：,n是整數(shù),相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋，振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。,,,,進一步理解自激振蕩：,,,,,,如果：,輸入信號為0時仍有信號輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。,自激振蕩的頻率必須是一定的，也就是說在放大、反饋回路中應(yīng)該有選頻作用，將不要的頻率抑制掉。,,,,如何啟振？,在振蕩建立的過程中，|A 0F|1 也就是說每次Xf大于前一時刻的Xf。振蕩的建立過程也就是|A

16、0F|從大于1到等于1的過程。,2、振蕩器的組成:,,放大環(huán)節(jié),選頻網(wǎng)絡(luò),正反饋環(huán)節(jié),穩(wěn)幅環(huán)節(jié),,,,3、 RC振蕩電路,用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。,,,,,,時相移為0。,,,,如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：,,,,,,,_,+,,+,,,,,,,,R2,uo,,,,,,,,R1,用運放組成的RC振蕩器：,所以只有在f0 處,才滿足相位條件：,因為：,A 0F=1,,,,,,,,,_,+,,+,,,,,,,,RT,uo,,,,,,,,,,R,C,R,C,,,,,,,,,,R1,,,t,能自行啟動的電

17、路（1）,起振時RT2R1, uo越大則RT越小。,,,,能自行啟動的電路（2）,uo,R21+R22略大于2R1,隨著uo的增加，R22逐漸被短接，Au自動下降。,,,,,,,,,,,,,,,,,R1,R2,uO,ui,,,,R3,,R1,,,,UZ,,,,,,,DZ,遲滯電壓比較器,二、 方波發(fā)生器,1. 電路的組成,,,,,,,,,,RF,uO,,,,,,,R2,,,,,,,uo,,,,UZ,R3,UZ,,,,,,,,,,,R1,Dz,,C,,uC,,,,,,,,,,,,,,,,,,FUZ,-UZ,,-FUZ,,t,2. 方波發(fā)生器的工作原理,,,,,,C充電；,，C放電；,,,,,,,

18、,,0,,,,,,,,,,,RF,uO,,,,,,,,R2,,,,,,,uO,,,,,UZ,R3,0,UZ,,,,,,,,,,,,,R1,DZ,,C,,uC,,,,,,,,,,,,,,,,,,FUZ,-UZ,,-FUZ,,t,3. 方波發(fā)生器的主要參數(shù),2R2,幅度 Uom=UZ,,,,,,T,,,,,,,,,,,,,,,,,,R4,R2,,,,,R3,R1,,UZ,,DZ,三、 三角波發(fā)生器,1. 三角波發(fā)生器的組成,,,,,,,,A1,uO1,,三角波發(fā)生器由,組成,A1 滯后電壓比較器,A2 反相積分電路,,,,,,,2. 三角波發(fā)生器的工作原理,,,,,,,,,,,,,,R4,R2,

19、uO,,,,,,R3,R1,,UZ,,,DZ,,,,,,,,,,,,,,,,,R5,,,,,,,,,,,,R,C,A1,A2,uO1,,,t,,,,,,,,,,t,0,,UZ,-UZ,uO1,uO,,,,,,,,T,T,,3. 三角波發(fā)生器的主要參數(shù),,,,,,,0,,,,,,,,,,,,,,,,14 13 12 11 10 9 8,1 2 3 4 5 6 7,NC,NC,INFM,THDADJ 2,THDADJ1,OUT(S),OUT(T),OUT(Q),RA,RB,VCC,VEE /GND,RFM,CT,函數(shù)發(fā)生器的功能：,集成電路，如正弦波、 方波、三角波、矩形 波和鋸齒波，而且占 空比可調(diào)?？蓪⑵錃w 屬于壓控振蕩器集成 電路系列。,5G8038是函數(shù)發(fā) 生器的典型產(chǎn)品。,五、函數(shù)發(fā)生器,函數(shù)發(fā)生器是一種能產(chǎn)生多種信號波形的專用,,5G8038,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2,3,9,6,5,4,7,8,10,11,12,+VCC,5G8038,,VEE,/GND,R2,C,R1,RL,RP1,RP2,電路可同時產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，若調(diào) 整RP1，可得到不同占空比的矩形波和鋸齒波。,,,,,,函數(shù)發(fā)生器5G8038的典型應(yīng)用電路,,,,,,,,,第十章結(jié)束,