集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用.ppt

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第4章集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 4 1比例運(yùn)算電路4 2集成運(yùn)算放大器中的負(fù)反饋4 3加法運(yùn)算和積分運(yùn)算電路4 4測(cè)量實(shí)用電路4 5有源濾波器4 6電壓比較器 4 1比例運(yùn)算電路 4 1 1反相比例運(yùn)算電路4 1 2同相比例運(yùn)算電路4 1 3差動(dòng)比例運(yùn)算電路 4 1 1反相比例運(yùn)算電路 因 由線性區(qū)的特點(diǎn)得 而 閉環(huán)電壓放大倍數(shù) 當(dāng)R1 RF時(shí) uo ui Af 1 該電路稱為反相器 圖中電阻Rp稱為平衡電阻 通常取 4 1 2同相輸入比例運(yùn)算電路 因 由線性區(qū)的特點(diǎn)得 閉環(huán)電壓放大倍數(shù) 當(dāng)RF 0或R1 時(shí) u0 ui 輸出電壓跟隨輸入電壓 稱為電壓跟隨器 1 4 1 3差動(dòng)比例運(yùn)算電路 因 由線性區(qū)的特點(diǎn)得 ui1單獨(dú)作用時(shí)為反相輸入比例運(yùn)算電路 輸出電壓為 ui2單獨(dú)作用時(shí)為同相輸入比例運(yùn)算 輸出電壓為 疊加法 R1 R2 R3 RF時(shí) R1 R2 R3 RF時(shí) 由此可見(jiàn) 輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成正比 實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算 例 求圖示電路中uo與ui1 ui2的關(guān)系 解 第一級(jí)反相器 第二級(jí) 加法運(yùn)算電路級(jí)聯(lián)而成 例 求圖示電路中uo與ui1 ui2的關(guān)系 將放大電路的輸出電壓 或電流 的全部 或部分 通過(guò)某種電路 稱為反饋電路 引回到輸入端 引回的反饋電壓 或電流 與輸入端的輸入電壓 或電流 進(jìn)行比較 從而影響放大電路的凈輸入信號(hào) 也叫驅(qū)動(dòng)信號(hào) 的大小 這就是放大電路中的反饋 4 2放大電路中的負(fù)反饋 4 2 1反饋的概念 有反饋時(shí) 放大電路的電壓放大倍數(shù)稱為閉環(huán)電壓放大倍數(shù) 即 反饋信號(hào)與輸出信號(hào)之比稱為反饋系數(shù) 即 無(wú)反饋時(shí) 放大電路的電壓放大倍數(shù)稱為開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù) 即 反饋類型通常稱為反饋組態(tài) 交流負(fù)反饋放大電路有四種組態(tài) 串聯(lián)電壓負(fù)反饋 串聯(lián)電流負(fù)反饋 并聯(lián)電壓負(fù)反饋 并聯(lián)電流負(fù)反饋 4 2 2反饋的類型 按反饋信號(hào)的極性分為 正反饋和負(fù)反饋 按輸入信號(hào)的性質(zhì)分 直流反饋和交流反饋 按輸入端信號(hào)的連接方式分為 串聯(lián)型和并聯(lián)型 按輸出端的取樣方式分為 電壓型和電流型 按反饋的位置分為 級(jí)間反饋和本級(jí)反饋 1 正負(fù)反饋 如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)作用相反 使凈輸入信號(hào)xd減小 輸出xo減小 則為負(fù)反饋 如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)作用相同 使凈輸入信號(hào)xd增加 輸出xo增加 則為正反饋 ube ui uf 負(fù)反饋 負(fù)反饋與正反饋的判別 瞬時(shí)極性法 晶體管 場(chǎng)效應(yīng)管 集成運(yùn)放的瞬時(shí)極性如圖 設(shè)接 地 參考點(diǎn)的電位為零 則電路中某點(diǎn)在某瞬時(shí)的電位高于參考點(diǎn) 則該點(diǎn)電位的瞬時(shí)極性為正 或瞬時(shí)值升高 用 標(biāo)記 反之為負(fù) 或瞬時(shí)值降低 用 標(biāo)記 方法 先假設(shè)輸入電壓信號(hào)ui在某一瞬時(shí)的極性為正 然后順著信號(hào)的傳輸方向 逐步推出輸出信號(hào)和反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性為 或 最后判斷反饋信號(hào)是增強(qiáng)還是削弱凈輸入信號(hào) 削弱為負(fù)反饋 增強(qiáng)為正反饋 假設(shè)基極瞬時(shí)極性為正 經(jīng)過(guò)反饋元件 反饋到基極的瞬時(shí)極性為負(fù) 假設(shè)基極瞬時(shí)極性為正 經(jīng)過(guò)反饋元件 反饋到發(fā)射極的瞬時(shí)極性為正 這兩種情況下 為負(fù)反饋 否則為正反饋 分立元件放大電路的正負(fù)反饋 假設(shè)輸入端為正 經(jīng)過(guò)反饋元件 反饋到本輸入端的瞬時(shí)極性為負(fù)或反饋到另外一個(gè)輸入端的瞬時(shí)極性為正 這兩種情況下 為負(fù)反饋 正反饋還是負(fù)反饋 ib ii if 負(fù)反饋 2 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以電壓串聯(lián)的形式作用于凈輸入端 反饋信號(hào)與輸入端信號(hào)以電壓形式相加減 稱為串聯(lián)反饋 ube ui uf 如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以電流并聯(lián)的形式作用于凈輸入端 反饋信號(hào)與輸入端信號(hào)以電流形式相加減 稱為并聯(lián)反饋 ib ii if 串聯(lián)負(fù)反饋 ib ii if 并聯(lián)負(fù)反饋 并聯(lián)反饋 串聯(lián)反饋 同點(diǎn)連接法 若反饋支路與輸入端同點(diǎn)連接為并聯(lián)反饋 若反饋支路與輸入端不同點(diǎn)連接為串聯(lián)反饋 同點(diǎn)連接法 反饋量與輸入量連在同一個(gè)輸入端 為并聯(lián)反饋 否則為串聯(lián) 3 電流反饋和電壓反饋 如果反饋信號(hào)xf取自輸出電壓uo xf與uo成正比 稱為電壓反饋 如果反饋信號(hào)xf取自輸出電流io xf與io成正比 稱為電流反饋 同點(diǎn)連接法 反饋量與輸出量連在同一個(gè)端 為電壓反饋 否則為電流反饋 串聯(lián)電壓負(fù)反饋 并聯(lián)電流負(fù)反饋 串聯(lián)電壓負(fù)反饋 并聯(lián)電壓負(fù)反饋 串聯(lián)電流負(fù)反饋 并聯(lián)電流負(fù)反饋 4 2 3負(fù)反饋的作用 1 直流負(fù)反饋 穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)射極偏置式放大電路2 交流負(fù)反饋 改善放大特性 1 能夠使放大電路的放大倍數(shù)穩(wěn)定性提高 2 電壓型負(fù)反饋 減小輸出電阻 穩(wěn)定輸出電壓 3 電流型負(fù)反饋 增大輸出電阻 穩(wěn)定輸出電流 4 串聯(lián)型負(fù)反饋 提高輸入電阻 5 并聯(lián)型負(fù)反饋 減小輸入電阻 4 3加法運(yùn)算和積分運(yùn)算 4 3 1反相比例求和運(yùn)算電路 因 由線性區(qū)的特點(diǎn)得 可見(jiàn)輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之間是一種反相輸入加法運(yùn)算關(guān)系 這一運(yùn)算關(guān)系可推廣到有更多個(gè)信號(hào)輸入的情況 當(dāng)R1 R2 RF時(shí) 而 由圖可得 則 4 3 2積分運(yùn)算電路 輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分成正比 應(yīng)用舉例 輸入方波 輸出是 4 4測(cè)量實(shí)用電路 4 4 1可調(diào)電壓源 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓作為反向輸入端的固定電壓 則 改變R1和RF 可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小 故為連續(xù)可調(diào)的恒壓源 4 4 2直流電壓測(cè)量電路 為測(cè)量電路的電壓和電流 一般要求電壓表內(nèi)阻要大 電流表內(nèi)阻要小 實(shí)際很難滿足要求 高精度直流電壓表電路如圖 實(shí)際上是電壓 電流轉(zhuǎn)換器 由集成運(yùn)放的特點(diǎn)得 表明電流表的電流與表頭內(nèi)阻無(wú)關(guān) 只與ui和R1有關(guān) 電流表指針偏轉(zhuǎn)的角度 便可指示出待測(cè)電壓的大小 4 4 3直流電流測(cè)量電路 高精度直流電流表電路如圖 實(shí)際上是電流 電流轉(zhuǎn)換器 由集成運(yùn)放的特點(diǎn)得 該式表明電流表的電流i與表頭內(nèi)阻無(wú)關(guān) 只與待測(cè)電流ii有關(guān) 濾波器 是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò) 而使無(wú)用頻率信號(hào)受到抑制或大為衰減的電路 即選出所需要的頻率范圍內(nèi)的信號(hào) 使其順利通過(guò) 而對(duì)于頻率超出此范圍的信號(hào) 使其不易通過(guò) 4 5有源濾波器 4 5 1濾波器的功能和分類1 按濾波器所含元器件的不同無(wú)源濾波器 僅R C構(gòu)成的濾波器 有源濾波器 由R C和放大電路構(gòu)成的濾波器 2 按允許通過(guò)的信號(hào)的頻率范圍的不同 低通濾波器 允許低頻信號(hào)通過(guò) 將高頻信號(hào)衰減 高通濾波器 允許高頻信號(hào)通過(guò) 將低頻信號(hào)衰減 帶通濾波器 允許某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò) 將之外的信號(hào)衰減 帶阻濾波器 與帶通濾波器相反 帶通濾波器的功能是允許某一個(gè)頻率范圍的信號(hào)通過(guò) 而在此范圍之外的信號(hào)不能通過(guò) 圖中f1為下限頻率 f2為上限頻率 低通濾波器 高通濾波器 帶通濾波器 帶阻濾波器 4 5 2低通濾波器 LPF 1 電壓放大倍數(shù) 幅頻特性 相頻特性 2 幅頻特性 該電路可使低頻信號(hào)通過(guò)而抑制高頻信號(hào)通過(guò) 在實(shí)際應(yīng)用中 輸出電壓不能下降太多 通常規(guī)定電壓下降到輸入電壓的0 707為最低限 此時(shí) 0 稱為截止角頻率 3 相頻特性 4 5 3高通濾波器 HPF 1 電壓放大倍數(shù) 幅頻特性 相頻特性 2 幅頻特性 該電路可使高頻信號(hào)通過(guò)而抑制低頻信號(hào)通過(guò) 3 相頻特性 4 6電壓比較器 電壓比較器是波形的產(chǎn)生與變換電路 其基本功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓的大小進(jìn)行比較 在輸出端顯示出比較的結(jié)果 常用作模 數(shù)字電路的接口電路轉(zhuǎn)換 越限報(bào)警以及各種非正弦波的產(chǎn)生和變換等場(chǎng)合 ud 0 即u u uo UOMud 0 即u u uo UOM 1 簡(jiǎn)單比較器 1 同相輸入 UR 門限電壓或基準(zhǔn)電壓 當(dāng)u u 即ui UR 當(dāng)u u 即ui UR uo UOM uo UOM 當(dāng)u u 即ui UR uO UOM 當(dāng)u UR uO UOM 2 反相輸入 UR 0時(shí) 輸入電壓ui與零電位比較 稱為過(guò)零比較器 過(guò)零比較器 電壓比較器 過(guò)零比較器的輸入為正弦波 則輸出端為 ui 0 uo UOM ui 0 uo UOM ui UR時(shí) uO UOM 2 穩(wěn)壓管限幅電路 設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ 忽略正向?qū)妷?則 ui UR時(shí) 穩(wěn)壓管反向穩(wěn)壓 uO UZ時(shí) 穩(wěn)壓管正向?qū)?uO 0 ui UR時(shí) uO UOM 管1導(dǎo)通 管2穩(wěn)壓 uo UZ ui UR時(shí) uO UOM 管2導(dǎo)通 管1穩(wěn)壓 uo UZ 設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ 忽略正向?qū)妷?則 例如圖監(jiān)控報(bào)警裝置 如需對(duì)某一參數(shù) 如溫度 壓力等 進(jìn)行監(jiān)控時(shí) 可由傳感器取得監(jiān)控信號(hào)ui UR是參考電壓 當(dāng)ui超過(guò)正常值時(shí) 報(bào)警燈亮 試說(shuō)明電路的工作原理 VD截止 晶體管導(dǎo)通 報(bào)警指示燈亮 說(shuō)明監(jiān)控信號(hào)ui已超過(guò)正常值 教學(xué)要求 1 理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性 掌握理想運(yùn)算放大器在線性和非線性應(yīng)用時(shí)的分析方法 2 掌握集成運(yùn)算放大器的反相 同相和差動(dòng)3種基本輸入方式及其電路的特點(diǎn)和分析 3 掌握集成運(yùn)算放大器的加法和積分運(yùn)算電路分析 4 能分析由基本運(yùn)算電路組合而成的其他運(yùn)算電路 5 了解有源濾波器的工作原理 6 理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用 7 理解反饋的概念及負(fù)反饋類型的判斷 了解負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響 本章考點(diǎn) 1 集成運(yùn)算放大器線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用的基本條件和分析依據(jù) 2 應(yīng)用 虛斷 和 虛短 分析各種線性運(yùn)算放大電路 3 電壓比較電路的分析計(jì)算 4 負(fù)反饋極性與類型的判斷 5 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響