集成運算放大器應(yīng)用student.ppt

第六章集成運算放大器應(yīng)用及負反饋放大電路 1 掌握集成運放特性 了解集成運放組成 工作原理及使用注意事項 2 熟悉反饋基本概念 掌握反饋類型的判別方法 3 熟悉負反饋對放大電路性能的影響 會進行簡單反饋電路的設(shè)計 4 掌握運放線性應(yīng)用電路的分析方法 并能進行簡單電路的設(shè)計 5 了解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用 基本要求 主要內(nèi)容 6 1集成運算放大器的簡介 6 3運算放大器線性應(yīng)用電路 6 5運算放大器在波形產(chǎn)生中的應(yīng)用 自學(xué) 6 4運算放大器非線性應(yīng)用電路 6 2負反饋放大電路 6 1 1集成運算放大器的組成及特點 集成運算放大器 是一種高放大倍數(shù) 高輸入電阻 低輸出電阻的多級直接耦合放大電路 6 1集成運算放大器簡介 二 符號 同相輸入端 反相輸入端 6 1 2理想運算放大器及其分析依據(jù) 1 理想運算放大器 Auo rid ro 0 KCMRR 2 電壓傳輸特性uo f ui 線性區(qū) uo Auo u u 非線性區(qū) u u 時 uo Uo sat u u 時 uo Uo sat 線性區(qū) 理想特性 實際特性 飽和區(qū) O 三 運放的特點 返回目錄 6 1 2主要參數(shù) 1 最大輸出電壓UOPP能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓 2 開環(huán)差模電壓增益Auo運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù) Auo愈高 所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定 運算精度也越高 6 共模輸入電壓范圍UICM運放所能承受的共模輸入電壓最大值 超出此值 運放的共模抑制性能下降 甚至造成器件損壞 愈小愈好 3 輸入失調(diào)電壓UIO4 輸入失調(diào)電流IIO5 輸入偏置電流IIB 3 理想運放工作在線性區(qū)的特點 因為uo Auo u u 所以 1 差模輸入電壓約等于0即u u 稱 虛短 2 輸入電流約等于0即i i 0 稱 虛斷 電壓傳輸特性 Auo越大 運放的線性范圍越小 必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū) O 4 理想運放工作在飽和區(qū)的特點 1 輸出只有兩種可能 Uo sat 或 Uo sat 2 i i 0 仍存在 虛斷 現(xiàn)象 電壓傳輸特性 當u u 時 uo Uo sat u u 時 uo Uo sat 不存在 虛短 現(xiàn)象 例F007運算放大器的正 負電源電壓為 15V 開環(huán)電壓放大倍數(shù)AU0 2 105 輸出最大電壓 即 Uo sat 為 13V 在下圖電路中分別加如下電壓 求輸出電壓及其極性 解 只要兩個輸入端之間的電壓絕對值超過65 V 輸出電壓就達到正或負的飽和值 輸出電壓 輸出電壓 輸出電壓 輸出電壓 6 2 1反饋的基本概念 反饋 將放大電路輸出端的信號 電壓或電流 的一部分或全部引回到輸入端 將輸出電流引到輸入端 將輸出電壓引到輸入端 反饋通路 反饋網(wǎng)絡(luò) 信號反向傳輸?shù)那?2 反饋網(wǎng)絡(luò) 反饋通路 反饋網(wǎng)絡(luò) 信號的正向傳輸 開環(huán) 無反饋通路 閉環(huán) 有反饋通路 開環(huán)放大倍數(shù) 比較環(huán)節(jié) 反饋放大電路的一般方框圖 反饋系數(shù) 輸出信號 輸入信號 反饋信號 凈輸入信號 比較環(huán)節(jié) 閉環(huán)放大倍數(shù) 6 2 反饋類型 正反饋 引入反饋后 使凈輸入量變大了 負反饋 引入反饋后 使凈輸入量變小了 判別方法 瞬時極性法 假設(shè)某一瞬時 在放大電路的輸入端加入一個正極性的輸入信號 按信號傳輸方向依次判斷相關(guān)點的瞬時極性 直至判斷出反饋信號的瞬時極性 如果反饋信號的瞬時極性使凈輸入減小 則為負反饋 反之為正反饋 一 正反饋與負反饋 例 凈輸入量 凈輸入量 負反饋 正反饋 反饋通路 反饋通路 級間反饋通路 凈輸入量 級間負反饋 交 直流分量的信號均可通過RE 所以RE引入的是交 直流反饋 如果有發(fā)射極旁路電容 RE中僅有直流分量的信號通過 這時RE引入的則是直流反饋 E 二 交流反饋 直流反饋與交直流反饋 交流反饋 存在于交流通路中的反饋 直流反饋 存在于直流通路中的反饋 seriesfeedback parallelfeedback 反饋信號在輸入端 比較端 的連接分為 串聯(lián)反饋 滿足電壓疊加關(guān)系 并聯(lián)反饋 滿足電流疊加關(guān)系 判別方法 三 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋 串聯(lián)反饋 并聯(lián)反饋 voltagefeedback currentfeedback 從輸出端 采樣端 采樣信號在輸出端分為取電壓和取電流兩種方式 電流反饋 將負載短路 反饋信號仍然存在 電壓反饋 將負載短路 反饋信號為零 電壓反饋 穩(wěn)定輸出電壓 電流反饋 穩(wěn)定輸出電流 判別方法 負載短路法 四 電壓反饋與電流反饋 并聯(lián)反饋電壓反饋 串聯(lián)反饋電流反饋 四種類型的負反饋阻態(tài) 電壓串聯(lián)反饋 電壓并聯(lián)反饋 電流串聯(lián)反饋 電流并聯(lián)反饋 uf削弱了凈輸入電壓 差值電壓 負反饋 1 電壓串聯(lián)負反饋 反饋電壓 ui與uf接在不同的端 串聯(lián)反饋 反饋過程 uo uf ud uo 電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用 2 電壓并聯(lián)負反饋 if削弱了凈輸入電流 差值電流 負反饋 反饋電流 取自輸出電壓 電壓反饋 反饋信號與輸入信號接在相同端 并聯(lián)反饋 特點 輸入電阻低 輸出電阻低 3 電流串聯(lián)負反饋 差值電壓ud ui uf uf削弱了凈輸入電壓 差值電壓 負反饋 RL短路 反饋信號仍存在 電流反饋 反饋信號與輸入信號接在不同端 串聯(lián)反饋 4 電流并聯(lián)負反饋 差值電流id i1 if if削弱了凈輸入電流 差值電流 負反饋 反饋信號與輸入信號接在相同端 并聯(lián)反饋 RL短路 反饋信號仍存在 電流反饋 反饋類型的判別步驟 1 有無反饋是否存在把輸出回路和輸入回路連接起來的支路 2 交流反饋與直流反饋反饋存在于直流或交流或交直流通路中 3 正反饋與負反饋瞬時極性法 4 反饋的組態(tài)輸出端 電壓 電流 輸入端 串聯(lián) 異點 并聯(lián) 同點 練習(xí) 電壓串聯(lián)負反饋 有反饋 正 負反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 練習(xí) 電壓并聯(lián)負反饋 有反饋 正 負反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 練習(xí) 有反饋 正 負反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 電壓串聯(lián)負反饋 練習(xí) 電流并聯(lián)負反饋 有反饋 正 負反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 2 負反饋對放大電路性能的改善 反饋放大電路的基本方程 反饋系數(shù) 凈輸入信號 開環(huán)放大倍數(shù) 1 對放大倍數(shù)的影響 負反饋使放大倍數(shù)下降 引入負反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高 負反饋時 xf和xd同相 所以AoF是正實數(shù) 放大倍數(shù)下降1 AoF 倍 其穩(wěn)定性提高1 AoF 倍 中 則有 例 Ao 300 F 0 01 若 稱為深度負反饋 此時 在深度負反饋的條件下 放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān) 反饋深度 后一頁 前一頁 返回 2 改善了波形失真 加反饋前 加反饋后 小 大 小 大 負反饋是利用失真的波形來改善波形的失真 因此只能減小失真 而不能完全消除失真 3 改變了輸入電阻和輸出電阻 在同樣的Ib下 Ui Ube Uf Ube rif提高 1 串聯(lián)負反饋 無負反饋時 有負反饋時 使電路的輸入電阻提高 無負反饋時 有負反饋時 在同樣的Ube下 Ii Ib If Ib rif降低 后一頁 前一頁 返回 2 并聯(lián)負反饋 使電路的輸入電阻降低 電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用 即有恒壓輸出特性 故輸出電阻降低 電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用 即有恒流輸出特性 故輸出電阻提高 3 電壓負反饋使電路的輸出電阻降低 4 電流負反饋使電路的輸出電阻提高 4 擴展頻帶 放大電路加入負反饋后增益下降 但通頻帶卻加寬了 無反饋時放大器的通頻帶 fbw fH fL fH有反饋時放大器的通頻帶 fbwf fHf fLf fHf 要穩(wěn)定直流量 引直流負反饋 改善交流性能 引交流負反饋 要穩(wěn)定輸出電壓 減小輸出電阻 引電壓負反饋 要穩(wěn)定輸出電流 增加輸出電阻 引電流負反饋 要增大輸入電阻 引串聯(lián)負反饋 要減小輸入電阻 引并聯(lián)負反饋 為改善性能引入負反饋的一般原則 例 為穩(wěn)定輸出電壓 增加輸入電阻 應(yīng)用引入何種類型反饋 在圖中連線 解 電壓串聯(lián)負反饋 第六章集成運算放大器 6 1集成運算放大器的簡單介紹 6 3運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用 6 5運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用 自學(xué) 6 6使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題 6 4運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用 6 2放大電路中的負反饋 6 3運算放大器在信號運算方面的運用 6 3 1比例運算 6 3 2加法運算 6 3 3減法運算 6 3 4積分運算 6 3 5微分運算 6 3 1比例運算 1 反相比例運算 1 電路組成 以后如不加說明 輸入 輸出的另一端均為地 2 電壓放大倍數(shù) 因虛短 所以u u 0 稱反相輸入端 虛地 反相輸入的重要特點 因虛斷 i i 0 所以i1 if 因要求靜態(tài)時u u 對地電阻相同 所以平衡電阻R2 R1 RF 3 輸入電阻 輸入電阻小 虛地 無共模信號輸入 4 特點 問題 1運放飽和電壓對電路工作有無影響 2已知運放的Vsat 10V Rf 100K R1 10K 若VI 0 1V 輸出電壓為多少 若VI 1 5V 輸出電壓 為保證不失真放大 電路的最大輸入電壓為多少 例 電路如下圖所示 已知R1 10k RF 50k 求 1 Auf R2 2 若R1不變 要求Auf為 10 則RF R2應(yīng)為多少 解 1 Auf RF R1 50 10 5 R2 R1 RF 10 50 10 50 8 3k 2 因Auf RF R1 RF 10 10故得RF Auf R1 10 10 100k R2 10 100 10 100 9 1k 2 同相比例運算 因虛斷 所以u ui 1 電路組成 2 電壓放大倍數(shù) 因虛短 所以u ui 反相輸入端不 虛地 因要求靜態(tài)時u u 對地電阻相同 所以平衡電阻R2 R1 RF 2 同相比例運算 電壓放大倍數(shù) 因虛短 所以u ui 反相輸入端不 虛地 當R1 或RF 0時 uo ui Auf 1 稱電壓跟隨器 由運放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高 輸出電阻低 其跟隨性能比射極輸出器更好 左圖是一電壓跟隨器 電源經(jīng)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端 當負載RL變化時 其兩端電壓uo不會隨之變化 例 圖中同相比例運算電路 求 需要幫忙嗎 點擊我會有新發(fā)現(xiàn) 解 此電路為同相比例運算電路 于是 返回 返回目錄 負載電流的大小與負載無關(guān) 例2 負載浮地的電壓 電流的轉(zhuǎn)換電路 1 能測量較小的電壓 2 輸入電阻高 對被測電路影響小 流過電流表的電流 6 3 2加法運算電路 1 反相加法運算電路 因虛短 u u 0 平衡電阻 R2 Ri1 Ri2 RF 因虛斷 i 0 所以ii1 ii2 if 2 同相加法運算電路 方法1 根據(jù)疊加原理ui1單獨作用 ui2 0 時 同理 ui2單獨作用時 方法2 平衡電阻 Ri1 Ri2 R1 RF u u 也可寫出u 和u 的表達式 利用u u 的性質(zhì)求解 當改變某一路輸入電阻時 對其它路無影響 同相加法運算電路的特點 當改變某一路輸入電阻時 對其它路有影響 反相加法運算電路的特點 6 3 3減法運算電路 由虛斷可得 由虛短可得 分析方法1 如果取R1 R2 R3 RF 如R1 R2 R3 RF R2 R3 R1 RF 輸出與兩個輸入信號的差值成正比 常用做測量放大電路 分析方法2 利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加 u 例 圖示是集成電路的串級應(yīng)用 試求輸出電壓 解答 返回目錄 解 想一想 為什么要加A1 返回 返回目錄 例1 設(shè)計一加減運算電路 設(shè)計一加減運算電路 使Vo 2Vi1 5Vi2 10Vi3 解 用雙運放實現(xiàn) 如果選Rf1 Rf2 100K 且R4 100K 則 R1 50KR2 20KR5 10K 平衡電阻R3 R1 R2 Rf1 12 5K R6 R4 R5 Rf2 8 3K 思考 用一加法和減運算電路怎樣實現(xiàn) 例2 求電路的電壓放大倍數(shù)Avf 6 3 4積分運算電路 由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1 if if 當電容CF的初始電壓為uC t0 時 則有 若輸入信號電壓為恒定直流量 即ui Ui時 則 積分飽和 線性積分時間 線性積分時間 Uo sat ui Ui 0 ui Ui 0 采用集成運算放大器組成的積分電路 由于充電電流基本上是恒定的 故uo是時間t的一次函數(shù) 從而提高了它的線性度 輸出電壓隨時間線性變化 Ui Ui 例已知 vc 0 0 畫輸出電壓波形 解 1 t 0 t1 vo t1 8V 2 t t1 t2 vo t2 0V 三角波 方波 6 3 5微分運算電路 由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1 if Ui Ui 微分電路 第六章集成運算放大器 6 1集成運算放大器的簡單介紹 6 3運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用 6 5運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用 自學(xué) 6 6使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題 6 4運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用 6 2放大電路中的負反饋 6 4 1電壓比較器 電壓比較器的功能 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小 當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變 由高電平變成低電平 或者由低電平變成高電平 由此來判斷輸入信號的大小和極性 用途 數(shù)模轉(zhuǎn)換 數(shù)字儀表 自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域 以及波形產(chǎn)生及變換等場合 運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋 6 4運放在信號處理方面的應(yīng)用 理想運放工作在飽和區(qū)的特點 1 輸出只有兩種可能 Uo sat 或 Uo sat 當u u 時 uo Uo sat u u 時 uo Uo sat 不存在 虛短 現(xiàn)象2 i i 0仍存在 虛斷 現(xiàn)象 電壓傳輸特性 電壓傳輸特性 Uo sat Uo sat 運放處于開環(huán)狀態(tài) 1 基本電壓比較器 閾值電壓 門限電平 輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓 當u u 時 uo Uo sat u u 時 uo Uo sat 即uiUR時 uo Uo sat 可見 在ui UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變 參考電壓 單限電壓比較器 當ui單方向變化時 uo只變化一次 ui UR uo Uo sat ui UR uo Uo sat 輸入信號接在反相端 輸入信號接在同相端 輸入信號接在反相端 輸入信號接在同相端 2 輸出帶限幅的電壓比較器 設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ 忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tuiUR uo UZ uiUR時 uo Uo sat 3 過零電壓比較器 利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測 自動控制 超限控制報警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應(yīng)用 第六章集成運算放大器 6 1集成運算放大器的簡單介紹 6 3運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用 6 5運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用 自學(xué) 6 6使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題 6 4運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用 6 2放大電路中的負反饋 6 5 1方波發(fā)生器 6 5運放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用 6 5 2三角波發(fā)生器 6 5 3鋸齒波發(fā)生器 集成運放按技術(shù)指標分為 通用型和特殊型 通用型開環(huán)增益可達100dB 基本能兼顧各方面的要求 在實際應(yīng)用時優(yōu)先選用 如uA741 LM324 5G24等 1 運放的選擇 通常根據(jù)設(shè)計要求選擇具有相應(yīng)指標的芯片包括信號源的性質(zhì) 負載的性質(zhì) 精度要求 環(huán)境條件四方面要求 6 6使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題 1 集成運放的管腳 常見封裝形式多為雙列直插式封裝 8 10 12 14 16管腳等 使用注意查閱手冊 辨認管腳 以便正確連線 2 粗測運放好壞 用萬用表電阻中間檔 100 測量有無短路和斷路現(xiàn)象 接成電壓跟隨器形式進行器件檢查 3 調(diào)零或調(diào)整偏置電壓消除失調(diào)電壓 2 使用注意事項 1 輸入保護 防差模輸入電壓過大 4 保護措施 2 輸出端保護 返回目錄 3 電源保護 返回目錄 4 擴大輸出電流 返回目錄 5 其它 運放反相放大電路中 反饋電阻不能太大 否則會產(chǎn)生較大的噪聲和漂移 一般為幾十千歐至幾百千歐 盡量保證運放輸入端對稱 設(shè)計思考題討論 1 vo 10vS1且Ri 10K 2 vo 2vS1 5vS2 由同相求和電路及反號器構(gòu)成 由反相求和電路及反號器構(gòu)成 由一個運放構(gòu)成 vo 2vS1 5vS2 3 vo 6vS1 5vS2 3vS3 由一個運放實現(xiàn) 由二個運放實現(xiàn) 例 圖中同相比例運算電路 求 需要幫忙嗎 點擊我會有新發(fā)現(xiàn) 練習(xí)5 有反饋 正 負反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 電流并聯(lián)負反饋 例 為穩(wěn)定輸出電壓 增加輸入電阻 應(yīng)用引入何種類型反饋 在圖中連線 解 電壓串聯(lián)負反饋