集成運(yùn)算放大器應(yīng)用student.ppt

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第六章集成運(yùn)算放大器應(yīng)用及負(fù)反饋放大電路 1 掌握集成運(yùn)放特性 了解集成運(yùn)放組成 工作原理及使用注意事項(xiàng) 2 熟悉反饋基本概念 掌握反饋類型的判別方法 3 熟悉負(fù)反饋對放大電路性能的影響 會進(jìn)行簡單反饋電路的設(shè)計(jì) 4 掌握運(yùn)放線性應(yīng)用電路的分析方法 并能進(jìn)行簡單電路的設(shè)計(jì) 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(yùn)算放大器的簡介 6 3運(yùn)算放大器線性應(yīng)用電路 6 5運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生中的應(yīng)用 自學(xué) 6 4運(yùn)算放大器非線性應(yīng)用電路 6 2負(fù)反饋放大電路 6 1 1集成運(yùn)算放大器的組成及特點(diǎn) 集成運(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器及其分析依據(jù) 1 理想運(yùn)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(shí) uo Uo sat u u 時(shí) uo Uo sat 線性區(qū) 理想特性 實(shí)際特性 飽和區(qū) O 三 運(yùn)放的特點(diǎn) 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(yùn)放沒有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù) Auo愈高 所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定 運(yùn)算精度也越高 6 共模輸入電壓范圍UICM運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值 超出此值 運(yùn)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(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 因?yàn)閡o 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(yùn)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) O 4 理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn) 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(dāng)u u 時(shí) uo Uo sat u u 時(shí) uo Uo sat 不存在 虛短 現(xiàn)象 例F007運(yùn)算放大器的正 負(fù)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(gè)輸入端之間的電壓絕對值超過65 V 輸出電壓就達(dá)到正或負(fù)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(fù)反饋 引入反饋后 使凈輸入量變小了 判別方法 瞬時(shí)極性法 假設(shè)某一瞬時(shí) 在放大電路的輸入端加入一個(gè)正極性的輸入信號 按信號傳輸方向依次判斷相關(guān)點(diǎn)的瞬時(shí)極性 直至判斷出反饋信號的瞬時(shí)極性 如果反饋信號的瞬時(shí)極性使凈輸入減小 則為負(fù)反饋 反之為正反饋 一 正反饋與負(fù)反饋 例 凈輸入量 凈輸入量 負(fù)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(fù)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(shí)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(fù)載短路 反饋信號仍然存在 電壓反饋 將負(fù)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(fù)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(fù)反饋?zhàn)钁B(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(fù)反饋 1 電壓串聯(lián)負(fù)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(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用 2 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 if削弱了凈輸入電流 差值電流 負(fù)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(diǎn) 輸入電阻低 輸出電阻低 3 電流串聯(lián)負(fù)反饋 差值電壓ud ui uf uf削弱了凈輸入電壓 差值電壓 負(fù)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(fù)反饋 差值電流id i1 if if削弱了凈輸入電流 差值電流 負(fù)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(fù)反饋瞬時(shí)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(diǎn) 并聯(lián) 同點(diǎn) 練習(xí) 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 有反饋 正 負(fù)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(fù)反饋 有反饋 正 負(fù)反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 練習(xí) 有反饋 正 負(fù)反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 練習(xí) 電流并聯(lián)負(fù)反饋 有反饋 正 負(fù)反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 2 負(fù)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(fù)反饋使放大倍數(shù)下降 引入負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高 負(fù)反饋時(shí) xf和xd同相 所以AoF是正實(shí)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(fù)反饋 此時(shí) 在深度負(fù)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(fù)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(fù)反饋 無負(fù)反饋時(shí) 有負(fù)反饋時(shí) 使電路的輸入電阻提高 無負(fù)反饋時(shí) 有負(fù)反饋時(shí) 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(fù)反饋 使電路的輸入電阻降低 電壓負(fù)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(fù)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(fù)反饋使電路的輸出電阻降低 4 電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻提高 4 擴(kuò)展頻帶 放大電路加入負(fù)反饋后增益下降 但通頻帶卻加寬了 無反饋時(shí)放大器的通頻帶 fbw fH fL fH有反饋時(shí)放大器的通頻帶 fbwf fHf fLf fHf 要穩(wěn)定直流量 引直流負(fù)反饋 改善交流性能 引交流負(fù)反饋 要穩(wěn)定輸出電壓 減小輸出電阻 引電壓負(fù)反饋 要穩(wěn)定輸出電流 增加輸出電阻 引電流負(fù)反饋 要增大輸入電阻 引串聯(lián)負(fù)反饋 要減小輸入電阻 引并聯(lián)負(fù)反饋 為改善性能引入負(fù)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(fù)反饋 第六章集成運(yùn)算放大器 6 1集成運(yùn)算放大器的簡單介紹 6 3運(yùn)算放大器在信號運(yùn)算方面的應(yīng)用 6 5運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用 自學(xué) 6 6使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題 6 4運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用 6 2放大電路中的負(fù)反饋 6 3運(yùn)算放大器在信號運(yùn)算方面的運(yùn)用 6 3 1比例運(yùn)算 6 3 2加法運(yùn)算 6 3 3減法運(yùn)算 6 3 4積分運(yùn)算 6 3 5微分運(yùn)算 6 3 1比例運(yùn)算 1 反相比例運(yùn)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(diǎn) 因虛斷 i i 0 所以i1 if 因要求靜態(tài)時(shí)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(diǎn) 問題 1運(yùn)放飽和電壓對電路工作有無影響 2已知運(yùn)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(yùn)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(shí)u u 對地電阻相同 所以平衡電阻R2 R1 RF 2 同相比例運(yùn)算 電壓放大倍數(shù) 因虛短 所以u ui 反相輸入端不 虛地 當(dāng)R1 或RF 0時(shí) uo ui Auf 1 稱電壓跟隨器 由運(yùn)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(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端 當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí) 其兩端電壓uo不會隨之變化 例 圖中同相比例運(yùn)算電路 求 需要幫忙嗎 點(diǎn)擊我會有新發(fā)現(xiàn) 解 此電路為同相比例運(yùn)算電路 于是 返回 返回目錄 負(fù)載電流的大小與負(fù)載無關(guān) 例2 負(fù)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(yùn)算電路 1 反相加法運(yùn)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(yùn)算電路 方法1 根據(jù)疊加原理ui1單獨(dú)作用 ui2 0 時(shí) 同理 ui2單獨(dú)作用時(shí) 方法2 平衡電阻 Ri1 Ri2 R1 RF u u 也可寫出u 和u 的表達(dá)式 利用u u 的性質(zhì)求解 當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí) 對其它路無影響 同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn) 當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí) 對其它路有影響 反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn) 6 3 3減法運(yùn)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(gè)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(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)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(jì)一加減運(yùn)算電路 設(shè)計(jì)一加減運(yùn)算電路 使Vo 2Vi1 5Vi2 10Vi3 解 用雙運(yùn)放實(shí)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(yùn)算電路怎樣實(shí)現(xiàn) 例2 求電路的電壓放大倍數(shù)Avf 6 3 4積分運(yùn)算電路 由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1 if if 當(dāng)電容CF的初始電壓為uC t0 時(shí) 則有 若輸入信號電壓為恒定直流量 即ui Ui時(shí) 則 積分飽和 線性積分時(shí)間 線性積分時(shí)間 Uo sat ui Ui 0 ui Ui 0 采用集成運(yùn)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(shí)間t的一次函數(shù) 從而提高了它的線性度 輸出電壓隨時(shí)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(yùn)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(yùn)算放大器 6 1集成運(yùn)算放大器的簡單介紹 6 3運(yùn)算放大器在信號運(yùn)算方面的應(yīng)用 6 5運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用 自學(xué) 6 6使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題 6 4運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用 6 2放大電路中的負(fù)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(dāng)兩者幅度相等時(shí)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(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋 6 4運(yùn)放在信號處理方面的應(yīng)用 理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn) 1 輸出只有兩種可能 Uo sat 或 Uo sat 當(dāng)u u 時(shí) uo Uo sat u u 時(shí) 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(yùn)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(dāng)u u 時(shí) uo Uo sat u u 時(shí) uo Uo sat 即uiUR時(shí) 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(dāng)ui單方向變化時(shí) 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(shí) 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(bào)警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應(yīng)用 第六章集成運(yùn)算放大器 6 1集成運(yùn)算放大器的簡單介紹 6 3運(yùn)算放大器在信號運(yùn)算方面的應(yīng)用 6 5運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用 自學(xué) 6 6使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題 6 4運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用 6 2放大電路中的負(fù)反饋 6 5 1方波發(fā)生器 6 5運(yùn)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(yùn)放按技術(shù)指標(biāo)分為 通用型和特殊型 通用型開環(huán)增益可達(dá)100dB 基本能兼顧各方面的要求 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)優(yōu)先選用 如uA741 LM324 5G24等 1 運(yùn)放的選擇 通常根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇具有相應(yīng)指標(biāo)的芯片包括信號源的性質(zhì) 負(fù)載的性質(zhì) 精度要求 環(huán)境條件四方面要求 6 6使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題 1 集成運(yùn)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(rèn)管腳 以便正確連線 2 粗測運(yùn)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(jìn)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(xiàng) 1 輸入保護(hù) 防差模輸入電壓過大 4 保護(hù)措施 2 輸出端保護(hù) 返回目錄 3 電源保護(hù) 返回目錄 4 擴(kuò)大輸出電流 返回目錄 5 其它 運(yùn)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(yùn)放輸入端對稱 設(shè)計(jì)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(gè)運(yùn)放構(gòu)成 vo 2vS1 5vS2 3 vo 6vS1 5vS2 3vS3 由一個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn) 由二個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn) 例 圖中同相比例運(yùn)算電路 求 需要幫忙嗎 點(diǎn)擊我會有新發(fā)現(xiàn) 練習(xí)5 有反饋 正 負(fù)反饋 電壓 電流反饋 串聯(lián) 并聯(lián)反饋 電流并聯(lián)負(fù)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(fù)反饋