常用运放电路优秀课件.ppt

常用运放电路常用运放电路第1页，本讲稿共83页2对输入电阻的影响对输入电阻的影响r串联负反馈可以提高输入电阻；串联负反馈可以提高输入电阻；r并联负反馈可以降低输入电阻。并联负反馈可以降低输入电阻。3对输出电阻的影响对输出电阻的影响r电压负反馈可使输出电阻降低；电压负反馈可使输出电阻降低；r电流负反馈可使输出电阻提高。电流负反馈可使输出电阻提高。r电阻减小和提高的倍数都是（电阻减小和提高的倍数都是（1+AF）。）。1稳定放大倍数稳定放大倍数负反馈对放大电路的主要影响负反馈对放大电路的主要影响负反馈对放大电路的主要影响负反馈对放大电路的主要影响负反馈对放大电路的主要影响负反馈对放大电路的主要影响第2页，本讲稿共83页4.1 4.1 集成运算放大器的基本概念集成运算放大器的基本概念集成运算放大器的基本概念集成运算放大器的基本概念4.2 4.2 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用4.3 4.3 滤波的概念和基本滤波电路滤波的概念和基本滤波电路滤波的概念和基本滤波电路滤波的概念和基本滤波电路4.4 4.4 电压比较电路电压比较电路电压比较电路电压比较电路退出退出退出退出第第4 4章章 集成运算放大器及信号处理电路集成运算放大器及信号处理电路第3页，本讲稿共83页4.1.1 4.1.1 运算放大器的指标运算放大器的指标运算放大器的指标运算放大器的指标4.1.2 4.1.2 运算放大器在线性状态下的工作运算放大器在线性状态下的工作运算放大器在线性状态下的工作运算放大器在线性状态下的工作 退出退出退出退出4.1.3 4.1.3 运算放大器在非线性状态下的工作运算放大器在非线性状态下的工作运算放大器在非线性状态下的工作运算放大器在非线性状态下的工作4.1 4.1 运算放大器的基本概念运算放大器的基本概念 第4页，本讲稿共83页4.1.1 4.1.1 运算放大器的指标运算放大器的指标v在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中的集成在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中的集成运放看成是一个理想运算放大器。所谓理想运放就是将运放看成是一个理想运算放大器。所谓理想运放就是将集成运算放大器的各项技术指标理想化，即具有如下集成运算放大器的各项技术指标理想化，即具有如下参参数数：开环差模电压增益开环差模电压增益Aod；差模输入电阻差模输入电阻rid；输出电阻输出电阻ro0；共模抑制比共模抑制比KCMR；-3dB带宽带宽fH；输入失调电压输入失调电压UIO、失调电流、失调电流IIO、输入偏置电流、输入偏置电流IIB以及他们以及他们的温漂均为零等等。的温漂均为零等等。第5页，本讲稿共83页4.1.2 4.1.2 集成运算放大器在线性状态下的工作集成运算放大器在线性状态下的工作当工作在线性区时，集成运放的输出电压与两个输入当工作在线性区时，集成运放的输出电压与两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即端的电压之间存在着线性放大关系，即 （4.1.14.1.1）式中：式中：v uo是集成运放的输出端电压；是集成运放的输出端电压；v u+和和u-分别是其同相输入端和反相输入端的电压；分别是其同相输入端和反相输入端的电压；v Aod是其开环差模电压增益。是其开环差模电压增益。第6页，本讲稿共83页1）理想集成运放的差模输入电压等于零）理想集成运放的差模输入电压等于零由于集成运放工作在线性区，故输出、输入之间符合式由于集成运放工作在线性区，故输出、输入之间符合式(4.1.1)所示的关系式。而且，因理想运放的所示的关系式。而且，因理想运放的Aod，所以由，所以由式式(4.1.1)可得可得即即(4.1.2)上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。但是该两点实际上并未真正被短路，只同将该两点短路一样。但是该两点实际上并未真正被短路，只是表面上似乎短路了，因而是虚假的短路，所以将这种现象称是表面上似乎短路了，因而是虚假的短路，所以将这种现象称为为“虚短虚短”。第7页，本讲稿共83页2 2）理想集成运放的输入电流等于零）理想集成运放的输入电流等于零由于理想集成运放的差模输入电阻由于理想集成运放的差模输入电阻r ridid，因此在，因此在其两个输入端均没有电流，其两个输入端均没有电流，即即 (4.1.3)(4.1.3)此时，运放的同相输入端和反相输入端的电流都等于零，如同该此时，运放的同相输入端和反相输入端的电流都等于零，如同该两点被断开了一样，这种现象称为两点被断开了一样，这种现象称为“虚断虚断”。“虚短虚短”和和“虚断虚断”是理想运放工作在线性区时的是理想运放工作在线性区时的两个重要结论。这两个重要结论常常作为今后分析许两个重要结论。这两个重要结论常常作为今后分析许多运放应用电路的出发点，因此必须牢牢记住并掌握。多运放应用电路的出发点，因此必须牢牢记住并掌握。第8页，本讲稿共83页4.1.3 4.1.3 运算放大器在非线性状态下的工作运算放大器在非线性状态下的工作如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，则如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，则输出电压不会再随着输入电压的增长线性增长，而将输出电压不会再随着输入电压的增长线性增长，而将进入饱和状态，集成运放的传输特性如图进入饱和状态，集成运放的传输特性如图4.1.3所示。所示。第9页，本讲稿共83页运放输出分别等于运放的正向最大输出电压运放输出分别等于运放的正向最大输出电压UOPP，或等于其负向最大输出电压，或等于其负向最大输出电压UOPP，如图如图4.1.3中的粗线所示。中的粗线所示。当当u+u时时,uO+UOPP当当u+UZ。第65页，本讲稿共83页当当uI0，则右边稳压管被反向击穿，而左边稳压管正向导通，则右边稳压管被反向击穿，而左边稳压管正向导通，uO-UZ。比较电路的传输特性如图比较电路的传输特性如图(c)所示。所示。第66页，本讲稿共83页v也也可可以以在在集集成成运运放放的的输输出出端端接接一一个个电电阻阻和和两两个个稳稳压压管管来来实现限幅，如图实现限幅，如图4.4.2(b)所示所示。v不不难难看看出出，此此时时过过零零比比较较电电路路的的传传输输特特性性仍仍如如图图4.4.2(c)所示。所示。v这这两两个个电电路路的的不不同同之之处处在在于于，图图4.4.2(a)电电路路中中的的集集成成运运放放，由由于于当当稳稳压压管管反反向向击击穿穿时时引引入入一一个个深深度度负负反反馈馈，所所以以此此时时工工作作在在线线性性区区；而而图图4.4.2(b)电电路路中的集成运放处于开环状态，所以工作在非线性区。中的集成运放处于开环状态，所以工作在非线性区。第67页，本讲稿共83页4.4.2 4.4.2 单限比较电路单限比较电路v所所谓谓单单限限比比较较电电路路是是指指只只有有一一个个门门限限电电平平的的比比较较电电路路，当当输输入入电电压压等等于于此此门门限限电电平平时时，输输出出端端的的状状态态立立即即发发生跳变。生跳变。v实实现现单单限限比比较较的的电电路路可可有有多多种种，其其中中一一种种如如图图4.4.3(a)所所示示，可可以以看看出出，此此电电路路是是在在图图4.4.2(a)所所示示过过零零比比较较电电路路的的基基础础上上，将将参参考考电电压压UREF通通过过电电阻阻R2，也也接接在在集集成成运运放放的的反反相相输输入入端端而而得得到到的的，目目的的是是引引入入一个用于比较的门限电平。一个用于比较的门限电平。第68页，本讲稿共83页由图由图4.4.3(a)可见，集成运放的同相输入端通过电阻可见，集成运放的同相输入端通过电阻接地，因此，当输入电压接地，因此，当输入电压uI变化时，若反相输入端的电位变化时，若反相输入端的电位u-0，则输出端的状态将发生跳变。根据，则输出端的状态将发生跳变。根据“虚断虚断”的特的特点，并利用叠加原理，求得此时反相输入端的电位为点，并利用叠加原理，求得此时反相输入端的电位为（4.4.1）第69页，本讲稿共83页由上式可解得门限电平为由上式可解得门限电平为此此单单限限比比较较电电路路的的传传输输特特性性见见图图4.4.3(b)。对对比比4.4.3(b)和和4.4.2(b)中中的的传传输输特特性性可可知知，前前面面介介绍绍的的过过零零比比较较电电路路，实实际际上上也也是是一一个个门门限限电电平平等等于于零零的的单单限限比比较较电电路路，也也属属于于单单限限比较电路的范围。比较电路的范围。第70页，本讲稿共83页4.4.3 4.4.3 滞回比较电路滞回比较电路如果输入电压受到干如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，门限电平上下波动，见图见图(a)，则输出电压，则输出电压将在高、低两个电平将在高、低两个电平之间反复地跳变，见之间反复地跳变，见图图(b)，如在控制系统，如在控制系统中发生这种情况，将中发生这种情况，将对执行机构产生不利对执行机构产生不利的影响。的影响。单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但存在的主单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但存在的主要问题是抗干扰能力差。要问题是抗干扰能力差。图图4.4.4 存在干扰时，单限比较电路波形图存在干扰时，单限比较电路波形图第71页，本讲稿共83页为为了了解解决决以以上上问问题题，可可以以采采用用具具有有滞滞回回传传输输特特性性的的比比较较电电路路。滞滞回回比比较较电电路路又又名名施施密密特特触触发发器器，这这种种比比较较电电路路有有两两个个可可变变的的比比较较门门限限电电平平，故故传传输输特特性性呈呈滞滞回回形形状状，其其电电路路见见图图4.4.5(a)。输输入入电电压压uI 经经电电阻阻R1 加加在在集集成成运运放放的的反反相相输输入入端端，参参考考电电压压UREF 经经电电阻阻R2 接接在在同同相相输输入入端端，此此外外从从输输出出端端通通过过电电阻阻RF 引引回回到到同同相相输输入入端端。电电阻阻R和和背背靠靠背背串串连连的的稳稳压压管管VDz 的的作作用用只只是是限限幅幅，将将输出电压的幅度限制在输出电压的幅度限制在UZ。图图4.4.5 滞加比较电路（滞加比较电路（a）电路图和（）电路图和（b）传输特性）传输特性第72页，本讲稿共83页电电路路中中，当当集集成成运运放放反反相相与与同同相相输输入入端端的的电电位位相相等，即等，即 u u-=u=u+时，输出端的状态将发生跳变。时，输出端的状态将发生跳变。其中其中u+则有参考电压则有参考电压 UREF 和输出电压和输出电压 uO 两者共同决定，而两者共同决定，而 uO 有两有两种不同的状态：种不同的状态：-UZ 和和+UZ，由此可见，使输出电压由，由此可见，使输出电压由-UZ跳变跳变到到+UZ 和输出电压由和输出电压由+UZ 跳变到跳变到 UZ 所需要的电压是不同的。所需要的电压是不同的。即这种比较电路有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形即这种比较电路有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，见图状，见图4.4.5(b)。图图4.4.4(c)为存在干扰时，滞回比较电路的输出特性，可见其性能得为存在干扰时，滞回比较电路的输出特性，可见其性能得到大大改善。到大大改善。第73页，本讲稿共83页图图4.4.4 存在干扰时，单限比较电路存在干扰时，单限比较电路和滞回比较电路波形图和滞回比较电路波形图第74页，本讲稿共83页比较电路的两个门限电平值，可用叠加定理求出：比较电路的两个门限电平值，可用叠加定理求出：v若若原原来来输输出出电电压压为为UZ，当当逐逐渐渐减减小小uI 时时，uO从从UZ 跳变到跳变到+UZ 所需的门限电平用表示，则所需的门限电平用表示，则 v若若原原来来输输出出电电压压为为+UZ，当当逐逐渐渐增增大大uI 时时，uO从从+UZ 跳变到跳变到UZ 所需的门限电平用表示，则所需的门限电平用表示，则 第75页，本讲稿共83页上上述述两两个个门门限限电电平平的的差差称称为为回回差差或或门门限限宽宽度度，用用符符号号表表示是：示是：由上式可见：门限宽度的值取决于稳压管的稳定由上式可见：门限宽度的值取决于稳压管的稳定电压电压 UZ 以及电阻以及电阻 R2 和和 RF 的值。但与参考电压的值。但与参考电压 UREF 无无关。改变关。改变 UREF 的大小可以调节两个门限电平和的大小，的大小可以调节两个门限电平和的大小，但两者之差不变。即当但两者之差不变。即当 UREF 增大或减小时，传输特性将增大或减小时，传输特性将平行的左移或右移。平行的左移或右移。第76页，本讲稿共83页4.4.4 4.4.4 双限比较电路双限比较电路v在实际工作中，有时需要检测输入模拟信号的电平是在实际工作中，有时需要检测输入模拟信号的电平是否处在两个给定的门限电平之间，这就要求比较电路否处在两个给定的门限电平之间，这就要求比较电路有两个门限电平，这种比较电路称为双限比较电路。有两个门限电平，这种比较电路称为双限比较电路。v双限比较电路的一种电路如图双限比较电路的一种电路如图4.4.6(a)所示。电路由所示。电路由两个集成运放组成，输入电压两个集成运放组成，输入电压uI 各通过一个电阻各通过一个电阻R 分别接到分别接到A1的同相输入端和的同相输入端和A2的反相输入端，参考的反相输入端，参考电压电压UREF1 和和UREF2 分别加在分别加在A1的反相输入端和的反相输入端和A2的的同相输入端，其中同相输入端，其中UREF1UREF2，两个集成运放的输，两个集成运放的输出端各通过一个二极管后并联在一起，作为双限比较出端各通过一个二极管后并联在一起，作为双限比较电路的输出端。电路的输出端。第77页，本讲稿共83页若若uI 低低于于UREF2(当当然然更更低低于于UREF1)，此此时时运运放放A1输输出出低低电电平平，A2输输出出高高电电平平，于于是是二二极极管管VD1 截截止止，VD2 导导通通，则输出电压则输出电压uO 为高电平。为高电平。若若uI 高高于于UREF1(当当然然更更高高于于UREF2)，此此时时A1输输出出高高电电平平，A2输输出出低低电电平平，则则VDl 导导通通，VD2 截截止止，输输出出电电压压uo 也也为高电平。为高电平。图图4.4.6 双限比较电路（双限比较电路（a）电路图（）电路图（b）传输特性）传输特性第78页，本讲稿共83页只有当只有当 uI 高于高于 UREF2 而低于而低于 UREF1 时，运放时，运放 A1、A2均输均输出低电平，二极管出低电平，二极管 VDl、VD2 均截止，则输出电压均截止，则输出电压 uO 为低电为低电平。比较电路的传输特性如图平。比较电路的传输特性如图4.4.6(b)所示。由图可见，这种比较所示。由图可见，这种比较电路有两个门限电平：上门限电平电路有两个门限电平：上门限电平 UTH 和下门限电平和下门限电平 UTL。在。在本电路中，本电路中，UTH UREF1，UTLUREF2。由于这种比较电路。由于这种比较电路的传输特性形状像一个窗孔，所以又称为窗孔比较电路。的传输特性形状像一个窗孔，所以又称为窗孔比较电路。图图4.4.6 双限比较电路（双限比较电路（a）电路图（）电路图（b）传输特性）传输特性第79页，本讲稿共83页选用时需要考虑以下两个因素：选用时需要考虑以下两个因素：v首先，由于通用集成运放主要是根据线性放大的要求而设首先，由于通用集成运放主要是根据线性放大的要求而设计的，因此相对来说工作速度比较慢。而专用的集成电压计的，因此相对来说工作速度比较慢。而专用的集成电压比较器，总是将缩短响应时间、提高工作速度作为设计的比较器，总是将缩短响应时间、提高工作速度作为设计的主要目标之一。如果要求得到同样的响应时间，一般情况主要目标之一。如果要求得到同样的响应时间，一般情况下专用集成电压比较器的价格比较低。下专用集成电压比较器的价格比较低。v其次，专用集成电压比较器的输出电平一般可直接与其次，专用集成电压比较器的输出电平一般可直接与TTL等数字电路兼容，而通用集成运放的输出电压等数字电路兼容，而通用集成运放的输出电压通常比较高，为了适应数字电路的逻辑电平，常常通常比较高，为了适应数字电路的逻辑电平，常常需要另外增加限幅措施。需要另外增加限幅措施。4.4.5 4.4.5 集成电压比较器集成电压比较器第80页，本讲稿共83页对集成电压比较器的要求主要有以下几方面：对集成电压比较器的要求主要有以下几方面：（1）应具有较高的开环差模增益）应具有较高的开环差模增益Aod。开环差模增益愈。开环差模增益愈高，则比较器输出状态发生跳变所需加在输入端的高，则比较器输出状态发生跳变所需加在输入端的差值电压愈小，比较器的灵敏度愈高。差值电压愈小，比较器的灵敏度愈高。（2）应应有有较较快快的的响响应应速速度度。比比较较器器的的一一项项重重要要指指标标是是响响应应时时间间，其其含含义义是是，当当输输入入端端加加上上一一个个阶阶跃跃电电压压时时，输输出出电电压压从从逻逻辑辑低低电电平平跳跳变变为为逻逻辑辑高高电平所需的时间。电平所需的时间。第81页，本讲稿共83页（3）应有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高。在）应有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高。在很多情况下，加在比较器两个输入端的模拟输入电压很多情况下，加在比较器两个输入端的模拟输入电压和参考电压比较高，因此，比较器将承受较高的共模和参考电压比较高，因此，比较器将承受较高的共模输入电压，如共模抑制比不够高，将会影响比较器的输入电压，如共模抑制比不够高，将会影响比较器的精度。精度。（4）要求失调电压、失调电流以及他们的温漂比较低。）要求失调电压、失调电流以及他们的温漂比较低。这和一般的运放是一样的，如果失调电压、失这和一般的运放是一样的，如果失调电压、失调电流较大，将影响比较器的精度；如果温度调电流较大，将影响比较器的精度；如果温度漂移较大，则将影响比较器的稳定性。漂移较大，则将影响比较器的稳定性。第82页，本讲稿共83页第83页，本讲稿共83页