第三章集成运算放大器.ppt
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1、第三章第三章 集成运算放大器集成运算放大器3-1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍3-2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用3-3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用3-5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题3-4 运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用将整个电路的各个元件以及相互之间的连接做在将整个电路的各个元件以及相互之间的连接做在同一个半导体芯片上同一个半导体芯片上集成电路优点集成电路优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小
2、集成电路分类集成电路分类:按功能分:模拟、数字集成电路;按功能分:模拟、数字集成电路;按导电类型分:单极型、双极型集成电路;按导电类型分:单极型、双极型集成电路;按集成规模分:小、中、大、超大规模集成电路;按集成规模分:小、中、大、超大规模集成电路;3.13.1 集成运算放大器芯片集成运算放大器芯片3.1.1集成电路集成电路的概念的概念集集 成成 电电 路路:特点:特点:1.电路一般采用直接耦合的电路结构,而不采用阻容耦合结构。电路一般采用直接耦合的电路结构,而不采用阻容耦合结构。2.输入级采用差动放大电路,目的是克服直接耦合电路的零漂。输入级采用差动放大电路,目的是克服直接耦合电路的零漂。3
3、.NPN管和管和PNP管配合使用,从而改进单管的性能。管配合使用,从而改进单管的性能。4.大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载,提高电路性能。大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载,提高电路性能。3.1.2 集成运算放大器的原理电路集成运算放大器的原理电路T3T4T5T1T2IS与与uo反相反相 u+u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端与与uo同相同相输输入入级级中中间间级级输输出出级级对输入级要求对输入级要求:尽量减小零漂尽量减小零漂,提高提高KCMRR,输入阻抗输入阻抗ri 尽可能大尽可能大对中间级要求对中间级要求:足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级要求对输出
4、级要求:带负载能力强带负载能力强,有足够的输出电流有足够的输出电流io .输出阻抗输出阻抗ro小小3.1.3 集成运放芯片集成运放芯片uu+uo uo国际符号国际符号国内符号国内符号三种封装形式:三种封装形式:圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装已经不用已经不用正在使用正在使用反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端u+u-u0 均为对地均为对地电压电压 u-u+u+u-uo1.开环电压放大倍数开环电压放大倍数AuoAd是在开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。一般在是在开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。一般在 104 107之间。理
5、想运放的之间。理想运放的Ad为为。2.最大输出电压最大输出电压UOPP能使输出电压和输入电压保持不失能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。真关系的最大输出电压。3.输入失调电压输入失调电压UIO理想运放,当两输入接地时,输出电理想运放,当两输入接地时,输出电压为压为0,但实际中由于元件参数的不对,但实际中由于元件参数的不对称型,输入为称型,输入为0时输出并不为时输出并不为0.即若要即若要输出为输出为0,必须在输入端加一个很小的,必须在输入端加一个很小的补偿电压,这就是输入失调电压。补偿电压,这就是输入失调电压。UIO一般为几毫伏,其值越小越好。一般为几毫伏,其值越小越好。3.1.
6、4 集成运放的主要参数集成运放的主要参数4.输入失调电流输入失调电流IIO3.1.4 集成运放的主要参数集成运放的主要参数5.输入偏置电流输入偏置电流IIB6.共模输入电压范围共模输入电压范围UICM当两输入为当两输入为0时,两个输入端静态基极时,两个输入端静态基极电流之差。电流之差。IIO一般为零点零几到零点一般为零点零几到零点几微安级,其值越小越好。几微安级,其值越小越好。当两输入为当两输入为0时,两个输入端静态基极时,两个输入端静态基极电流的平均值。电流的平均值。IIB一般为零点几微安一般为零点几微安级,其值越小越好。级,其值越小越好。运放对共模信号具有抑制的性能,但运放对共模信号具有抑
7、制的性能,但这个性能是在规定的共模电压范围内这个性能是在规定的共模电压范围内才具备,如超出这个电压,运放的共才具备,如超出这个电压,运放的共模抑制比性能就大为下降,甚至造成模抑制比性能就大为下降,甚至造成器件损坏。器件损坏。ri 大大:几十几十k 几百几百 k 3.1.5 理想运算放大器的概念理想运算放大器的概念KCMRR 很大很大 ro 小:几十小:几十 几百几百 A o 很很大大:104 107 uou+u-1.理想运算放大器的条件理想运算放大器的条件 ri =KCMMRR =ro =0 0Ao =uo2.电压传输特性电压传输特性uo实际传输特性实际传输特性理想传输特性理想传输特性线性区线
8、性区非线性区非线性区非线性区非线性区线性区非线性区 在电路的分析中,用理想运放取代实际运放后的计算误差大约是万分之几。虚短路及虚断路是电路的分析的入手点。运放工作在线性区时,两个重要假设运放工作在线性区时,两个重要假设:虚短路虚短路虚断路虚断路因 为有限值,且因 uo例:例:F007运放的正负电源电压为运放的正负电源电压为15 V,开环电压放大倍,开环电压放大倍数为数为Auo=2*105,输出最大电压为,输出最大电压为13 V,分别加下列输,分别加下列输入电压,求输出电压及其特性入电压,求输出电压及其特性(1)u+=+15V,u-=-10V(2)u+=-5V,u-=+10V(3)u+=0V,u
9、-=+5mV(4)u+=5mV,u-=0V思路:运放工作在线性区还是非线性区思路:运放工作在线性区还是非线性区3.2.1 比例运算电路比例运算电路3.2 运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用类型:类型:同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。虚短路虚短路放大倍数与负载无关,可以放大倍数与负载无关,可以分开分析。分开分析。虚断路虚断路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点理想运放理想运放在线性工在线性工作区:引作区:引入(深度)入(深度)负反馈负反馈i1=i2uo_+R2R1RPuii1i2 放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚断路虚断路一、反相比例运算电路一、反相比
10、例运算电路结构特点:结构特点:负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端,信号从反相端输入。入端,信号从反相端输入。平衡电阻,使输入端对地平衡电阻,使输入端对地的静态电阻相等,保证静的静态电阻相等,保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。RP=R1 /R2uo_+R2R1RPuii1i2当当R1=R2时,反相器,时,反相器,此时此时uo=ui作用:消除静态基作用:消除静态基极电流对输出电压极电流对输出电压的影响的影响_+10kR2uii1i1例:求开关断开闭例:求开关断开闭合时的电压放大倍合时的电压放大倍数数uo1k1k1kif二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路_+R2R1RPuiuou
11、-=u+=ui虚短路虚短路虚断路虚断路结构特点:结构特点:负反馈引到反负反馈引到反相输入端,信号从同相端相输入端,信号从同相端输入。输入。同相比例电路的特点:同相比例电路的特点:1.Au为正,并且总是大于等于为正,并且总是大于等于1,不会小于,不会小于12.R1=(断开)或(断开)或RF=0时,电压跟随器时,电压跟随器_+uiuo三、电压跟随器三、电压跟随器结构特点:结构特点:输出电压全输出电压全部引到反相输入端,信部引到反相输入端,信号从同相端输入。号从同相端输入。电压电压跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。求求uo的大小的大小_+15Vuo15k15k7.5
12、k例16.2.3,见书P1003.2.2 加减运算电路加减运算电路作用:作用:将若干个输入信号之和或之差按比将若干个输入信号之和或之差按比例放大。例放大。类型:类型:同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。一、反相求和运算一、反相求和运算R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数,以适应不同的需要。以适应不同的需要。i12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为 0二、同相求和运算二、同相求和运算-R1RF+ui1uoR21R22ui2R三、加减运算电路三、加减运算
13、电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数,以适应不同的需要。以适应不同的需要。R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出:解出:加减运算电路的特例:差分比例运算电路加减运算电路的特例:差分比例运算电路例题例题:设计一个加减运算电路,设计一个加减运算电路,RF=240k,使使uo=10ui1+8ui2-20ui3解解:(1)画电路。画电路。系数为负的信系数为负的信号从反相端输号从反相端输入,系数为正入,系数为正的信号从同相的信号从同相端输入。端输入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3(2)
14、求各电阻值。求各电阻值。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3uo=10ui1+8ui2-20ui33.2.3 微分运算电路与积分运算电路微分运算电路与积分运算电路u=u+=0uit0t0uou i+uoRR2i1iFC若输入:若输入:则:则:一、微分运算一、微分运算i1iFtui0tui0输入方波,输出是三角波。输入方波,输出是三角波。ui-+RR2Cuo二、积分运算二、积分运算应用举例应用举例1 1:tui0tui0U-UomTM积分时限积分时限应用举例应用举例2:如果积分器从某一时刻输入一直流电压,如果积分器从某一时刻输入一直流电压,输出将反向积分,经过一定的时间后输出输出将反向
15、积分,经过一定的时间后输出饱和。饱和。思考:思考:如果输入是正弦波,输出波形怎样,请如果输入是正弦波,输出波形怎样,请自己计算。自己计算。3.3 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用 运放工作在开环、正反馈时,其输出电压与输入电压是非运放工作在开环、正反馈时,其输出电压与输入电压是非线性关系。线性关系。此时,需要对集成运放进行必要的保护。此时,需要对集成运放进行必要的保护。输入端的两个反并联的二极管使输入端的两个反并联的二极管使 ,输出端的两个反串联的稳压管使输出电压限制在输出端的两个反串联的稳压管使输出电压限制在 范围内范围内。输出端的电阻输出端的电阻 起到限流的作用,防止输
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