《集成运算放大器》PPT课件.ppt

第3章集成运算放大器 3 2信号运算电路 3 3信号处理电路 3 4集成运算放大器的应用 3 5集成运算放大器的一般使用方法 3 1集成运算放大器简介 学习要点 理想运算放大器的主要参数 分析运算放大器电路的两条原则 运算放大器的传输特性 由运算放大器构成的信号运算电路 返回 由运算放大器构成的信号处理电路 集成电路 IC 采用专门的制造工艺 将元 器件及连线组成的完整电路制作在一块基片上 并完成特定的功能 返回 3 1集成运算放大器简介 一 集成运算放大器的结构及符号 1 集成运算放大器的基本结构 2 集成运算放大器的封装及电路符号 集成运放在结构上具有以下特点 a 采样直接耦合的多级放大器 b 用差动放大作为输入级抑制零漂 c 用晶体管恒流源作为集电极负载电阻 返回 2脚 运算放大器的反相输入端 性质 输出信号于该脚的输入信号反相 6脚 运算放大器的信号输出端 用于接负载 3脚 运算放大器的同相输入端 性质 输出信号于该脚的输入信号同相 集成运放的封装形式主要有两种 a 金属封装 b 陶瓷封装 返回 集成运放的引脚定义如下 二 集成运放常用电路符号及主要参数 在绘制电路图时 集成运算放大器通常可以用右图来表示 其主要参数如下 4脚 运算放大器负电源输入端 性质 可根据工作要求在一定范围内输入所需的直流电压 1 5脚 用于外接调零电位器 以保证运放在零输入时输出也是零 如上图所示 8脚 空 7脚 运算放大器正电源输入端 性质 可根据工作要求在一定范围内输入所需的直流电压 返回 返回 1 开环差模电压增益 2 最大差模输入电压 3 最大输出电压 4 差模输入电阻 5 输出电阻 6 最大输出电流 7 输出失调电压 8 共模抑制比 开环 运算放大器外部 两个输入和输出之间没有任何连接 三 理想运算放大器 返回 将集成运算放大器的一些参数近似理想化 得到理想运算放大器的模型 有 1 开环差模电压增益 3 差模输入电阻 4 输出电阻 2 共模抑制比 5 输出失调电压 1 理想化条件 注意 无特殊说明 今后我们分析的集成运算放大器均为理想运算放大器 1 两个输入端之间电压近似为零 2 分析运算放大器电路的两条原则 理想运算放大器的电路模型如下图所示 在线性区 由于为有限值 而为无穷大 因此 故 相当于两个输入端短路 虚短 返回 2 两个输入端电流近似为零 虚断 由于为无穷大 故 相当于两个输入端之间开路 四 运算放大器的电压传输特性 返回 开环状态下 由于为无穷大 因此仅当 很小时下式才成立 所以特性曲线中的线性区很窄 其他部分称为饱和区 3 2信号运算电路 一 比例运算 电路特点 运算放大器工作在闭环状态 即在运放外部 输出端至少与一个输入端有物理连接 1 反相比例运算 特点 输入信号接反相输入端 反馈电阻接于输出与反相输入端之间 输出电压与输入电压反相 返回 分析方法 1 由 虚断 的概念得到 A B 2 由 虚短 的概念有 虚地 由可知 返回 所以 图中称为平衡电阻有 由式可知 在输入一定的前提下 改变的比例关系 可以得到所需的输出 特殊情况下 当时 有 此时我们称该电路为反相器或反号器 返回 例 求电压增益值 由前面的分析可知 该电路为反相输入工作方式 且运放的反相输入端为 虚地 又由 虚断 有 a 返回 2 同相比例运算 特点 输入信号接同相输入端 反馈电阻接于输出与反相输入端之间 输出电压与输入电压同相 由 虚断 返回 由平衡电阻的概念有 讨论 1 输出电压与输入电压同相 由上式可知 2 该比例系数可在0 之间变化 3 当时 有 输出输入 4 当或有 对应电路如下 电压跟随器 返回 3 反相加法运算 由图可知反相输入端虚地 由KCL有 由平衡电阻的概念有 当有 返回 该结论可推广为多个输入信号 解 该电路实现了三个输入信号的反相加法运算 所以 返回 4 减法运算 输入信号由两个输入端分别输入 称为差动输入 因此有 由虚短得到 由虚断得到 当时 返回 5 积分运算 电路为反相输入方式 反馈元件为电容 运放的反相输入端处于虚地状态 返回 输出与输入对时间的积分成正比 当时 例 电路如图 已知 求 1 写出的表达式 2 设 求达到所需的时间 返回 解 1 由第一级可以求出 由第二级可以求出 2 由已知则带入数据有 返回 两个反相输入电路级连 总输出和总输入同相 6 微分运算 返回 由 虚断 有 例 电路如图 试求表达式 解 由图中各量的参考方向有 由 输出电压是输入电压的比例运算和微分运算的组合 我们称之为比例 微分调节器 简称PD调节器 类似的还有PI调节器和PID调节器 返回 3 3信号处理电路 如果给集成运算放大器匹配相应的电阻 电容等器件 按相应的方式进行连接 可以构成不同的信号处理电路 本节中我们将学习以下几种由集成运算放大器构成的信号处理电路 有源滤波器 电压比较器和采样 保持电路 一 有源滤波器 如果在多个不同频率的输入信号中选取或除去某些频率的信号 完成该功能的电路称为滤波器 若该电路仅由R L C等器件组成 我们称之为无源滤波器 若该电路由运放构成 则称为有源滤波器 返回 滤波器 根据选择信号的不同 滤波器可分为低通 高通 带通和带阻等形式 分析下面电路的性质 由左图可知反馈回路的等效阻抗为 返回 由反相比例运算的结论我们得到 则 定义截止频率为 由电路参数确定 有 由上式可知 当输入信号的频率大于时 电压放大倍数将被衰减为 且随着输入频率的增大 其衰减的越多 返回 由上式结论我们得到该电路的幅频特性曲线如上图 从曲线中我们可以看出 当输入信号的频率大于电路的截止频率后 输出信号的幅度将显著降低 即可以认为该信号不能通过此电路 因此称为低通滤波器 其它形式的滤波器的分析方法与此相近 只是电路结构略有不同 二 电压比较器 电压比较器是运放在开环状态下的应用 即运放工作在非线性区 其功能是比较两个输入信号的大小 其结果用输出端的高低电平来表示 常用于模拟和数字信号的转换 对信号的控制及测量 返回 1 单限电压比较器 图a为单限电压比较器的原理电路 参考电压经输入电阻由反相端输入 输入信号由运放的同相端经输入电阻输入 返回 应用中两个电压也可根据需要互换位置 由运放的电压传输特性可知 当时 当时 当时 于是我们得到单限电压比较器的输入 输出特性曲线 如图b所示 通过曲线中输出电压的大小 可以判断出输入电压与参考电压之间的大小关系 当时 即反相端经电阻接地 此时的输入 输出特性曲线如图c所示 当输入电压在正负之间变化时 输出电压发生跃变 因此称之为 返回 过零电压比较器 如果要求输出电压在某个范围内或者是某一数值的电压 可以在输出端加限幅或钳位电路 如图所示 此时电路的输出电压被限制在稳压管的稳定电压以下 为限流电阻 右图采用的是反馈钳位 即双向稳压管接在反馈支路中 其电压传输特性为 返回 若要求门限电压不为零 可以由下面两种电路实现 a 输入信号和参考电压分别从两个输入端输入 返回 b 输入信号和参考电压均接在反相端 由于反相输入端虚地 因此当时 if向右 与参考方向相同 右侧的稳压管备反向击穿 左边稳压管处于导通状态 于是 同理当时 返回 该电路的门限电压为 返回 2 迟滞型电压比较器 电路如图a所示 可知 由于运放工作在开环 所以输出为正 负饱和值 当时 当时 令 由0 得到上图b中A到D段 当由 0时 得到上图b中D到F段 可见输出电压在两个不同的门限电压上下跳变 该曲线相似于电工技术中介绍的磁滞回线 因此把这种电压比较器称为迟滞型电压比较器 返回 返回 当要求输出电压向反方向变化时 输入电压必须满足一定的变化量 即大于 我们称之为回差电压 与单限比较器相比较 由于回差电压的存在 使得迟滞型电压比较器有较强的抗干扰能力 三 采样 保持电路 采样 把连续变化的模拟信号转变为离散的信号 保持 在两次采样的时间间隔内 将前一次采样结束的信息保持下来 如右图所示 返回 原理电路如图 场效应管T作为模拟开关 电容C作为保持元件 集成运放接成跟随器 起阻抗变换和隔离作用 u作为采样控制信号 ui是待采样信号 uo为采 保后的离散信号 返回 3 4集成运算放大器的应用 一 矩形波和三角波产生电路 原理电路如图a 集成运放处于比较器状态 经分析 输出电压为矩形波 电容电压为近似的三角波 二 测量放大器 在非电量测量系统中 常用各种传感器把非电量转变为电压 电流信号 放大后给检测系统 原理电路如下图 返回 返回 第一级放大电路由A1 A2组成 均采样同相输入 输入电阻高 电路结构对称 可抑制零漂 由电路结构可知 两个运放的输入信号极性相反 当R2 R3时 R1的中点相当于地 则 返回 第二级为差动放大电路 输出电压为 当R4 R5 R6 R7时 则总的电压放大倍数为 返回 3 5集成运算放大器的一般使用方法 一 消振 运放在输入端不加信号的情况下 输出端也可能有交流电压输出 表明运放产生了自激振荡 使运放不能正常工作 消除自激振荡的方法是在补偿端接入适当的电容或RC电路 来破坏自激振荡的条件 二 调零 实际的运放在零输入时 输出不为零 在输出端反映输入有信号 这样将给其线性应用带来一定的误差 因此需要调零 即零输入 零输出 返回 调零的前提 静态调零 动态调零 运放不存在自激或已消振 将两个输入端接地 调节外接的调零电位器使输出电压为零 在有信号输入时 计算出输出电压的理论值 然后将实际的输出电压调节到理论电压值 影响调零的因素 正负电源的对称性 环境温度 电源电压值是否满足运放要求 返回 三 保护措施 1 电源保护 作用 a 防止电源极性接反 如图a b 防止电源电压跳变 如图b 返回