集成运算放大器ppt课件

1、第九章 集成运算放大器,第一节 集成运算放大器,第二节 放大电路中的负反馈,第三节 基本运算电路,第四节 集成运放用于信号处理,第五节 直流稳压电源,本章要求,1. 理解集成运算放大器的结构和特点； 2. 理解放大电路中的负反馈以及负反馈对放大电路性能的影响； 3. 了解基本运算电路的结构和特点； 4. 了解集成运算放大器在信号处理中的运用； 5. 理解稳压电源的结构，了解三端稳压电路的应用,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件 制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为 集成电路(英文简称IC)。集成电路的体积很小，但性能 却很好。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只

2、 不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日 常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、 战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪 表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电 视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用 了集成电路。 集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性 能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路 是工业的“食粮”和“原油,集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信

3、、控制和测量等设备中得到广泛应用,常见集成电路的封装形式,圆壳式,双列 直插式,扁平式,单列 直插式,直插式,单列 扁平式,第一节集成运算放大器,集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示,运放的输入级。利用差分电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能,中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成,输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力,集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流,一、集成运算放大器简介,简单的集成运放电路结构,运放的输入级。利用差分电路的对称

4、特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能,中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成,输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力,图示为常用A741集成运放芯片产品实物图,A741集成运放的8个管脚排列图如下,调零端,反相输入端,同相输入端,负电源端,调零端,输出端,正电源端,空脚,标识为“-”和“+”符号的是反相输入端和同相输入端，它们对地电压分别用u-和u+表示，输出是uo。运算放大器的开环电压放大倍数用Auo表示，箭头代表信号从输入向输出流动,运放的图形符号,线性区就是曲线中的斜线部分，斜率是集成运算放大电路的开环差模电压放大倍数Aod，即； 饱

5、和区是曲线中的水平直线部分，当集成运算放大电路工作在非线性区时，输出电压只能是正饱和值+Uo(sat)和负饱和值-Uo(sat)，其值接近正负电源电压,uo,u+ u,线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,集成运算放大电路的电压传输特性曲线,二、理想集成运算放大器,理想运算放大器符号,理想运算放大器是将集成运放进行理想化，理想化的基本条件是: (1)开环差模电压放大倍数Aod = ; (2)差模输入电阻 rid = ; (3)输出电阻ro=0; (4)共模抑制比Kcm为,理想集成运算放大电路的电压传输特性曲线,反相输入端,A741集成运放图形符号,A741集成运放外部接线图,同相输入端,12

6、V,12V,输出端子,调零电位器,管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连,调零电位器的可调端与管脚4相连,集成运放工作在线性区的特点,由,可知，理想运放工作在线性区时，输,出电压U0与输入电压Ui之间是线性放大关系,因Au0=，所以可导出,运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明,即理想运放的两个输入端电位相等,两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“虚短,又由于理想运放的差模输入电阻ri=，所以可近似地认为两个输入端均无电流流入。这种现象称为“虚断,虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结论,1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或U

7、o(sat,2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,理想运放工作在饱和区的特点,1)开环电压放大倍数Au0,其数值很高，一般约为104107。该值反映了输出电压U0与输入电压U和U之间的关系,2)差模输入电阻ri,运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧,3)闭环输出电阻r0,由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间,指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件

8、损坏,4)最大共模输入电压Uicmax,2. 集成运放的主要技术指标,你能说明理想运放的特点是什么吗,思考题,第二节放大电路中的负反馈,一、负反馈电路的一般概念,将放大电路输出信号的一部分或全部通过某种电路引回到输入端，这个反向传送过程称之为反馈。反馈分有正反馈和负反馈两种形式：能使净输入信号增强的反馈称为正反馈；使净输入信号削弱的反馈称为负反馈。放大电路中普遍采用的形式是负反馈,基本放大电路A,取样,Xid,比较,X0,Xi,反馈电路F,XF,含反馈的基本放大电路的输入信号(净输入信号,放大电路输出信号,反馈信号,放大电路输入信号,负反馈放大电路的方框图,根据反馈网络与基本放大电路在输出、输

9、入端连接方式的不同，负反馈放大电路的反馈形式可分为四种类型,1、电压串联负反馈,2、电压并联负反馈,3、电流串联负反馈,4、电流并联负反馈,负反馈的基本类型及其判别,判断反馈类型的方法：凡反馈信号取自输出电压信号的称 电压反馈；凡反馈信号取自输出电流信号的称电流反馈。凡 反馈信号在输入端与输入信号相串联的称为串联反馈，凡反 馈信号在输入端与输入信号相并联的称为并联反馈,反馈形式判断举例,电压反馈,电压串联负反馈,串联反馈,电压反馈,电压并联负反馈,并联反馈,电流反馈,电流串联负反馈,串联反馈,电流反馈,电流并联负反馈,并联反馈,二、负反馈放大电路增益的一般表达式,开环放大倍数,反馈系数,负反馈

10、放大电路的三个环节 基本放大电路 开环电压放大倍数 反馈电路 反馈系数 比较环节 净输入 反馈信号起了削弱输入信号的作用，所以称之为负反馈,净输入信号,闭环放大倍数,三、负反馈的对放大电路性能的影响,1提高放大倍数的稳定性,2减小了放大电路的非线性失真,闭环放大倍数的变化相对闭环放大倍数的影响 就会 减少到开环时 倍，从而提高了放大电路增益的稳定性,使输出波形正负半周中原来较大的被削弱，较小的被增大，从而使输出信号波形不对称程度得到改善，从而减小了非线性失真,引入负反馈后，电压放大倍数降低， 称为反馈深度,3展宽通频带,4负反馈对输入电阻和输出电阻的影响,引入负反馈后的频带宽度为,负反馈对输入

11、电阻的影响取决于反馈电路与放大电路在输入端的连接方式，串联反馈使输入电阻增加，并联反馈使输入电阻减小。 负反馈对输出电阻的影响取决于反馈信号取样的是电压信号还是电流信号：若对输出电压取样，则使输出电阻减小，使输出电压更加稳定；若对输出电流取样，则使输出电阻增大，使输出电流更加稳定,放大电路输入信号本身就是一个已产生了失真的信号，引入负反馈后能否使失真消除,上述问题希望课后认真归纳总结,思考题,放大电路引入负反馈后，对电路的工作性能带来什么改善,第三节 基本运算电路,一、反相放大器,R1,i,u,o,u,Rf,N,u,P,u,1,i,if,因为 u+=u- ，i+=i- 0,所以,一个运算放大器

12、连接上外部元件，就得到一个运算放大电路。就可对各种模拟信号进行比例、加法、减法、积分、对数等运算,输出与输入的比例值,负号说明输入输出反相,二、同相放大器,因为 u+=u- ，i+=i-0 所以,而,输出与输入的比例值,三、电压跟随器,有 uo = ui ， Au = 1,从同相放大器的电压增益公式,可知，当 或,四、加法电路,1. 反相加法运算电路,若,实现了反向求和运算,2同相加法运算电路,利用叠加定理 单独作用时,ui2 单独作用时，同理有,最后得,五、减法电路,从电路图上看出，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路,由于 ，代入上述方程有,如果满足 则得,实现了减法运算,六、积分电路,

13、由虚断概念有,若电容上的初始电压为零，则输出电压为,整理得,反相比例运放中的偏置电阻用电容代替即为积分电路,七、微分电路,将积分电路中的电 阻和电容对换一下， 即可得到微分电路。 根据虚短和虚断的 概念有,于是得到输出电压为,微分电路在数字电路中用来做波形变换。 运算放大器还可组成其它一些运算电路，使用很广泛,检验学习结果,第四节集成运放用于信号处理,一、滤波器,滤波器是一种能让有用频率信号通过同时抑制无用频率信号的电子装置，即对频率进行选择的电路,无源滤波器 由电阻、电容、电感组成 的滤波器。 缺点：体积大 有源滤波器 由运算放大器、电阻、电容组成的滤波器。 优点：不需电感，体积小， 频率特

14、性好,一阶有源滤波电路 （无电压放大功能,具有放大能力的一阶有源滤波电路,一阶有源滤波电路（有电压放大功能,电路的电压放大倍数,令 得电压放大倍数为,当 时，得通频带内的放大倍数为,当 时， ，其幅值将衰减至通 频带内的幅值的0.707倍,一阶有源滤波电路的滤波效果并不好，实际应用中往往 采用高阶滤波器,二、比较器,电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性,a）单限电压比较器电路,b）单限电压比较器传输特性,过零比较器原理图,过零比较器的输入输出特性,当输入电压为正弦波时，运放的同相

15、输入端的电位为零，也就是输入信号和零电位比较，当输入信号是正弦波的正半周时，运算放大器的输出电压为负的最大值；当输入信号为正弦波的负半周时，运算放大器的 输出电压为正的最大值。这样过零比较器将正弦波变成了方波，实现了波形转换,第五节 直流稳压电源,将50 Hz/220 V的交流电 ,转换成稳压的直流电源需要经过电压变换、整流变换、滤波和稳压等环节,一、整 流 电 路,一）单相半波整流电路,整流电路将交流电变换成单方向的直流电,3）二极管承受的最高反向峰值电压,主要参数,1）输出电压平均值,上面级数中的直流分量就是输出电压平均值,2）输出电流平均值,4）输出电压脉动系数,由前面的级数展开式可知，

16、除了直流分量外，还有不同 频率的谐波分量。 定义：基波峰值和输出电压平均值之比称为输出电压的脉动 系数,越小，表明输出电压的脉动小，整流电路性能越好,单相桥式整流电路,u,电路结构,正半周波形,二）其它整流电路,二、滤波电路,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。 滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的,电容滤波器,u uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电， uC 增加，uo= uC,u uC时，二极管截止，电容通过负载RL 放

17、电，uC按指数规律下降， uo= uC,二极管承受的最高反向电压为,uo,t,O,电容滤波电路的特点,T 电源电压的周期,1) 输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间 常数RLC有关,RLC 越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo 越大，波形越平滑,近似估算取： Uo = 1. 2 U ( 桥式、全波） Uo = 1. 0 U （半波,当负载RL 开路时，UO,为了得到比较平直的输出电压,2) 外特性,采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。 因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合,3) 流过二极管的瞬时电流很大,选管时一般取： IOM

18、 =2 ID,RLC 越大 O 越高，IO 越大 整流二极管导通时间越短 iD 的峰值电流越大,三、串联反馈式稳压电路,串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成,调整元件,比较 放大,基准 电压,取样 电路,当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO 升高时，有如下稳压过程,UO,Uf,UB,UO,IC,UCE,由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路,四、三端集成稳压器,1. 三端固定输出线性集成稳压器,三端固定输出线性集成稳压器有78XX（正输出）和79XX（负输出）系列,2. 三端可调线性集成稳压器,三端可调正输出集成稳压器系列有LM117（军用）、 LM217（工业用）、 LM317