运算放大器的分类原理及应用PPT学习教案

1、会计学1 运算放大器的分类原理及应用运算放大器的分类原理及应用 1、集成运算放大器的转移特性集成运算放大器的转移特性: u- u+ uo uo u- - u+ 0 线性工作范围 正饱和 负饱和 输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅 十几毫伏），所以常将特性理想化十几毫伏），所以常将特性理想化 2、运放线性工作的保障、运放线性工作的保障: 两输入端的两输入端的电压电压必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。 运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路

2、运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志标志。 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用 第1页/共31页 线性应用运放电路的一般分析方法线性应用运放电路的一般分析方法 求输出电压的方法可分步骤进行：求输出电压的方法可分步骤进行： 1、利用、利用i+=0，由电路求出同相输入端电压，由电路求出同相输入端电压u+ ； 2、利用、利用u+=u- -，确定反相输入端电压，确定反相输入端电压u- -=u+ ； 3、利用已知电压、利用已知电压u- -，由，由A电路求出电流电路求出电流i1 ； 4、利用、利用i- -=0，求出电流，求出电流 if =i1 ； 5、由电路、由电路F的特性

3、和的特性和u- -确定输出电压：确定输出电压：uo=u- - -F(if ) ； 6*、检验输出电压是否在线性范围内。、检验输出电压是否在线性范围内。 第2页/共31页 一、理想运放模型：一、理想运放模型： 理想运放具有如下性能：理想运放具有如下性能： 1、开环电压增益、开环电压增益AUd ; 2、输入电阻、输入电阻Rid ; 3、输出电阻、输出电阻Ro=0; 4、频带宽度、频带宽度BW ; 5、共模抑制比、共模抑制比CMRR ; 6、失调、漂移和内部噪声为零、失调、漂移和内部噪声为零 ; 对功能电路非常重要对功能电路非常重要 运放的主要特点运放的主要特点 根据以上特点推出理想运放线性应用时的

4、重要特性根据以上特点推出理想运放线性应用时的重要特性 第3页/共31页 二、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征：二、线性应用情况下理想运算放大器具有如下特征： 1、u+=u- -( (虚短虚短) ) 2、 i+=i- -=0 ( (虚断虚断) ) 3、输出端呈电压源特性：、输出端呈电压源特性： 同相和反向输入端电流近似为零；同相和反向输入端电流近似为零； 两输入端电压近似相等；两输入端电压近似相等； Ui=U+=U-= Uo / AU Ui= Uo / AU 0 ; Ui= Ii Ri 0 ; Ii 0 ; Uo U- U+ I+ I- AU(U+-U- ) + - 第4页/共31页 反

5、相比例运算反相比例运算 同相比例运算同相比例运算 一、比例运算电路一、比例运算电路 三、积分微分电路三、积分微分电路四、对数指数电路四、对数指数电路 基本反相积分基本反相积分 基本反相微分基本反相微分 对数电路对数电路 二、加、减法运算电路二、加、减法运算电路 反相加法运算反相加法运算 同相加法运算同相加法运算 减法运算减法运算 第二节 基本运算电路 指数电路指数电路 第5页/共31页 Ui R1 Rp Rf Uo I1 If (1)、I+=0 U+0V (2)、U- -=U+=0V(虚地虚地) (3)、I1=Ui /R1 (4)、I- -=0，If =I1= Ui /R1 (5)、 i f

6、ffo U R R IRUU 1 Rp=R1/Rf 1.电路电路 2.分析分析 3.构成要求构成要求 （R +=R - -） （一）、反相比例运算电路（一）、反相比例运算电路 结论：结论：(1).闭环增益闭环增益AUf只取决于只取决于Rf和和R1 ； (2).负号表示负号表示Ui与与Uo反相；反相； i f i o Uf U R R U U A 1 第6页/共31页 Ui R1 Rf Uo I1 If R2 R2=R1/Rf (1)、I+=0 (2)、 (3)、 (4)、I- -=0，If =I1 ( 5)、 i f o U R R U)1( 1 i UU i UUU 11 1 R U R U

7、 I i 1.电路电路 3.构成要求构成要求 2.分析分析 （R +=R - -） 1 1 R R U U A f i o Uf 结论：闭环增益结论：闭环增益AUf只取决于只取决于Rf和和R1 ； 而与运放本身无关。而与运放本身无关。 第7页/共31页 电路：电路： Ui Rf =0 Uo R1 = R2 当当 Rf =0 ; R1 = 时：上式中的电压增益为：时：上式中的电压增益为： 1 i o Uf U U Aio UU即： 是一个理想的电压跟随器。是一个理想的电压跟随器。 第8页/共31页 （一）、（一）、 反相加法电路反相加法电路 在反相比例电路的基础上加一输入支路，构成反相加法电路。

8、在反相比例电路的基础上加一输入支路，构成反相加法电路。 两输入电压产生的电流都流向两输入电压产生的电流都流向R Rf f 。所以输出是两输入信号的比例和。所以输出是两输入信号的比例和。 )( )( )( i2 2 f i1 1 f f 2 i2 1 i1 f2ii1o U R R U R R R R U R U RIIU 相之和。时，输出等于两输入反当 f21 RRR 图图07.01 反相求和运算电路反相求和运算电路 Rp )( i2i1o UUU 第9页/共31页 （二）（二） 同相加法电路同相加法电路 在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支 路

9、，就构成了同相输入求和电路，如图所示。路，就构成了同相输入求和电路，如图所示。 图图07.02 同相加法电路同相加法电路 因运放具有虚断的因运放具有虚断的 特性；特性； 对运放同相输入端对运放同相输入端 的电位可用叠加原理的电位可用叠加原理 。 求得：求得： 第10页/共31页 ; o fs s P U RR R UU n III 21 :因 0 2 2 1 1 n PnPP R UU R UU R UU o fs s P nn n U RR R K U RRRR U R U R U 1 ) 111 ( 212 2 1 1 n R KRRR n ;: 21 设 )()1 ( 1 )(1 ( 2

10、1 2 2 1 1 n s f n n s f o UUU R R nR U R U R U R R KU 结论：结论：(1).同相加法器的输出电压与输入电压同相加法器的输出电压与输入电压U1 Un之和成正比。之和成正比。 (2).缺点：调节某一支路的缺点：调节某一支路的Rn会影响比例放大倍数会影响比例放大倍数 。 (3).优点：输入阻抗高。优点：输入阻抗高。 第11页/共31页 二、二、 减法电路减法电路 减法器为同、反相放大器的组合，利用叠加原理求解：减法器为同、反相放大器的组合，利用叠加原理求解： 图图07.02 减法电路减法电路 1.只考虑只考虑U1作用时：作用时： 1 1 1 U R

11、 R U f o 2.只考虑只考虑U2作用时：同相端输入电压为：作用时：同相端输入电压为： 2 32 3 U RR R U p P 2 32 3 1 2 )1 (U RR R R R U f o 1 1 2 32 3 1 212 )1 (U R R U RR R R R UUU ff ooo 第12页/共31页 1 1 2 32 3 1 212 )1 (U R R U RR R R R UUU ff ooo 3.总输出电压为：总输出电压为： )( 12 1 UU R R U f o 上式可简化为： ;: 321f RRRR若取电阻 第13页/共31页 三、三、 积分电路积分电路 积分运算电路的

12、分析方法与加法电路类似，反相积分运算电路的分析方法与加法电路类似，反相 积分运算电路如图所示：积分运算电路如图所示： 图图12.05 12.05 积分运算电路积分运算电路 i(t)= if (t) i(t)= ui (t)/R 1.利用运放虚地的概念：利用运放虚地的概念： 2.电容两端的电压：电容两端的电压： ttu RC tti C tutu d )( 1 d )( 1 )()( i foc 第14页/共31页 四、四、 微分电路微分电路 微分运算电路如图所示微分运算电路如图所示: : 图图 07.07 微分电路微分电路t tu CR RiRtitu f f d )(d )()( : i c

13、fo 显然 反映了输入输出的反映了输入输出的微分关系。 t tu Cti titi dt tdu Cti i d )(d )( )()( ; )( )( i f fc c 第15页/共31页 五、五、 对数电路对数电路 图图 07.09 对数运算电路对数运算电路 对数运算电路见图对数运算电路见图12.08。 s i T s d To T d sd dR do lnln exp RI U U I i UU U U Ii ii UU 图中二极管可用三图中二极管可用三 极管发射接代替。极管发射接代替。 第16页/共31页 六、六、 指数运算电路指数运算电路 指数运算电路如图指数运算电路如图07.10

14、07.10所示。所示。 T i1 s T i s dfo ln exp U U IR U U IR RiRiU f f ff 指数运算电路相当反对数运算电路。指数运算电路相当反对数运算电路。 图图 07.10 07.10 指数运算电路指数运算电路 图中二极管可用三图中二极管可用三 极管发射接代替。极管发射接代替。 第17页/共31页 比较器是将一个模拟电比较器是将一个模拟电 压信号与一个基准电压相压信号与一个基准电压相 比较的电路。比较的电路。 常用的幅度比较电路常用的幅度比较电路 有电压幅度比较器、窗口有电压幅度比较器、窗口 比较器，具有迟滞特性的比较器，具有迟滞特性的 比较器。这些比较器的

15、阈比较器。这些比较器的阈 值是固定的，有的只有一值是固定的，有的只有一 个阈值，有的具有两个阈个阈值，有的具有两个阈 值。值。 第18页/共31页 一、 单门限比较器单门限比较器 (1)过零比较器和单门限电压比较器 过零电压比较过零电压比较 器是典型的幅器是典型的幅 度比较电路。度比较电路。 其电路图和传其电路图和传 输特性曲线如输特性曲线如 图所示。图所示。 (a) (b) 图07.01 过零电压比较器 (a)电路图(b)传输特性曲线 只有一个门限的只有一个门限的 比较器比较器 第19页/共31页 将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个 电压

16、值电压值VREF 上上 , 就得到单门限比较器。就得到单门限比较器。 电路图和传输特性曲线如图所示。电路图和传输特性曲线如图所示。 图图07.02 固定电压比较器固定电压比较器 (a)电路图电路图(b)传输特性曲线传输特性曲线 第20页/共31页 (2)(2)比较器的基本特点比较器的基本特点 第21页/共31页 二、迟滞比较器二、迟滞比较器 om 2 2 2 REF 1 U RR R RR UR U ff f om 2 2 2 REF 2 U RR R RR UR U ff f U 称为称为上限阈值上限阈值(触发触发)电平电平。 由输出引一电阻分压支路到同相端，电路如图所示。由输出引一电阻分压

17、支路到同相端，电路如图所示。 当输入电压当输入电压Ui从零逐渐增大：从零逐渐增大： 时；当 UUi. 1 omo UU 此时触发电平变为此时触发电平变为U 2 ， U 2 称为称为下限阈值下限阈值(触发触发)电平电平。 omo UUUU时：当 i . 2 图图07.03(a)滞回比较滞回比较 器电路图器电路图 第22页/共31页 当当 Ui逐渐减小，且逐渐减小，且Ui = U 2 以前，以前， 始终等于始终等于Uom- ，因此出现如图所示的迟滞特性曲线。，因此出现如图所示的迟滞特性曲线。 门限宽度门限宽度 U ： omom 2 2 21 UU RR R UUU f 图图07.03滞回比较电路滞

18、回比较电路 的传输特性的传输特性 第23页/共31页 一、 方波发生电路 二、 三角波发生电路 三、脉冲波 锯齿波发生电路 第四节、第四节、 波形发生器 第24页/共31页 一、一、 方波发生电路方波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构 成的，电路如图14.07所示。 (1)(1)工作原工作原 理理 电源刚接通时, 设 21 Z2 P ZoC , 0 RR VR V Vvv 所以 电容C充电， 升高。参 阅图07.08。 C v 图图07.07 方波发生器方波发生器 第25页/共31页 当 时， ，所以 电容C放电， 下降。 PNc VVv Zo Vv 21 Z2 P RR VR V C v 当 ， 时，返回初态。 PNc VVv Zo Vv 方波周期用过渡过程 公式可以方便地求出 ) 2 1ln(2 1 2 f R R CRT 图14.08 方波发生器波形图 第26页/共31页 (2)(2)占空比可调的矩形波电路占空比可调的矩形波电路 显然为了改变输出方波的占空比，应改变电容器 C的充电和放电时 间常数。占空比可调 的矩形波电路见图14.09。 C充电时，充电电流经 电位器的上半部、二极 管D1、Rf； C放电时，放电电 流经Rf、二极管D2、电 位