七章集成运算放大电路及其应用ppt课件

1、 第一节第一节 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 一、集成运算放大电路：一、集成运算放大电路： 多用于各种模拟信号的运算。多用于各种模拟信号的运算。 1 1、集成运算放大电路的构造特点、集成运算放大电路的构造特点 2 2、集成运放电路的组成及其各部分的作用、集成运放电路的组成及其各部分的作用 1.1.差模开环放大倍数：差模开环放大倍数：AOdAOd2.2.共模抑制比：共模抑制比：KCMRKCMR3.3.差模输入电阻：差模输入电阻：RIdRId4.4.输入偏置电流：输入偏置电流：IIBIIB5.5.3dB3dB带宽带宽: fH: fH6.6.输入失调电压及其温漂：输入失调电压及其温漂：U

2、IO, UIO, dUIO/dTdUIO/dT7.7.输入失调电压及其温漂：输入失调电压及其温漂：IIO , IIO , dIIO/dTdIIO/dT1.1.开环差模放大倍数：开环差模放大倍数：AOd AOd 2.2.差模输入电阻：差模输入电阻：Rid Rid 3.3.输出电阻：输出电阻：R0 0R0 04.4.共模抑制比：共模抑制比：KCMR KCMR 5.5.3dB3dB带宽带宽: fBW: fBWfH fH 4.4.输入偏置电流：输入偏置电流：IIB 0IIB 06.6.输入失调电压及其温漂：输入失调电压及其温漂：UIO, dUIO/dT 0UIO, dUIO/dT 07.7.输入失调电

3、压及其温漂：输入失调电压及其温漂：IIO, dIIO/dT 0IIO, dIIO/dT 0U0 = f(UP-UN)U0 = f(UP-UN) 线性放大区：线性放大区： 曲线的斜率为电压放大倍数曲线的斜率为电压放大倍数 非线性放大区：非线性放大区： 输出电压只需两种能够，输出电压只需两种能够，UOMUOM和和-UOM-UOM1.1.当运放任务在线性放大区时：引入深度负反响当运放任务在线性放大区时：引入深度负反响集成运放的差模开环放大倍数集成运放的差模开环放大倍数AOdAOd有：有： 其中其中AOdAOd非常高非常高 140dB 140dB 因此有：因此有：UP-UNUP-UN0 0 或或 UP

4、 UPUN UN “虚短虚短又由于：又由于：那么：那么： “虚断虚断 IIUiRidU0 = AOd(UP-UN)U0 = AOd(UP-UN)0II1.1.当运放任务在非线性放大区时：当运放任务在非线性放大区时： 开环或者引入正反响开环或者引入正反响集成运放的差模开环放大倍数集成运放的差模开环放大倍数AOd AOd 那么两个输入端那么两个输入端只需有无穷小的输入差值电压，输出电压就可以到达最大值只需有无穷小的输入差值电压，输出电压就可以到达最大值或最小值，即输出电压与输入电压不再是线性关系，此时的或最小值，即输出电压与输入电压不再是线性关系，此时的电压传输关系为：电压传输关系为：由此时的电压

5、传输关系可以看出由此时的电压传输关系可以看出 (1) (1)当：当：UPUPUNUN时，时， UO = +UOM UO = +UOM 当：当：UPUPUNUN时时, UO = -UOM, UO = -UOM (2) (2)又由于又由于 那么：那么： “虚断虚断IIUiRid0II图图5-1 反相比例运算电路反相比例运算电路1.1.反相比例运算：反相比例运算： 由于：由于：U+ = U-U+ = U- I+ = I- I+ = I- = 0= 0 所以反相输入端所以反相输入端U-U-为为“虚地点，且输虚地点，且输入电流入电流I- = 0I- = 0，故，故: : Ii = IfIi = If i

6、foVRRV11RRAff2.2.同相比例运算：同相比例运算： 由于：由于：U+ = U-U+ = U- I+ = I- = 0 I+ = I- = 0由于反相输入端不由于反相输入端不再为再为“虚地点，且虚地点，且输入电流输入电流Ii=0Ii=0，故，故: : IR = If IR = If 即：即： ifoVRRV)1 (1)1 (1RRAff又称为：电压跟随器！又称为：电压跟随器！ 如图如图5-25-2所示。所示。由于：由于：U+ = U-U+ = U- I+ = I- = 0 I+ = I- = 0所以反相输入端所以反相输入端U-U-为为“虚地点，虚地点，且输入电流且输入电流I- = 0

7、I- = 0，反相加法运算，反相加法运算电路的函数关系式为：电路的函数关系式为： 假设取假设取R1=R2=RR1=R2=R，那么有，那么有: : 2211ififoURRURRU)(211iifoUURRU图图5-2 反相加法运算原理图反相加法运算原理图 运算中，调理某一路信号的输入电阻运算中，调理某一路信号的输入电阻时，不会影响其他输入电压与输出电时，不会影响其他输入电压与输出电压的比例关系，因此调理方便。压的比例关系，因此调理方便。4.4.减法运算电路：减法运算电路：如图如图6-36-3所示：所示：实践运用中，要求实践运用中，要求R1=R2,R3=RfR1=R2,R3=Rf，且须，且须严厉

8、配对，这有利于严厉配对，这有利于提高放大器的共模抑提高放大器的共模抑制比及减小失调。制比及减小失调。 运算关系为：运算关系为：100K)(121iifoUURRU 图图5-3 减法运算原理图减法运算原理图5.5.积分运算电路积分运算电路如图如图6-46-4所示：所示：由于：由于：U+ = U-U+ = U- I+ = I- = 0 I+ = I- = 0所以反相输入端所以反相输入端U-U-为为“虚地虚地点，且输入电流点，且输入电流I-= 0I-= 0，积分运算电路的运算关系式积分运算电路的运算关系式为：为： 积分运算电路积分运算电路dtURCdtURCdtURCUtiitio00111tiod

9、tURCU01设设 UC(0) = UC(0) = O O那么那么dtURCUio01微分运算电路：微分运算电路： 由于：由于：U+ = U-U+ = U- I+ = I- = 0 I+ = I- = 0 所以反相输入端所以反相输入端U-U-为为“虚地点，且输入电流虚地点，且输入电流I- = 0I- = 0， 积分运算电路的运算关系式为：积分运算电路的运算关系式为： 在一些实践的电子系统中，它的输入信号在一些实践的电子系统中，它的输入信号往入因受干扰等缘由而含有一些不用要的成往入因受干扰等缘由而含有一些不用要的成分，我们就该当设法将它衰减到足够小的程分，我们就该当设法将它衰减到足够小的程度；而

10、在另一些场所，有用信号将与别的信度；而在另一些场所，有用信号将与别的信号混在一同，我们就应设法把有用信号选择号混在一同，我们就应设法把有用信号选择出来。而处理这些问题的有效措施就是采用出来。而处理这些问题的有效措施就是采用有源滤波电路。有源滤波电路。1 1滤波电路：即对任务信号的频率具有选择性的滤波电路：即对任务信号的频率具有选择性的电路。其根本功能是：让特定频率范围内的信号电路。其根本功能是：让特定频率范围内的信号顺利经过，而阻止其它频率信号经过。也就是对顺利经过，而阻止其它频率信号经过。也就是对其它频度信号要起衰减作用。其它频度信号要起衰减作用。 比如：我们前面讲到的低通电路，高通电路等。

11、比如：我们前面讲到的低通电路，高通电路等。2 2滤波器分类滤波器分类 a. a. 按信号类型分：模拟滤波器和数字滤波器。按信号类型分：模拟滤波器和数字滤波器。 b. b. 按照滤波器电路的任务频带来分：按照滤波器电路的任务频带来分：低通滤波器低通滤波器LPFLPF ：频率低于截止频率：频率低于截止频率fpfp的信号的信号经过，高于经过，高于fpfp的那么被衰减；的那么被衰减；高通滤波器高通滤波器HPFHPF ：频率高于截止频率：频率高于截止频率fpfp的信号的信号经过，低于经过，低于fpfp的那么被衰减；的那么被衰减；带通滤波器带通滤波器BPFBPF ：频带范围在：频带范围在fp1fp1和和f

12、p2fp2之间的之间的信号经过，其他被衰减；信号经过，其他被衰减；带阻滤波器带阻滤波器BEFBEF：频带范围在：频带范围在fp1fp1和和fp2fp2之间的之间的信号被衰减，其他可以经过。信号被衰减，其他可以经过。 带通滤波器常用于载波通讯或弱信号提取等场带通滤波器常用于载波通讯或弱信号提取等场所，以提高信噪比，带阻滤波器那么用于知干扰所，以提高信噪比，带阻滤波器那么用于知干扰或噪声频率的情况下，阻止其经过。或噪声频率的情况下，阻止其经过。全通滤波器全通滤波器APFAPF：对于频率从：对于频率从0 0到到的信号具有的信号具有同样的放大倍数数，但对不同频率的信号将产生同样的放大倍数数，但对不同频

13、率的信号将产生不同的相移。不同的相移。c. c. 按电路构成中能否有有源器件来分：按电路构成中能否有有源器件来分： 无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器d. d. 按任务信号来分：按任务信号来分： 模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器e. e. 按截止频率按截止频率fpfp附近的幅度特性和相频特性附近的幅度特性和相频特性的不同，滤波电路又分为的不同，滤波电路又分为: : 巴特沃斯巴特沃斯ButterworthButterworth滤波器滤波器 切比雪夫切比雪夫chebyshevchebyshev滤波器滤波器 贝贝 塞塞 尔尔BesselBessel滤波器等。滤波器等。 通带：允

14、许经过的频段称为通带，通带：允许经过的频段称为通带， 阻带：将信号衰减到零的频段为阻带，阻带：将信号衰减到零的频段为阻带， 过渡带：过渡带：AvpAvp在通带和阻带之间存在过渡带。在通带和阻带之间存在过渡带。 AvpAvp：通带放大倍数，等于通带内输出电压与输入：通带放大倍数，等于通带内输出电压与输入电压之比；电压之比； fpfp： 通带截止频率：使通带截止频率：使 的频率；的频率； 显然，过渡带越窄，电路的选择性越好，滤波特性显然，过渡带越窄，电路的选择性越好，滤波特性越理想。越理想。|707. 0|AvpAv 分析滤波电路，就是求解出电路频率特分析滤波电路，就是求解出电路频率特性，这意味要

15、解出性，这意味要解出AvpAvp、fpfp和过渡带的斜率。和过渡带的斜率。 无源滤波电路：仅由无源元件电阻、电容、电感组成，无源滤波电路：仅由无源元件电阻、电容、电感组成，那么称为无源滤波器。那么称为无源滤波器。 有源滤波电路：电路中不仅由无源元件，还有有源元件有源滤波电路：电路中不仅由无源元件，还有有源元件晶体管、场效应管、集成运放组成，称为有源滤波器。晶体管、场效应管、集成运放组成，称为有源滤波器。从无源低通滤波器看：从无源低通滤波器看： 在频率呼应分析中，我们已推出无源低通滤波器的一些目在频率呼应分析中，我们已推出无源低通滤波器的一些目的，如：通带放大倍数的，如：通带放大倍数AvpAvp

16、对低通，指对低通，指f=0f=0时的电压放大倍时的电压放大倍数数有负载时：有负载时：fpfjpvAfpfjvA111LLioRRRvvpvAcRRjwRRRjwcRRjwcRvvAvLLLLLio)/(11/1/cRRpfL)/(21fpfjpvAvvvAio11iovvAvpRcfp2121 加上负载后，通带放大倍数加上负载后，通带放大倍数|Avp|Avp|，通，通带截止频率带截止频率fpfp，也就是说，无源滤波电路，也就是说，无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这是不符我们处置信号要求的。化，这是不符我们处置信号要求的。 为改善无源滤

17、波电路的这一缺陷，我们引为改善无源滤波电路的这一缺陷，我们引入有源滤波器。入有源滤波器。 为改善无源滤波器的负载对滤波特性的影为改善无源滤波器的负载对滤波特性的影响，采取的措施是：响，采取的措施是： 在无源滤波电路和负载之间加一个高输入在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻，低输出电阻的隔离电路，最简单的方电阻，低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，这样即构成有源滤法是加一个电压跟随器，这样即构成有源滤波电路，如图：波电路，如图：fpfjAvpjwRcVVVVvAii1110阐明：在集成运放阐明：在集成运放功耗允许的情况下，功耗允许的情况下，负载发生变化时，负载发生变化时，U

18、oUo总是随差总是随差UPUP变，变，放大倍数的表达式放大倍数的表达式不变，频率特性也不变，频率特性也不变。即负载不影不变。即负载不影响滤波特性。响滤波特性。E 有源滤波电路普通由有源滤波电路普通由RCRC网络和集成运放组成，因此网络和集成运放组成，因此必需在适宜直流电源作用下才干正常任务；必需在适宜直流电源作用下才干正常任务；E 不用电感，故体积小，分量轻，不需加磁屏蔽；不用电感，故体积小，分量轻，不需加磁屏蔽；E 可加电压串联负反响，使可加电压串联负反响，使RiRi高、高、RoRo低，在输入与输低，在输入与输出之间有良好的隔离性。出之间有良好的隔离性。E 除能滤波外，还能将信号放大，而且除

19、能滤波外，还能将信号放大，而且AUAU易调理。易调理。E 不适宜高电压大电流的负载，只适用于信号处置。不适宜高电压大电流的负载，只适用于信号处置。E 不适宜高频范围，普通运用频率在几十不适宜高频范围，普通运用频率在几十KHzKHz以下。以下。1 1、一阶低通：、一阶低通： 对低通，对低通，AvpAvp指指f = 0f = 0时的电压放大倍数。时的电压放大倍数。 电路构成：电路构成：2 2、二阶低通滤波器：、二阶低通滤波器： 由于一阶电路的过渡带宽，幅频特性最大衰减率由于一阶电路的过渡带宽，幅频特性最大衰减率仅为仅为-20dB/-20dB/十倍频。故可在一阶电路根底上添加十倍频。故可在一阶电路根底上添加RCRC环节，来增大衰减斜率。如图：环节，来增大衰减斜率。如图：压控电压源滤波电路：压控电压源滤波电路： 由于该电路中同相输入电位控制由集成运放和由于该电路中同相输入电位控制由集成运放和