1、第11章 运算放大器,11.1 运算放大器的简单介绍,11.2 放大电路中的负反馈,11.3 运算放大器在信号运算方面的应用,11.4 运算放大器在信号处理方面的应用,11.5 运算放大器在波形方面的应用,11.7 使用运算放大器应注意的几个问题,11.6 集成功率放大器,11.1 运算放大器的简单介绍,将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。,优点:,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小、价格便宜。,分类:,模拟集成电路、数字集成电路,小、中、大、超大规模集成电路即SSI,MSI,LSI,VLSI., ,集成电路:,返回,11.1.1 集成运算放大器的特点,1、难于制造电感元件,制造
2、大于200F的电容也比较困难所以,运算放大器各级之间都采用直接耦合。,2、输入级都采用差动放大电路,电路元件制作在一个芯片上,元件参数偏差方向一致,温度均一性好。,3、电阻元件由硅半导体构成,范围在几十到20千欧,精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,4、二极管一般用三极管的发射极、基极、集电极三者适当组配使用。,返回,11.1.2 电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,-UEE,+UCC,u,uo,u,反相端,同相端,基本原理框图,返回,uo,与uo反相,与uo同相,返回,要求:,输入级,尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大。,返回,中间级,足够大的
3、电压放大倍数,返回,输出级,主要提高带负载能力,给出足够的输出电流io ,输出阻抗 ro小。,返回,11.1.3 主要参数,1.最大输出电压UOPP,能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压,2.开环电压放大倍数Auo,在没有外界反馈电路时所测出的电压放大倍数。Auo越高, 所构成的运算电路越稳定,运算精度也越高。Auo一般约为 104107。,3.输入失调电压UIO,当输入电压为零时,uo不等于零。反过来说,如果要使uo等于零 必须在输入端加一个很小的补偿电压UIO,它就是输入失调电压。 一般为几毫伏。,返回,4.输入失调电流IIO,输入信号为零时,两个输入端静态基极电流之差,即
4、IIO=IB1-IB2。IIO一般在零点零几毫安,其值与小 愈好。,5.输入偏置电流IIB,输入信号为零时,两个输入端静态基极电流的平均值,即 IIB=(IB1+IB2)。它的大小主要和电路中的第一级管子 的性能有关,这个电流愈小愈好,一般为零点几毫安级。,6.共模输入电压范围UIM,运算放大器对共模信号具有抑制的性能,但这个性能是在 规定的共模电压范围内才具备的。如超出这个电压,运算 放大器的共模性能就达为下降,甚至造成器件损坏。,返回,ri 高:几十k 几百k,运放的特点:,KCMRR很大,ro 小:几十 几百,A uo 很大:104以上 107,运放的特点,返回,11.1.4 理想运算放
5、大器及其分析依据,差模输入电阻 rid ,1.理想化的主要条件:,开环电压放大倍数Auo ,开环输出电阻ro 0,共模抑制比KCMRR,2.运放符号:,返回,+Uo(sat),Ao越大,运放的线性范围越小,必须加负反馈才能使其工作于线性区。,3.运算放的器的传输特性,uo=Auo(u-u+),线性区,-Uo(sat),u+-u-,理想特性,实际特性,返回,运算放大器工作在线性区时,分析依据:,(1)由于运算放大器的差模输入电阻rid , 可认为两个输入端的输入电流为零。即:,(2)由于运算放大器的开环电压放大倍数Auo 而输出电压是一个有限的数值,即:,uo=Auo(u+-u-),虚短路,返回
6、,运算放大器工作在饱和区时,分析依据:,当u+u-时, uo=+Uo(sat);,当u+u-时, uo=-Uo(sat);,返回,凡是将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部引回到输入端,与输入信号迭加,就称为反馈。,若引回的信号削弱了输入信号,就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号,就称为正反馈。,这里所说的信号一般是指交流信号,所以判断正负反馈,就要判断反馈信号与输入信号的相位关系。,11.2.1负反馈的概念,11.2 放大电路中的负反馈,返回,反馈框图:,返回,反馈电路的三个环节:,放大:,反馈:,迭加:,反馈框图,若三者同相,则,Xd=Xi-Xf,即为负反馈,返回,判断负反
7、馈的方法:,瞬时极性法:,设接“地”参考点的电位为零,在某点对“地”电压(即电位)的正半周,该点交流电位的瞬时极性为正;在负半周则为负。,返回,1并联电压负反馈,ri不高, ro低,+,11.2.2负反馈的类型,返回,2 串联电压负反馈,uo,+,+,返回,3 串联电流负反馈,+,+,返回,4并联电流负反馈,ifi1,i1if,返回,小结,从负载电阻RL的靠近“地”端引出的,是电流反馈。,2.输入端,3.反馈信号是净输入量减小的,是负反馈。,反馈电路直接从输出端引出的,是电压反馈。,1.输出端,输入信号和反馈信号分别加在两个输入端 (同相和反相)上的,是串联反馈。,加在同一个输入端的(同相或反
8、相)上的, 是并联反馈,返回,11.3 运算放大器在信号运算方面的应用,1 反相输入,i1if,11.3.1 比例运算,根据线性区的两条依据:,解:,返回,反馈方式:,电压并联负反馈,输出电阻很小!,RP=R1/RF,返回,2. 同相输入,u- u+= ui,电压串联负反馈输入电阻高,输出电阻低。,i1if,返回,举例: 电压跟随器,此电路是电压并联负反馈,输入电阻大,输出电阻小,在电路中作用与分离元件的射极输出器相同,但是电压跟随性能好。,返回,11.3.2 加法运算:,当R11=R12=R13=R1 时,,uo=-(ui1+ui2+ui3),返回,11.3.3 减法运算,解出:,当R1=R
9、2,R3=RF时,当R1=RF时,返回,11.3.4 微分运算:,u- u+= 0,返回,若输入:,则:,返回,应用举例:,11.3.5积分运算:,1、输入方波,输出是三角波。,返回,2、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饱和。,U,积分时限,返回,思考,如果输入是正弦波,输出波形怎样,请自己计算。运放实验中请自己验证。,返回,11.4运算放大器在信号处理方面的应用,滤波电路的种类:,低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器,返回,一阶低通滤波器,返回,传递函数:,幅频特性,相频特性,返回,按频率特性进行分类:,低通,高通,带通,带阻,返回,此电路的缺点:
10、,1、带负载能力差。,2、无放大作用。,3、特性不理想,边沿不陡。,截止频率处:,返回,将两级一阶低通滤波器串接,?,各级互相影响!,返回,1. 一阶有源低通滤波器,11.4.1 有源滤波器,返回,幅频特性:,相频特性:,返回,幅频特性曲线,为了改变滤波效果,使0时信号衰减的快 些,常将两节RC电路串接起来。称为两级有 源低通滤波器。,返回,二阶有源低通滤波器,返回,如何组成高通滤波器?,RC对调,返回,2.有源高频滤波器,返回,若频率为变量,则该电路的传递函数:,幅频特性,返回,11.4.2 电压比较器,传输特性,当uiUR时,uo=+Uo(sat),当uiUR时,uo=-Uo(sat),返
11、回,过零比较器,当UR=0时,即输入电压和零 电平比较,称为过零比较器,返回,例:利用电压比较器将正弦波变为方波。,返回,稳定输出电压,返回,电压比较器的另一种形式,返回,总结,1、电路简单。,2、当Ao不够大时,输出边沿不陡。,3、 容易引入干扰。,返回,Ao不够大时的情况,返回,迟滞比较器,分析:,1、因为有正反馈,所以输出饱和。,2、当uo正饱和时:,3、当uo负饱和时:,返回,传输特性,U+,U+,跳转后增大了U+-U- 加速跳转,小于回差的干扰不会引起跳转,返回,U+,U+“,输入正弦波的情况,返回,11.5 运算放大器在波形方面的应用,11.6 集成功率放大器,11.5 .1 RC
12、正弦波振荡电路,1 自激振荡,2 RC正弦波振荡电路,11.5 .2 矩形波发生器,返回,11.7 使用运算放大器应注意的几个问题,11.7.1 选用元件,集 成 运 算 放 大 器的分类,按技术指标分,通用型,高速型,低功耗型,大功率型,高精度型等,按内部电路分,双极型(有晶体管组成),单极型(有场效应管组成),按每一集成片中运算放大器的数目分,单运放,双运放,四运放,返回,选用元件原则,根据实际要求选用运算放大器。选好后,根据管脚图 和符号图连接外部电路,包括电源、外接偏置电阻、 外接消振电路及调零电路等。,返回,11.7.2 消振,11.7.3 调零,外接RC消振电路或消振电容,用它来破坏产生自激振荡的条件。,返回,11.7.4 保护,1.输入端保护,当输入端所加的差模或共模电压过高时会损坏 输入级的晶体管。,在输入端接入反相并联的二极管,将输入电压限制在二极管的正向压降以下。,返回,2.输出端保护,为了防止输出电压过大,可利用稳压管来保护。,RF,将两个稳压管反向串联,将输出电压限制(UZ+UD) 在的范围内。,返回,3.电源保护,为了防止正负电源接反,可用二极管保护,返回,11.7.5 扩大输出电流,返回,