電工學(xué)-第10章集成運(yùn)算放大器.ppt

1、1,第 10 章 集成運(yùn)算放大器,10.1 集成電路,10.2 集成運(yùn)算放大器的概述,10.3 反饋的基本概念,10.4 理想運(yùn)算放大器,10.5 基本運(yùn)算電路,10.6 電壓比較器,10.7 RC 正弦波振蕩電路,10.8 有源濾波器,下一章,上一章,返回主頁(yè),大連理工大學(xué)電氣工程系,2,10.1 集成電路,集成電路是20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來(lái)的固體組件。它是用微電子技術(shù)將元件、導(dǎo)線、電路集成 在一塊很小的半導(dǎo)體芯片上,集成電路的發(fā)展進(jìn)程： 1960 年：小規(guī)模集成電路 SSI。 1966 年：中規(guī)模集成電路 MSI。 1969 年：大規(guī)模集成電路 LSI 。 1975 年：超大規(guī)模集成

2、電路 VLSI,大連理工大學(xué)電氣工程系,3,集成電路分類 (1) 模擬電路 處理模擬信號(hào)的電路。 如集成功率放大器、集成運(yùn)算放大器等。 (2) 數(shù)字電路 處理數(shù)字信號(hào)的電路。 如集成門電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等,集成電路芯片,大連理工大學(xué)電氣工程系,4,特點(diǎn)： 輸入級(jí)采用差分放大電路，KCMR 和 ri 很高。 中間級(jí)采用多級(jí)共射電路，起電壓放大作用。 輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱放大電路和共集放大電路， ro 很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。 直接耦合的多級(jí)放大電路，電壓放大倍數(shù)很高。 體積小、重量輕、功耗低、可靠性高,10.2 集成運(yùn)算放大器的概述,一、集成運(yùn)算放大器的組成,輸入端,輸出端,集成運(yùn)算放大器

3、的組成,大連理工大學(xué)電氣工程系,5,集成運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)、引腳和外部接線圖,運(yùn)算放大器的符號(hào),同相輸入端,反相輸入端,輸出端,大連理工大學(xué)電氣工程系,6,uO= f(uD) 線性區(qū) uO = Ao uD = Ao ( uu) 飽和區(qū) 正飽和電壓： uO =UOMUCC 負(fù)飽和電壓： uO =UOMUEE,二、電壓傳輸特性,負(fù)飽和區(qū),正飽和區(qū),線性區(qū),電壓傳輸特性,大連理工大學(xué)電氣工程系,7,凈輸入 信號(hào) xD,比較環(huán)節(jié),開環(huán)放大倍數(shù),閉環(huán)放大倍數(shù),反饋系數(shù),10.3 反饋的基本概念,反饋示意圖,大連理工大學(xué)電氣工程系,8,一、反饋的分類 1. 正反饋和負(fù)反饋 正反饋: xF 與 xI 作用

4、相同, 使 xD 增加； 負(fù)反饋: xF 與 xI 作用相反, 使 xD 減小,2. 電流反饋和電壓反饋 電流反饋：反饋信號(hào)取自輸出電流，xF iO； 電壓反饋：反饋信號(hào)取自輸出電壓，xF uO,3. 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 串聯(lián)反饋: xF 與 xI 以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端； 并聯(lián)反饋: xF 與 xI 以并聯(lián)的形式作用于凈輸入端,大連理工大學(xué)電氣工程系,9,二、反饋的判斷 1. 正反饋和負(fù)反饋,判斷方法：瞬時(shí)極性法,uF,uD,正反饋,負(fù)反饋,大連理工大學(xué)電氣工程系,10,2. 電流反饋和電壓反饋,輸出端短路法: 令RL= 0，此時(shí) uO=0， 若 xF = 0 則為電壓反饋，否則為電流反

5、饋,輸出端開路法: 令RL=，此時(shí) iO=0， 若 xF = 0 則為電流反饋，否則為電壓反饋,uF,uD,判斷方法,電壓反饋,電流反饋,大連理工大學(xué)電氣工程系,11,3. 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋,串聯(lián)反饋在輸入端是以電壓的形式出現(xiàn)的； 并聯(lián)反饋在輸入端是以電流的形式出現(xiàn)的,判斷方法,并聯(lián)反饋,串聯(lián)反饋,大連理工大學(xué)電氣工程系,12,三、負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響,XD = XIXF,當(dāng)|F |Ao |1， 稱為深度負(fù)反饋, Af | | Ao ,反饋示意圖,大連理工大學(xué)電氣工程系,13,1. 提高了電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性,故電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了,1,若為深度負(fù)反饋, | F | Ao | 1

6、,大連理工大學(xué)電氣工程系,14,例 10.2.1 某放大電路的 | Ao | =1 000，由于某一原因, 使其變化率為 ，若電路的反饋系數(shù) | F | = 0.009，則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的變化率,2,解,大連理工大學(xué)電氣工程系,15,2. 加寬了通頻帶,未加入反饋后,加入反饋后,加寬通頻帶,大連理工大學(xué)電氣工程系,16,電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓。 電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流,4. 穩(wěn)定了輸出電壓或輸出電流,3. 改善非線性失真,無(wú)負(fù)反饋時(shí),有負(fù)反饋時(shí),改善非線性失真,大連理工大學(xué)電氣工程系,17,5. 改變了輸入電阻或輸出電阻 串聯(lián)反饋使輸入電阻增加。 并聯(lián)反饋使輸入電阻減小。 電壓負(fù)反饋使輸出電

7、阻減小。 電流負(fù)反饋使輸出電阻增加,大連理工大學(xué)電氣工程系,18,10.4 理想運(yùn)算放大器,一、理想運(yùn)放的主要條件 開環(huán)電壓放大倍數(shù)：Ao 開環(huán)輸入電阻：ri 開環(huán)輸出電阻：ro0 共模抑制比：KCMR,理想運(yùn)放的符號(hào),大連理工大學(xué)電氣工程系,19,二、理想運(yùn)放的特性,uO = UOMUCC,2) 當(dāng) uu時(shí)， 即 uD 0,uO =UOMUEE,1) 當(dāng) u u時(shí)， 即 uD 0,1. 工作在飽和區(qū)時(shí)的特點(diǎn) 不加反饋時(shí)，稍有 uD 即進(jìn)入飽和區(qū),理想運(yùn)算放大器 的電壓傳輸特性,大連理工大學(xué)電氣工程系,20,2. 工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn),1) Ao,0,u = u,2) ri,0,3) ro0,

8、uOL= uOC,故稱為虛短路,故稱為虛開路,即輸出電壓不受負(fù)載的影響,引入負(fù)反饋后的理想運(yùn)放,大連理工大學(xué)電氣工程系,21,10.5 基本運(yùn)算電路,一、比例運(yùn)算電路 1. 反相比例運(yùn)算電路,u= u= 0,iD = 0 i1 = iF,虛地,反相比例運(yùn)算電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,22,uO 與 uI 成反相比例； uO 的大小只與 R1 、 RF 的阻值和 uI 有關(guān)。 若 R1 = RF ，則 uO = uI 。 故稱為反相器。 R2為平衡電阻， R2 = R1RF,說(shuō)明,反相比例運(yùn)算電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,23,2. 同相比例運(yùn)算電路,Af,uO= RF iF R1 i1 uI

9、 = R1 i1 iF = i1,同相比例運(yùn)算電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,24,說(shuō)明,uO 與 uI 同相位，且 Af1； uO 的大小只與R1、RF 的阻值和 uI 有關(guān)。 若 RF = 0, R1 = , R2 = 0 時(shí),uO = uI 稱為電壓跟隨器 平衡電阻 R2 = R1RF,電壓跟隨器,同相比例運(yùn)算電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,25,例 10.5.1 應(yīng)用運(yùn)放來(lái)測(cè)量電阻的原理電路如圖所示， 其中 uI =U = 10V，輸出端接有滿量程為 5V 的電壓表，被 測(cè)電阻為Rx。(1) 試找出被測(cè)電阻的阻值Rx與電壓表讀數(shù)之 間的關(guān)系；(2)若使用的運(yùn)放為CF741型，為了擴(kuò)大測(cè)量電

10、阻 的范圍，將電壓表量程選為 50V是否有意義,解 (1,105 uO,大連理工大學(xué)電氣工程系,26,所以,2) 查附錄可知，CF741 型集成運(yùn)放的最大輸出電壓為 13 V，超出此值時(shí)輸入與輸出不再有線性關(guān)系， 所以，選用 50 V 量程的電壓表是沒(méi)有意義的,大連理工大學(xué)電氣工程系,27,二、加法運(yùn)算電路,u= u = 0,當(dāng) uI1 單獨(dú)作用時(shí),當(dāng) uI2 單獨(dú)作用時(shí),根據(jù)疊加定理: uO = uO1 uO2,加法運(yùn)算電路,虛地,大連理工大學(xué)電氣工程系,28,當(dāng) R11 = R12 = R1 時(shí)： 當(dāng) R11 = R12 = RF 時(shí)： uO=(uI1 + uI2) ， 平衡電阻： R2

11、= R11R12RF,說(shuō)明,加法運(yùn)算電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,29,三、減法運(yùn)算電路,當(dāng) uI1 單獨(dú)作用時(shí),當(dāng) uI2 單獨(dú)作用時(shí),根據(jù)疊加定理: uO = uO1 uO2,減法運(yùn)算電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,30,uO = uO1uO2,當(dāng) R1= RF 時(shí), uO= uI2 uI1 平衡電阻 R2R3= R1RF,說(shuō)明,減法運(yùn)算電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,31,例 10.5.2 如圖為兩級(jí)運(yùn)放組成的電路，已知 uI1 = 0.1 V，uI2 =0.2 V，uI3 =0.3 V，求 uO,第一級(jí)為加法運(yùn)算電路,解,第二級(jí)為減法運(yùn)算電路,0.3 V,0.6 V,大連理工大學(xué)電氣工程系

12、,32,四、微分運(yùn)算電路,u+ = u = 0 iF = iC,當(dāng) uI 為階躍電壓時(shí), uO 為尖脈沖電壓,說(shuō)明,平衡電阻 R2 = RF,微分運(yùn)算電路,虛地,波形,大連理工大學(xué)電氣工程系,33,五、積分運(yùn)算電路,u= u= 0 iI = iF,uO =uC,說(shuō)明,當(dāng) uI 為階躍電壓時(shí), uO隨時(shí)間線性積分到負(fù)飽 和值為止,平衡電阻 R2 = R1,積分運(yùn)算電路,波形,虛地,大連理工大學(xué)電氣工程系,34,10.6 電壓比較器,一、單限電壓比較器,電壓傳輸特性,uO,信號(hào)輸入方式,大連理工大學(xué)電氣工程系,35,零電壓比較器可以實(shí)現(xiàn)波形變換, 即可以 把正弦波變換為方波,當(dāng)UR =0 時(shí)，稱為

13、零電壓比較器,零電壓比較器,輸出波形,大連理工大學(xué)電氣工程系,36,例 10.6.1 如圖所示是利用運(yùn)放組成的過(guò)溫保護(hù)電路，R3 是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，溫度升高時(shí)，阻值變小，KA 是繼電器，要求該電路在溫度超過(guò)上限值時(shí)，繼電器動(dòng)作，自動(dòng)切斷加熱電源。試分析該電路的工作原理,解,從圖中可得,正常工作時(shí)， uIUR,uO =UOM,晶體管 T 截止， KA 線圈不通電, KA 不會(huì)動(dòng)作,大連理工大學(xué)電氣工程系,37,當(dāng)溫度超過(guò)上限值時(shí)， R3 的阻值下降； 根據(jù)公式 (1) 可知 uI 增加， 當(dāng) uI UR 時(shí),uO =UOM,晶體管 T 飽和導(dǎo)通， KA線圈通電, KA產(chǎn)生動(dòng)作， 切除加熱電

14、源， 實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù),大連理工大學(xué)電氣工程系,38,二、 滯回電壓比較器,當(dāng) uO= + UOM 時(shí),當(dāng) uO=UOM 時(shí),滯回電壓比較器,電壓傳輸特性,上限觸發(fā)電壓,下限觸發(fā)電壓,大連理工大學(xué)電氣工程系,39,U= UH UL,稱為滯回寬度,改變 R2 和 RF，可以改變 U、UL、UH,電壓傳輸特性,滯回電壓比較器,大連理工大學(xué)電氣工程系,40,三、 雙限電壓比較器,當(dāng) uIUL 時(shí),uO1=UOM uO2=UOM,當(dāng) uI UH 時(shí),uO1=UOM uO2=UOM,當(dāng) UHuIUL 時(shí),uO1 = UOM uO2 = UOM,雙限電壓比較器,電壓傳輸特性,大連理工大學(xué)電氣工程系,41,Ao

15、F =1,10.7 RC 正弦波振蕩電路,正弦波振蕩器原理電路,RC 正弦波振蕩器,反饋電路,同相比 例電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,42,1. 自勵(lì)振蕩的相位條件,即必須是正反饋,大連理工大學(xué)電氣工程系,43,振蕩頻率,F,改變 R、C 可以改變振蕩頻率,大連理工大學(xué)電氣工程系,44, Ao | = 3,2.自勵(lì)振蕩的幅度條件 反饋電壓與輸入電壓大小相等。 即 | Ao| F | = 1,F = 2R1,RC 正弦波振蕩器,大連理工大學(xué)電氣工程系,45,RC 正弦波振蕩器,再反饋Ui = Uf = |F |Uo 2,3.自勵(lì)振蕩的起振條件,振蕩電路的組成,接通電源 Uo1,反饋 Ui = U

16、f = | F |Uo1,放大 Uo2= | Ao | | F | Uo1,Uo1,再放大Uo3 = | Ao | | F |Uo2,Uo2,起振的過(guò)程,放大電路 正反饋電路 選頻網(wǎng)絡(luò),反饋電路,放大電路,選頻電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,46,才能起振,振蕩穩(wěn)定,不能起振, Ao | F | 1, Ao | F | = 1, Ao | F |1,總之，起振過(guò)程是由 | Ao | F | 1， 一直到 | Ao | F | = 1， 達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程,振蕩波形,大連理工大學(xué)電氣工程系,47, Ao | = 3 F = 2R1,振蕩穩(wěn)定時(shí): | Ao | F | = 1, Ao | 3 F 2R1,起振時(shí): | Ao | F | 1,F 為非線性電阻， 選擇負(fù)溫度系數(shù)的熱敏變阻,RC 正弦波振蕩器,大連理工大學(xué)電氣工程系,48,10.8 有源濾波器,濾波器是一種選頻電路。 按電路組成分為： 無(wú)源濾波電路：由無(wú)源元件 R、L、C 組成 的濾波器。 有源濾波電路：含有放大電路的濾波器。 按頻率范圍分為： 低通、高