序運算放大器 演示文稿

序運算放大器演示文稿1第一頁，共八十九頁，2022年，8月28日序一、試題(共15題)1、定數(shù)加2、定數(shù)減3、循環(huán)加4、循環(huán)減2第二頁，共八十九頁，2022年，8月28日5、輸入DCBA小于等于6移位寄存器6、輸入DCBA小于等于8移位寄存器7、電平扦測同相3V---3.7V8、電平扦測反相2V---3.8V9、定時計數(shù)文氏橋做振蕩器10、定時計數(shù)555做振蕩器3第三頁，共八十九頁，2022年，8月28日11、電平平移12、四人搶答電路13、四聲電路14、A/D轉換（數(shù)/模）15、D/A轉換（模/數(shù)）4第四頁，共八十九頁，2022年，8月28日二、集成電路(共16塊芯片)3585554011401240134016401754027401924019340194406945470809083216C54C5第五頁，共八十九頁，2022年，8月28日三、數(shù)字電子技術與模擬電子技術數(shù)字電子技術:被處理的信號不是連續(xù)變化的,僅為信號高低之分:或有無之分燈亮--燈滅;開關閉合--開關斷開等。電路特點1被處理的信號是二進制數(shù)字信號2數(shù)字電路中的晶體管工作于開關狀態(tài),只有飽和與截止二種狀態(tài)3數(shù)字電路中的輸入與輸出有著一定的邏輯運算關系6第六頁，共八十九頁，2022年，8月28日模擬電子技術:被處理的信號在時間上是連續(xù)變化的。壓力信號子溫度信號以運算放大器為基本單元電路7第七頁，共八十九頁，2022年，8月28日四、電平的概念:一種表示電量(電壓;電流;或功率等)相對大小的參數(shù)通常指定某一電量值作為基準值,以其它參數(shù)值和基準值相比的對數(shù)值耒表示電平值。常用單位分貝,自然對數(shù)奈培。在學習過程中常會聽到高低電平之說,通俗一點講以直流電源0V作為基準值:量得出電壓稱高電平,用“1”表示(接近VDD)量不出電壓稱低電平,用“0”表示(接近VSS)8第八頁，共八十九頁，2022年，8月28日9第九頁，共八十九頁，2022年，8月28日

運算放大器及其應用運算放大器的結構及其主要技術指標

集成電路是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型的電子器件，它是把三極管、電阻、電容等許多元件集成在一塊半導體；硅片上制作出來的。用集成電路來代替分立元件電路不僅使得電路的尺寸大大縮小了，使電子設備做到微型化，而且極大地提高了電子設備的各項技術經(jīng)濟指標及可靠性，因此，在計算機技術、自動控制、無線電技術及信息技術等各個領域中得到了廣泛的應用。集成電路種類繁多，在模擬電子技術中用得最多的集成電路是集成運算放大器。

10第十頁，共八十九頁，2022年，8月28日集成運算放大器實際上是一種直接合的多級放大器，具有極高的電壓放大倍數(shù)。其輸入級都是用差動放大器組成的，中間級電路一般具有很大的放大倍數(shù)，輸出級一般用射極跟隨器。為了改善電路的性能，目前的集成運算放大器內(nèi)部電路已做得越來越復雜，對于我們來說去花大量的時間把它搞清楚是不必要的，作為集成運放的使用者，對集成運放的內(nèi)部結構及技術指標有了一個大致的了解之后，重點應該是掌握它的使用方法。11第十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日12第十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日輸入級:輸入阻抗高能減小零點漂移抑制干擾信號常采用差動放大它有同相與反相二個輸入端中間級:電壓放大倍數(shù)高由共發(fā)射極與路組成13第十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日輸出級:輸出電阻小荷載能力強能輸出足大的電壓和電流偏置電路:為上述各級提供合適的偏置電流決定各級的靜態(tài)工作點,一般有各種恒流源構成14第十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日15第十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日二、運算放大器的主要技術指標

1.開環(huán)差模放大倍數(shù)A0d指運放在沒有反饋時的差模屯壓放大倍數(shù)。習慣上運放的A0d

值是用分貝數(shù)(dB)來表示的，表1為人分貝數(shù)與倍數(shù)的對照表，換算公式如下。

分貝數(shù)(dB)=20lg倍數(shù)16第十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日表1倍數(shù)0.1110100100010000分貝數(shù)-2002040608017第十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日運放的開環(huán)差模放大倍數(shù)都很高，典型的運放FOO7開環(huán)差模放大倍數(shù)約在100dB以上，好的運放A0d可達140dB。80dB放大倍數(shù)為10000倍2.共模抑制比CMRR習慣上也用分貝數(shù)表示，F(xiàn)007一般在80dB以上。18第十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日3.輸入失調(diào)電壓Uio由于運放的放大倍數(shù)A0d極大，開環(huán)工作時即使輸入為0，輸出端的零漂還是十分嚴重的，輸出級通常就工作在飽和區(qū)或截止區(qū)，輸出電壓接近為電源電壓。此時為了使輸出電壓為0，需要在輸入端加入一個微小的電壓。調(diào)整這一電壓的大小可以使輸出電壓為0，這一電壓就稱為“輸入失調(diào)電壓”，以符號Uio表示，顯然Ui0越小就說明運放的零漂越小。F007的Ui0大約為2∽10mV左右，低零漂的運放Ui0可達1mV以下。19第十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日4.輸入偏置電流IB與輸入失調(diào)電流Ii0運放的輸入端是差動放大器的基極，靜態(tài)時兩個輸人端有一定的偏置電流，這兩個偏置電流的平均值就是運放的輸入偏置電流IB，兩個偏置電流之差就是運放的輸入失調(diào)電流Ii0。輸入失調(diào)電流太大會增大運放的零漂，F(xiàn)O07的輸入偏置電流IB約為0.2μA，輸入失調(diào)電流與約為0.05∽0.1μA。20第二十頁，共八十九頁，2022年，8月28日5.失調(diào)電壓的溫度漂移△Ui0/△T與失調(diào)電流的溫度漂移△Ii0/△T失調(diào)電壓Ui0與失調(diào)電流Ii0是隨著溫度T的升高而增大的，溫度每升高1℃，失調(diào)電壓或失調(diào)電流的增大值就是失調(diào)電壓或失調(diào)電流的溫漂。FOO7的失調(diào)電壓溫漂△Ui0/△T約為20∽30μV/℃。溫漂值當然是越小越好。21第二十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日6.輸入電阻ri由于運放輸入信號極其微小，所以輸入級一般都可用微電流源作為偏置以提高輸入電阻。輸入電阻一般都很大，F(xiàn)07的輸入電阻約為2MΩ。22第二十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日7.最大差模輸入電壓Uidmax指兩個輸入端之間所能承受的最大電壓，超過這一電壓將可能使運放的輸入端擊穿，F(xiàn)O07約為30V。23第二十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日8.最大共模輸入電壓Uicmax指運放所能承受的最大共模電壓，超過這一電壓將使運放的共模抑制比顯著下降，F(xiàn)OO7約為±13V。24第二十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日理想運算放大器的理想化條件1、開環(huán)放大倍數(shù)A0d∞2、輸入電阻ri∞3、輸出電阻ro≈04，共模抑制比CMRR∞25第二十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日運算放大器的兩種應用方式運算放大器的應用方式有線性應用與非線性應用兩種。線性應用是指運算放文器工作在其特性的線性區(qū)，運放內(nèi)部的三極管都工作在放大區(qū)，運放的輸入輸出關系成線性關系。這種應用方式的基本電路有反相比例、同相比例、加法、差動、積分、26第二十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日微分等各種運算電路。運放的非線性應用是指運算放大器工作在其特性的非線性區(qū)，運放內(nèi)部的三極管都工作在飽和區(qū)或截止區(qū)，運放的輸入輸出關系為非線性關系。27第二十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日這種應用方式的基本電路是比較器，用比較器可以組成電平比較、波形變換以及波形發(fā)生等各種應用電路。由于運放具有極大的放大倍數(shù)，為了使它能工作在線性區(qū)，電路必須具有很深的負反饋才能正常工作，因此電路是否具有負反饋可以作為判別運放是線性應用還是非線性應用的依據(jù)。28第二十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日運算放大器的線性應用在分析線性應用的運放電路時，按照深度負反饋電路的分析方法，可以遵循兩個原則：一是運放的兩個輸入端的電位相等。這是因為運放本身的放大倍數(shù)極大，有限的輸出量除以放大倍數(shù)得到的凈輸入量是極其微小的，因此可以認為運放兩個輸入端之間的凈輸入電壓為0，或者說可以認為運放的兩個輸入端的電位是相等的。

29第二十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日反相比例放大電路，如果以U-表示反相端的電位、以U+表示同相端的電位，可以得出：U-=U+

反相比例放大電路這種情況稱為“虛短”，意思是兩個輸入端猶如短路一樣，其電位是相等的。當然這不是真正的短路，所以稱為“虛短”。30第三十頁，共八十九頁，2022年，8月28日31第三十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日二是運放兩個輸入端的輸入電流為0。這是因為運放的輸入電阻很大，在極小的靜輸入電壓作用下，可以認為運放兩個輸人端的輸入電流為0。以圖所示的反相比例放大電路為例，可以認為：Ii=0按照這兩個原則去分析以下所有的運放線性應用電路，就很容易得出其輸入輸出的運算關系了。32第三十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日一、反向比例放大電路輸入信號Ui經(jīng)過電阻R1輸入到運放的反相輸入端，輸出信號通過反饋電阻Rf反饋到反相輸入端，運放的同相端通過電阻R2接地。這一電路的反饋組態(tài)按第一單元的方法判別可以確定是電壓并聯(lián)負反饋,按照運算放大器工作在線性區(qū)時的兩個特點，運放的同相輸入端接地，電阻R2上又沒有電流，因此同相輸入端的電位U+為0，按照“虛短”的原則，反相輸入端的電位U-也應為0。由于0電位就是地電位。因此對于這一特殊情況。33第三十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日反向比例放大電路34第三十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日可以把反相端的電位稱之為“虛地”。同時，由于輸入端的電流為0，可以得出以下結論：I1=If由此可得電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：35第三十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日由上式可見電路的放大倍數(shù)與運放本身的參數(shù)無關，僅僅取決于外接的反饋電路的元件參數(shù)。由于電路是深度電壓負反饋，其輸出電阻近似為零，從公式中也可以看出，無論電路是否帶上負載，其電壓放大倍數(shù)不變。36第三十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日同相比例放大電路37第三十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日三、加法運算電路38第三十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日四、差動放大電路39第三十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日五、PID運算電路P(英比例P當頭)I(英積分I當頭)D(英微分D當頭)40第四十頁，共八十九頁，2022年，8月28日積分電路電路的輸出電壓與輸入電壓對時間積分成正比41第四十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日2)微分電路

僅在ui電壓變化時才有輸出，變化越快、則輸出越大，電壓極性取決于變化的方向。42第四十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日3)PI調(diào)節(jié)器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應用43第四十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日2.積分器的應用舉例在自動控制系統(tǒng)中，積分器往往有兩個輸入端，兩個輸入端的電阻一般是相等的，其中一個接輸入電壓ui，另一個接反饋電壓uf，如圖所示。在負反饋情況下，這兩個電壓的極性總是相反的，因此電流Ii與If

的實際方向也總是相反的。當系統(tǒng)穩(wěn)定時，反饋電壓uf

與輸入電壓uf的絕對值相等，兩個輸入端的電流Ii與If也相等，積分電容上沒有電流流過，44第四十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日積分器的輸出電壓就會維持在一個固定的數(shù)值上，系統(tǒng)就工作在某一穩(wěn)定狀態(tài)下。當改變輸入電壓uf或系統(tǒng)由于外界的擾動(例如負載的變化)使得系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生變動時，對應的反饋電壓uf也會隨之變化。這兩個電壓的絕對值不相等，Ii與If也不等，電容上就有電流流過，積分器的輸出電壓就會變動，使得積分器后級的控制電路(圖中沒有畫出)也隨之產(chǎn)生相應的變動，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出。45第四十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日例如在輸出減小時，將使<，積分電容上有電流流過，積分器的輸出會增大，使得系統(tǒng)的輸出也隨之增大，反饋電壓也會相應增大，直至

與

再次達到平衡，電容上就沒有電流流過，積分器的輸出就維持不變，電路就將工作在一個新的穩(wěn)定狀態(tài)下；在輸出增大時，將使

>，46第四十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日情況正好相反，積分電容上的電流方向變反了，積分器的輸出減小，使得系統(tǒng)的輸出也隨之減小，反饋電壓

也會相應減小，直至

與再次達到平衡，系統(tǒng)穩(wěn)定為止。自動系統(tǒng)的工作原理，將在自動控制系統(tǒng)中作詳細介紹。47第四十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日運算放大器的非線性應用

一、電平比較器運放非線性應用的典型例子——電平比較器，其電路如圖

所示。運算放大區(qū)是開環(huán)使用的，運放的同相輸入端接輸入信號，反相輸入端接參考電平。由于運放有極大的電壓放大倍數(shù)，因此輸入電壓只要略大于參考電壓，那么輸出端似乎就應該得到一個極大的正電壓，但是由于受到運放電源電壓的限幅，因此輸出電壓就接近于正電源電壓；48第四十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日反之，如果輸入電壓略小于參考電壓，那么輸出電壓就接近于負電源電壓。我們可以看到，在開環(huán)狀態(tài)下，運放的輸出不是正電源電壓就是負電源電壓，是不可能得到其他數(shù)值的，因此從輸出端的電壓值就可以很容易地判別輸入端究竟是ui>UR，還是ui<UR，這就是電平比較器的工作原理。電平比較器的輸入、輸出關系稱為電路的傳輸特性，如圖所示。49第四十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日電平比較器50第五十頁，共八十九頁，2022年，8月28日傳輸特性51第五十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日顯然，如果把輸入信號與參考電平兩者交換一下位置，比較器也是可以工作的，只是它的傳輸特性顛倒了，在ui>UR時輸出為-UDD，而ui<UR時輸出為+UDD

，如圖所示。如果比較器的參考電平為0，這個比較器又可以稱為“過零比較器”，電路就只判別輸入信號是大于零還是小于零。52第五十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日53第五十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日54第五十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日由于運算放大器作為比較器使用時運放的兩個輸入端之間存在有較大的電壓，為了避免損壞運放，可以在兩個輸入端之間接上兩個反并聯(lián)的二極管以限制輸入電壓，輸出電壓的大小也可以用雙向穩(wěn)壓管來達到限幅的目的。圖所示為帶有輸入、輸出限幅電路的過零比較器。55第五十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日56第五十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日電平比較器可以用作波形變換，即把輸入連續(xù)變化的波形變換成矩形波；也可以用來檢測某一電壓是否超過了規(guī)定的數(shù)值；與傳感器配合則可以用來檢測某一物理量(例如溫度、壓力、位移等)是否超過了整定值。例:

如圖所示的電路中如果取參考電壓為4V，輸入電壓為10V峰值的正弦波，請畫出輸出波形。57第五十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日58第五十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日

滯回特性比較器電平比較器的傳輸特性在輸入電壓增大與減小時，對應翻轉點的輸入電壓是相同的，都是比較電平。這樣的電路如果用于如前圖中所示的波形變換電路，會產(chǎn)生一個缺點，就是如果輸入電壓在參考電平附近有微小的波動(例如干擾引起的波動)，則輸出電壓就會不斷翻轉，電路的抗干擾性能較差。為了解決這一問題，可以采用滯回特性比較器。

59第五十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日60第六十頁，共八十九頁，2022年，8月28日上圖電路就是滯回特性比較器，它是電平比較器加上正反饋得到的，其傳輸特性如圖所示?？梢钥吹剿c電平比較器的傳輸特性有著明顯的區(qū)別，當輸入電壓增大與減小時，翻轉點的電平是不一樣的。具體情況分析如下：設雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為，當輸入電壓為較大的負值時，輸出電壓應為，對應此時運放同相端的電壓（即翻轉電壓）應為：61第六十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日62第六十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日滯回特性比較器如下圖所示，輸入電壓如上圖所示。設UZ=±6V，R1=10KΩ，R2=5KΩ，UR=0V，試畫出傳輸特性及輸出波形。如果UR=12V，則傳輸特性有何變化？解：UR當=0V時，就是上圖的電路，可得：U”=－2V63第六十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日64第六十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日65第六十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日66第六十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日應用實例:用運算放大器設計一個滯回特性電平檢測電路,

當ui＞3.7V輸出u0接近-UDD當ui＜2V輸出u0接近+UDD并用此輸出電平經(jīng)負向限幅后控制555電路停振.67第六十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日反相輸入要求:R1=？;R2=？:UR=？68第六十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日69第六十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日70第七十頁，共八十九頁，2022年，8月28日71第七十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日72第七十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日用運算放大器設計一個滯回特性電平檢測電路,

當ui＞3.8V輸出u0接近+UDD當ui＜3V輸出u0接近-UDD并用此輸出電平經(jīng)負向限幅后控制555電路停振.

73第七十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日74第七十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日75第七十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日76第七十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日三、非正弦波發(fā)生器

1.矩形波發(fā)生器圖所示是矩形波發(fā)生器的電路圖a)與波形圖b)。由圖可見，電路是由滯回特性比較器與RC充放電電路組成的。當比較器輸出電壓為正值時，輸出電壓通過電阻R對電容C充電，電容電壓隨指數(shù)規(guī)律上升，待電容電壓上升到翻轉電壓時，輸出翻轉為負值，電容放電77第七十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日(放電完畢后又隨之反向充電)，電容電壓隨指數(shù)規(guī)律下降，待電壓下降到翻轉電壓時，輸出電壓又翻轉為正值……如此周而復始，反復振蕩，電容電壓uc與輸出電壓的波形如圖b)所示。由于電路充電與放電的時間常數(shù)相同，翻轉點的電壓與的絕對值也相同，因此充放電的時間是相同的，電路輸出的波形是正、負半周對稱的矩形波，矩形波的幅度為雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓±Uz，電容充放電波形的幅度為比較器的翻轉電壓U’與U”。

78第七十八頁，共八十九頁，2