电工学课件集成运算放大器.ppt

R1 控制信号
∞
-
采 样保
持
R
ui
S
+
+
uo
ui uo
uc C
采样保持电路
o
t
输入输出波形
16.3.3 电压比较器
运放工作于开环状态，uR ui 是参考电压，当输入与参考电 压有微小差值时，输出信号便 uR
R1
∞
-
R2
+
+
uo
会达到饱和，即运放工作于非 线性—饱和区。
电压比较器
参考电压等于零时，称为 过零比较器。
+
微分电路
uo
o
uo
t
分电路稳定性不高，用得较 o
t
少。(波形如右图)
iR
RF
右图是在控制系统中使 调节过程加速的比例—微分 ui
ic
C1
调节器（PD调节器）。
R2
-∞
++
uo
PD调节器
P123习题16.2.8 解：
u1 uA R1 RF
uA
RF R1
ui
if i3 i4或i1 i3 i4
积分电路 t
o
t
-Uo(sat)
-U
与以前学过的RC积分电路相比，运放所构成的有源
积分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电
电流基本恒定。
if
i1
Ui R1
右图是在控制和测量系统
中常用的比例-积分调节器
（PI调节器）：
ui
i1 R1
if RF uc
CF
∞
-
uo
( RF R1
ui
1 R1CF
if RF
uo
(1
RF R1
)
R3 R2 R3
ui 2
RF R1
ui1
i1 ui1
u
(1
RF R1
)
R3 R2 R3
(uic2
uid2 )
RF R1
(uic1
uii2d1)
R1 R2 R3
-∞
+ +
uo
uo
[(1
RF R1
)
R3 R2 R3
RF R1
]uic2
减法电路
[(1
RF R1
重量轻、价格低 。
16.1.3 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—没有外接反馈时所测出 的差模电压放大倍数。
3、输入失调电压Uio—为使输出等于零而在输入端 加的微小补偿电压。（调零工作已由调零电位器来 完成，如前所述）
ui dt )
+
+
uo
R2
可视为反相比例运算和积分
P 微分运算
if RF
微分运算是积分的逆运算，
ui
i1 uc
∞
-
C1
+
i1
C1
duc dt
uo if RF
C1
dui dt
i1RF
RF C1
dui dt
当输入信号为阶跃电压
ui U
时，输出为尖脉冲电压。微
R2
i f i1 及 u u 0
i1
ui u R1
ui R1
if
u uo RF
uo RF
由此得： u
R F u
o
Ri
1
说明：
uR
A o F
u uf
R
i
1
1、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相
输入的比例运算电路称为反相器；
2、如R1和RF的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数 很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两
将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输 入端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会 得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。
1. 有源低通滤波器
RF
•
•
U
•
Uc
Ui R 1
• 1 Ui
jC 1 jRC
R1
∞
-
jC
•
Uo
(1
RF
•
)U
R ui
+
+
uo
R1
uc C
•
Auf
Uo • Ui
)
R3 R2 R3
RF R1
]uid 2
RF R1 R2 R3 uo 2uid2
16.2.4 积分运算
if
uc
u- 0
i1
if
ui R1
uo
uc
1 CF
if
dt
1 R1CF
ui
ui dt
当输入信号为阶跃电压时，
i1 R1 R2
CF
∞
-
+
+
uo
uo
Ui R1CF
t
ui
U
Uo(sat) o
16.1.4 理想运算放大器及其分析依据
1）开环电压放大倍数 Auo→∞
理想化条件：
2）差模输入电阻 3）开环输出电阻
rid→∞ ro→0
4）共模抑制比 KCMRR→∞
u- - ∞
u+ +
+ uo
理想运放 电路模型
实际运放的参数指标很接 近理想化条件，故用理想运放 代替实际运放所引起的误差并 不严重，在工程上是允许的。
下面的问题是从输出端将反
馈引到同相端还是反相端 ？
Z
答案是：引回到反相端
16.2.1 比例运算
i1
Ru1 -
if
-
∞Rf - ∞+
uo
1、反相输入
Rf —反馈电阻；
ui
u+ +
+
+
R2
uo
R2 —平衡电阻，用于消除
静态基极电流对输出电压的影
响。 R2= R1∥Rf 由KCL、KVL和运放工作在线性区的分析依据：
ui1
当R1 R2且RF R3时
uo
RF R1
(ui 2
ui1)
则
Au
RF R1
uo ui2 ui1
由于电路存在共模电压，为了 保证运算精度，应当选用共模抑制 比较高的运算放大器。
问题：对于差分减法电路，如果R1=R2=R3，当RF 多大时，输出电压不含有共模分量？
解：根据16.2.10
在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题： 如何保证运放工作在线性区 ?
我们知道：Auo→∞，即当输入差模信号极小时 （如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。
我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈 深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大 电路的性能，所以——
解决之道是：在电路中引入深度负反馈。
中间级
输出级
输出端
偏置 电路
输 入 级：由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。 中 间 级：共射放大电路。用于电压放大。 输 出 级：互补对称电路。降低输出电阻，提高带载
能力。 偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态
工作点。
在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元 件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻 比较容易，而制造晶体管却最容易。
第16章 集成运算放大器
主要内容
• 集成运算放大器的简介 • 运算放大器在信号运算方面的应用 • 运算放大器在信号处理方面的应用 • 运算放大器在波形产生方面的应用 • 使用运算放大器应注意的几个问题
16.1 集成运算放大器的简单介绍
集成电路： 集 成 度：SSI、MSI、LSI、 VLSI （ASI） 导电类型：双极型、单极型 兼容型 信号类型：数字、模拟、混合 优 点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高
电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证
了比例运算的精度和稳定性（深度负反馈）。
反馈类型： 深度并联电压负反馈
电路阻抗特征：输入电阻不高，输出电阻很低。
2、同相输入
if Rf
u u ui 及 if i1
有
i
u
u i
i1 R1
-∞
+
1
R
R
1
1
u u u u
+
ui R2
uo
i
o
i
o
f
uo
(1
RF R1 // R2
)u
RF R1
ui1
RF R2
ui 2
uo
(1 1)3.5 1
1 2
1
1 2
2
5.5V
16.3 运放在信号处理方面的应用
运放除了能完成信号的运算，还能完成信号滤 波、采样保持及比较等处理工作。
16.3.1 有源滤波器
滤波器是一种选频电路——选出有用信号，而抑 制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过， 衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减 大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高 通、带通和带阻等。
但两输入端的输入电流仍为零。
+Uo(sat)
实际特性 饱和区
饱和区
o -Uo(sat)
u+ - u-
P99例16.1.1
线性区
16.2 运放在信号运算方面的应用
运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积 分与微分等简单运算，还能完成对数与反对数以及乘 除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用 叠加原理。