电子学习模拟电路教案-第四章集成运算放大器

0
1 1 ( )2
0
(0
1 )
RC
1、 0 时： Uo (1 RF )
Ui
R1
2、 0时： Uo (1 RF ) 1
Ui
R1 2
有放大作用
幅频特性与一阶无 源低通滤波器类似
3、运放输出，带负载能力强。
(4--41)
*** 二阶有源低通滤波器
RF
R1 -
•
Ui
R PR
+ +
CC
•
•
Uo AF • U
(4--12)
理想运放的符号
u-
_
+
u0
u+
+
(4--13)
*** 信号的运算电路 (1) 反相比例运算放大器
i2
R2
i1
ui R1
_
uo
+
+
RP
u u 0
i1=i2
ui uo
R1
R2
Au u0 R 2
u1
R1
(4--14)
R2
ui R1
RP
_
+ +
电路的输入电阻： uo Ri=R1
(4--29)
（9）三运放电路
ui1
+ A+
-
ui2
A+
+
uo1
R
R1
a
RW
b
R
R1
uo2
R2
A+
uo
+
R2
(4--30)
ui1
+ A+
_
ui2 + A +
uo1
R
a
RW
b
R
uo2
ua ui1 ub ui2
uo1 uo2 ua ub 2R RW RW
ui1 ui2 RW
uo2 uo1
iF
C
du o dt
uo
1 RC
uidt
ui
0
t
uo
0
t
(4--27)
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。
1t
uo
RC
Udt
0
1 Uom RC UTM
TM
RCUom U
ui
U
0
uo
TM
0
-Uom
t
积分时限
t
(4--28)
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。
处于非线性状态运放的特点 1、虚短路不成立。 2、输入电阻仍可以认为很大。 3、输出电阻仍可以认为是0。
(4--51)
*** 限幅器
ui
t
RF
ui
R1
-
+A +
R
u0 uo UZ
t
DZ
-UZ
(4--52)
另一种形式的限幅器：
DZ
传输特性
uo
RF
ui
R1
-
+A +
+UZ
uo
0
+UZ
ui
(4--53)
运放符号：
u－
－
A0
＋
u+ ＋
uo
u－ － u+ ＋
uo
(4--9)
§ 4.3 信号的运算电路
*** 概述 uo
_ A0 uo
ui
+
+
+UOM ui
-UOM
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。
(4--10)
在运放的线性应用中，运放的输出与 输入之间加了负反馈，运放工作于线性状 态。
RF
R1 -
•
+
Ui
+ R
C
•
U
R1
•
Uo
R1 RF
•
1
Uo
•
U
R
jC 1
•
1
•
• Ui
• Ui
1 jC
jC
•
•
U U
•
Uo
•
Ui
(1
RF ) 1 R1 1 jC
(4--40)
•
Uo
•
Ui
(1
RF R1
)1 1 jC
幅频特性：
Uo Ui
(1 RF ) R1
相频特性： arg
u u 0
i11 i12 iF
uo
u0
( R2 R11
ui1
R2 R12
ui2 )
(4--22)
(6) 同相求和运算：
R1
RF
-
u R21
+
i1
+
ui2
R22
+
uo
_
此电路如果以u+为 输入 ，则输出为：
u0
(1
RF R1
)u
u+ ~ ui1 、ui2？
u R22 ui1 R21 ui2
截止频率
T(j)
1 1 ( )2
0
此电路的缺点：
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：
U0 1
Ui
2
(4--38)
将两级一阶低通滤波器串接
？
T(j) T1(j)T2(j)
R
R
C
C
T(j) T1(j)T2(j)
各级互相影响！
(4--39)
*** 一阶有源低通滤波器
(4--46)
1、电路中的运放处于非线性状态。
比如：运放开环应用
+
A + uo
uo
加有正反馈的运放电路，运放处于 非线性状态。
(4--47)
2、电路中的运放处于线性状态，但外围电 路有非线性元件（二极管、三极管）。
RF2 D
RF1
ui R1 _
+A +
ui>0时：uo
R F1 R1
ui
ui<0时：
反馈方式： 电压并联负反馈
输出电阻很小！
平衡电阻，使输入端 对地的静态电阻相等。
RP=R1//R2
(4--15)
R2
ui R1
RP
_
+ +
电位为0，虚地。
共模电压：
uo u u 0 2
输入电阻小、共模电 压为0以及“虚地”是 反相输入的特点。
(4--16)
(2) 同相比例运算放大器
R2
u-= u+= ui
ui
R
－
+
uo
+
UR
R1
R2
2、当uo正饱和时：
UR
R1 R1 R2
Uom
UH
3、当uo负饱和时：
比较电压由原 来的输出决定
UR
R1 R1 R2
Uom
UL
(4--61)
下限
传输特性
uo
Uom
U+L
0
U+H-U+L称为回 差
上限 U+H
ui
-Uom
小于回差的干扰不会引起跳转
跳转后增大了U+-U- 加速跳转
§4.4 有源滤波器 滤波电路的种类: 按信号性质: 模拟滤波器和数字滤波器
按所用元件: 无源滤波器和有源滤波器
按电路功能:
低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器
(4--34)
•
Ui (j)
filter
•
Uo (j)
传递函数：
•
T( j)
Uo (j)
•
Ui (j)
Uo Ui
o
i
T(j) Uo Ui
R2 R1
(ui2
ui1 )
(4--18)
(4) 电压跟随器 R2
_
+
ui
+
uo u u ui
此电路是电压 uo 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。
(4--19)
R2
ui1 ui2 R1
R1
_ +
+
R2
uo 差动信号放大 了两个信号的 差，但是它的 输入电阻不高 （2R1）, 这是 由于反相输入 造成的。
运放线 性运用
信号的放大、运算 有源滤波电路 恒压源、恒流源电路
(4--11)
由于运放的开环放大倍数很大，输入电 阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想 化，称其所谓的理想运放。
理想运放的条件：
A0
uo A0(u u)
虚短路
u u
ri
Ii 0 虚开路
ro 0
放大倍数与负载无关， 可以分开分析。
T2
u
＋
同相端 IS
输入级
+UCC T4
u o
T3
T5
-UEE
要求： 尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大。
(4--6)
反相端
u
－
T1
T2
u
＋
同相端 IS
输入级
+UCC T4
u o
T3
T5
-UEE
中间级
足够大的电压放大倍数
(4--7)
反相端
u
－
T1
T2
u
＋
同相端 IS
R1 ui
RP
_
+ +
uo ui ui
uo
R2
R1
uo (1 R2 )ui R1
电压并联负反馈 共模电压：ui
输入电阻高。
没有虚地概念。
(4--17)
(3) 差动放大器 R2
ui1 ui2 R1
R1
_ +
+
R2
u u
uo u u ui1
R2
R1
uo
ui2 u u
R1
R2
解出：
uo
第四章 集成运算放大器
§4.1 集成运算放大器简介 §4.2 集成运放的基本结构 §4.3 信号的运算电路 §4.4 有源滤波电路 §4.5 集成运放的非线性应用 §4.6 集成运放其它应用*
(4--1)
§4.1集成运算放大器简介
集成电路:
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、
*** 电压比较器
ui
+
UR
+ uo
uo
+Uom
0
-Uom
UR ui
(4--54)
过零比较器
uo
ui
+
+UZ
+ uo
0
ui
-UZ
(4--55)
例：利用电压比较 ui 器将正弦波变为方 波。
ui
+
+ uo
uo
+Uom
-Uom
t t
(4--56)
稳定输出电压 uo
ui
+
uo
+UZ
+ UZ
0
ui
-UZ
(4--57)
电压比较器的另一种形式
UZ
ui R ´ _
+
uo
+
R
(4--58)
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。
(4--59)
Ao不够大时的情况 ui
t
uo t
过零附近仍 处于放大区
(4--60)
*** 迟滞比较器
分析：
1、下行的迟滞比较器 1、因为有正反馈， 所以输出饱和。
iF
uo R
i1
C
du i dt
i1 iF
uo
RC dui dt
(4--25)
若输入： 则：
ui sint uo RC cos t
RC sin(t 90 )
ui
0
t
uo
0
t
(4--26)
(8) 积分运算：
iF C
i1 R
ui
R2
-
+
+
uo
应用举例：
1、输入方波，输出 是三角波。
i1
ui R
输入级
+UCC T4
u o
T3
T5
-UEE
中间级 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。
(4--8)
运放的特点和符号
运放的特点：
ri 高:几十k 几百k KCMRR很大 ro 小：几十 ~ 几百 A o 很大:104以上~ 107
理想运放：
ri KCMMRR ro 0 Ao
R21 R22
R21 R22
(4--23)
所以：
u (1 RF )( R12 ui1 R11 ui2)
R1 R11 R12
R11 R12
请特别注意，同相求和电路的两 个输入信号的放大倍数互相影响， 不能单独调整。
(4--24)
(7) 微分运算：
iF R
i1 C
ui
－
+
uo
+
R2
u-= u+= 0
2R RW RW
(ui2
ui1 )
(4--31)
uo1
R1
R2
+ A+
uo
R1
R2
uo2
uo
R2 R1
(uo2
uo1 )
(4--32)
uo2 uo1
R2 R1
2R RW RW
(ui2
ui1 )
三运放电路是差动放大器，放大倍数 可调。
由于输入均在同相端，此电路的输入 电阻高。
(4--33)
4、二极管一般用三极管的发射结构成。
(4--3)
基本原 理框图
反相端 u
－
u＋
§ 4.2 集成运放的基本结构
T1 T2
T4 +UCC
u
o
T3
T5
同相端 IS 输入级
-UEE
中间级 输出级
(4--4)
与uo反相
反相端
u
－
T1 T2
u＋
同相端 IS
与uo同相
T4
u
o
T3
T5
(4--5)
反相端
u
－
T1
() o i
幅频特性 相频特性
(4--35)
按频率特性进行分类：
Uo
Uo
Ui
低通
Ui
Uo Ui
带通
Uo Ui
高通
带阻
(4--36)
一阶低通滤波器 R
•
Ui
•
C
Uo
1
•
Uo
•
Ui
j R 1
j
1 1 jRC
1
1 j 0
0
1 RC
(4--37)
1
T(j)
1 j
0
Uo
Ui
1
0.707
0 0
重量轻、功耗小。
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
(4--2)
集成电路内部结构的特点
1、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。
2、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。
3、几十PF以下的小电容用PN结的结电容构成、 大电容要外接。
uo
uo
RF1 // RF2 R1
ui
(4--48)
传输特性 uo
0
ui
(4--49)
3、另一种情况，电路中的运放处于非线性 状态，外围电路也有非线性元件（二极 管、三极管）。
由于处于线性与非线性状态的 运放的分析方法不同，所以分析 电路前，首先确定运放的状态， 主要由有无负反馈决定。
(4--50)
(4--20)
以上电路的比较归纳：
1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻 都比较小 。
2.关于输入电阻： 反相输入的输入电阻小，同相输入的输 入电阻高。
3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共 模电压小。
(4--21)
(5) 反相求和运算：
R11
ui1
i11 ui2
R12
i12
iF
R2
_
+ +
RP
(4--62)
输入正弦波的情况
ui
U+H
t
U+L
uo
Uom
t
-Uom
(4--63)
加上参考电压后的上下限
ui
R
－ +
+
uo
UR
R1
R2
UH
R1 R1 R2
-
•
RR
+
Ui
+
•
•
Uo
Uo
•
Ui
1(
AF )2
j 2
o
o
CC
•
o
时：
Uo
•
Ui
1 2
•
Uo
•
Ui
1
1 (
)2
o
(4--44)
如何组成高通滤波器？
RF
R1 -
•
+
•
Ui
+ R
Uo
RC对调
C
(4--45)
§4.5 集成运放的非线性应用 所谓非线性应用是指，由运放组成的 电路处于非线性状态，输出与输入的关 系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的 非线性电路有以下三种情况。
•
•
•
•
•
•
•
Uo Ui UP UP U UP Uo
R
R
1
jC
1
•
U
百度文库
R
jC 1
•
1
•
• UP
• UP
1 jRC
jC
•
Uo
•
Ui
1(
AF )2
j
2
o
o
1 (3 2
AF )
o
1 RC
(4--42)
•
Uo
•
Ui
3dB
1 2
1 2
1 2
0
P
o
P o 1 22
(4--43)
R1= 时：AF=1