2-集成运放及其基本应用.

第二章集成运放及其基本应用模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronic第二章集成运放及其基本应用第二章集成运放及其基本应用第二章集成运放及其基本应用§2.1放大的概念与放大电路的性能指标§2.2集成运算放大电路§2.3理想运放组成的基本运算电路§2.4理想运放组成的电压比较器第二章集成运放及其基本应用§2.1放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念二、放大电路的性能指标第二章集成运放及其基本应用一、放大的概念放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现VCC至少一路直流电源供电，是能源判断电路能否放大的基本出发点放大的特征：功率放大常用正弦波做测试信号放大的对象：变化量放大的基本要求：不失真——放大的前提输入信号为零时为静态。能够控制能量的元件第二章集成运放及其基本应用二、性能指标：研究的是动态性能。ioUUAAuuuioIIAAiiiioIUAuiioUIAiu1.放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。第二章集成运放及其基本应用2.输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。Lo'oLoo'oo)1(RUURUUUR空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值iiiIUR输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻第二章集成运放及其基本应用3、通频带4、最大不失真输出电压Uom：交流有效值。由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率上限频率LHbwfff5、最大输出功率和效率：功率放大电路的主要指标参数。扩音机的fL和fH为多少？第二章集成运放及其基本应用§2.2集成运算放大电路一、差分放大电路的概念二、集成运放的符号及电压传输特性三、理想运放及其动态等效电路第二章集成运放及其基本应用一、差分放大电路的概念1.需求热电阻测温电桥环境温度变化阻值变化某一标准温度下uI1＝uI２＝VCC/2uI＝uI1－uI２＝0。RRRRt+VCCuIuI1uI2需要一种放大电路，对uI1和uI２共同的部分不放大，仅对它们的差值放大。温度变化（即偏离标准温度）时，产生ΔuI，这是放大的对象。——差分放大电路第二章集成运放及其基本应用2.共模信号和差模信号共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相同，则称之为共模信号。差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相反，则称之为差模信号。对差分放大电路的要求：放大差模信号、抑制共模信号3.典型差分放大电路方框图差分放大电路uI1uI2uO1uO2典型的差分放大电路有两个输入端、两个输出端，它们均不直接接地，这种电路形式称为双端输入、双端输出接法。第二章集成运放及其基本应用（1）加差模信号时差分放大电路uI1uI2uO1uO2uI差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性，故输入回路和输出回路的中点电位不变，即动态电位为0，即为“地”。RL（2）加共模信号时差分放大电路uORLuIc差分放大电路具有理想对称性，温度变化所引起晶体管参数的变化可等效为共模信号输入。uI/2第二章集成运放及其基本应用4.差分放大电路的放大倍数差模放大倍数IdOdduuAIcOccuuA共模放大倍数cdCMRAAK共模抑制比越大越好绝对值越小越好绝对值越大越好为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入参数—共模抑制比。第二章集成运放及其基本应用5.差分放大电路的四种接法差分放大电路uIduORL由于在实际应用场合为避免干扰输入信号源有接地端，为负载安全负载常需有接地端，故差分放大电路有四种接法，即双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。双端输入、单端输出电路：集成运放可等效为高性能的双端输入单端输出差分放大电路。第二章集成运放及其基本应用二、集成运放的符号及电压传输特性集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小……不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是±VCC（常为±15V）供电。1.符号极性相同极性相同第二章集成运放及其基本应用二、电压传输特性:输出电压与输入电压的函数关系)(NPodOuuAu)()(NPIOuufufu线性区开环差模增益高达几十万倍非线性区输出不是高电平+UOM就是低电平-UOM若±UOM=±14V，Aod=105，则为保证集成运放工作在线性区输入信号的范围为多少？±UOM的值决定于什么？第二章集成运放及其基本应用三、理想运放及其动态等效电路•理想运放的参数特点：差模输入电阻rid为∞、输出电阻ro为0、开环差模增益Aod为∞、共模抑制比KCMR为∞、频带无限宽、温度对参数无影响。问题：1.若将输入信号直接加在理想运放的输入端，则理想运放有可能工作在线性区吗？2.负载电阻的阻值变化时，理想运放的输出电压变化吗？为什么？第二章集成运放及其基本应用§2.3理想运放组成的基本运算电路一、概述二、比例运算电路三、加减运算电路四、积分运算电路和微分运算电路第二章集成运放及其基本应用一、概述)(NPodOuuAu1.理想运放的线性工作区域有限值无穷大无穷小为保证理想运放工作在线性区，必须引入负反馈。无源网络反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量，称为反馈。正、负反馈：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。uO↑→uN↑→uO↓（1）电路结构第二章集成运放及其基本应用（2）工作在线性区的特点由于uO为有限值，Aod＝∞，因而净输入电压uP－uN＝0，即因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即uP＝uN——虚短路iP＝iN＝0——虚断路“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的两个基本出发点。第二章集成运放及其基本应用2.研究的问题（1）运算关系：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式uO＝f(uI)（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。（1）识别电路；（2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。3、学习运算电路的基本要求第二章集成运放及其基本应用二、比例运算电路1)电路的输入电阻为多少？2)运放的共模输入电压为多少？3)R’＝？为什么？+_iN=iP=0，uN=uP=0－－虚地在节点N：RuiiRIFIffFOuRRRiu1.反相输入R’=R∥Rf4)若要Ri＝100kΩ，比例系数为－10，R1＝？Rf＝？保证输入级的对称性Au5)若要用反相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？第二章集成运放及其基本应用IPNuuu运算关系的分析方法：节点电流法2.同相输入RuiiiiRRIPNf,0)(fORRiuR1)输入电阻为多少？2)电阻R’＝？为什么？3)共模抑制比KCMR≠∞时会影响运算精度吗？为什么？IfNfO)1()1(uRRuRRuAu4)若要用同相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？集成运放的共模输入第二章集成运放及其基本应用IPNOuuuu同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器?)2??)1IcoiuRR第二章集成运放及其基本应用三、加减运算电路3I32I211I321FPN0RuRuRuiiiiuuRRR)(3I32I211IffFORuRuRuRRiu方法一：节点电流法1.反相求和第二章集成运放及其基本应用1.反相求和I33fI22fI11fO3O2O1OuRRuRRuRRuuuu方法二：利用叠加原理首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。I33fO3I22fO2uRRuuRRu同理可得1I1fO1uRRu第二章集成运放及其基本应用2.同相求和设R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf利用叠加原理求解：令uI2=uI3=0，求uI1单独作用时的输出电压在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果简单明了，易于计算。1I4321432f1O)1(uRRRRRRRRRu∥∥∥∥同理可得，uI2、uI3单独作用时的uO2、uO3，形式与uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意义清楚，计算麻烦！第二章集成运放及其基本应用2.同相求和设R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rfff3I32I211IPfPfO)()1(RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu与反相求和运算电路的结果差一负号4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)()(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu∥∥∥必不可少吗？第二章集成运放及其基本应用3.加减运算利用求和运算电路的分析结果)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu设R1∥R2∥Rf＝R3∥R4∥R5)(I1I2fOuuRRu若R1∥R2∥Rf≠R3∥R4∥R5，uO＝?实现了差分放大电路第二章集成运放及其基本应用四、积分运算电路和微分运算电路RuiiRCI)(d11OIO21tutuRCutttuRCud1IO)()(11O12IO21ItuttuRCuttu为常量，则～在若tRuCuud1ICO1.积分运算电路第二章集成运放及其基本应用移相利用积分运算的基本关系实现不同的功能1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输出电压波形？3)输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分，延时波形变换第二章集成运放及其基本应用2.微分运算电路tuRCRiutuCiiRCRddddIOI虚地第二章集成运放及其基本应用讨论一：电路如图所示（1）组成哪种基本运算电路？怎样用一个运放组成完成同样运算的电路？两个电路的主要区别是什么？（2）为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不考虑第二级电路对它的影响？第二章集成运放及其基本应用讨论二???)(oiIORRufu（1）以两个运放为核心元件各组成哪种基本运算电路？（2）电路可等效成差分放大电路的哪种接法？与该接法的分立元件电路相比有什么优点？第二章集成运放及其基本应用§2.4理想运放组成的电压比较器一、概述二、单限比较器三、滞回比较器第二章集成运放及其基本应用一、概述1.电压比较器的功能：比较电压的大小。输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。广泛用于各种报警电路。2.电压比较器的描述方法:电压传输特性uO＝f(uI)电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL（2）阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向第二章集成运放及其基本应用3.几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。T2T1UUU回差电压：第二章集成运放及其基本应用4、集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正