电子技术演示文稿3

第三章集成运算放大器一、集成运算放大器的特点集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的电子电路。运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。二、集成运算放大器的简单介绍1.集成运放的组成差动输入级中间级输出级偏置电路输入端输出端抑制零漂，共模抑制比高低输出电阻，多采用射随器放大作用的主要单元提供各级静态电流2.集成运放的管脚图及符号F007管脚图F741（F007）12348765符号A—反相输入端B—同相输入端F—输出端Au－＋u+u－uoABF＋信号从反相输入端输入时，输出与输入相位相反。信号从同相输入端输入时，输出与输入相位相同。三、集成运算放大器的主要技术参数1.最大输出电压Uopp输出不失真的最大输出电压值2.开环差模放大倍数Auo运放在开环时的差模放大倍数其值越高越好（104～107）3.输入失调电压UIO当无输入信号时，为使输出的电压值为零，在输入端加入的补偿电压。其值越小越好（0.5～5mV）4.输入失调电流IIO输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差。IIO＝IB1－IB2其值越小越好（1~10nA）5.输入偏置电流IIB6.共模抑制比KCMR四、集成运算放大器的理想化模型实际运放u+u－uoriroAuoUiuiAuo很高，104ri很高，几十~几百kΩro很低，几十~几百ΩKCMR很高理想运放u+u－uoAuoUiuiAuo＝∞ri=∞ro=0KCMR＝∞五、集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点运算放大器的电压传输特性集成运放的输出电压uo与输入电压ui(u+－u－)之间的关系uo＝f(ui)称为集成运放的电压传输特性。uoui+UOM－UOMuo＝Auoui=Auo(u+－u－)ui|UiM|，运放工作在线性区线性区非线性区ui|UiM|，运放饱和，工作在非线性区线性区引入深度负反馈，可以使运放工作在线性区。O∞－＋uo＋ud反馈电路开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。uoui+UOM－UOM理想运放的电压传输特性ui≠0，|uo|＝±UOM即u+≠u－时，运放处于非线性区。闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。O运算放大器的分析特点1.线性区集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚短”。虚短uo＝Auo（u＋－u－）由于Auo≈∞u＋－u－≈uo／Auo≈0u＋≈u－u+u－uoui当u＋＝0（接地）u－≈u＋≈0称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。所以虚断流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。∵ri≈∞I－≈I+≈02.非线性区在非线性区，虚短概念不成立，但虚断概念成立。u+I－uou－I+一、分析线性区理想运放的两个概念虚短u＋≈u－I－≈I+≈0虚断u+I－uou－I+二、基本运算电路比例运算∞－＋uo＋uiifi1R1R2Rf1.反相比例电路∵i+≈0（虚断）∴u+＝0u+≈u－≈0（虚地点）i1=ui／R1if=u－－uo=－uo／Rf∵i－≈i+＝0∴i1＝if即ui/R1=－uo/Rfofufi1uRAuRuo、ui符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。电路中引入深度负反馈，闭环放大倍数Auf与运放的Au无关，仅与R1、Rf有关。R2—平衡电阻同相端与地的等效电阻。其作用是保持输入级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。R2＝R1//Rf当R1＝Rf时，uo＝－ui，该电路称为反相器。2.同相比例电路∞－＋uo＋uiR2R1Rf∵i+≈0（虚断）∴u+＝uiu+≈u－≈ui（虚短）i1=（0－ui）／R1if=(u－－uo)／Rf=(ui－uo)／Rf∵i－≈i+＝0∴i1＝ifofufi11uRAuR＋ioif1uuuRRifi1当Rf＝有限值时，R1＝∞∞－+uo＋uiR2—平衡电阻R2＝R1//RfAuf=1→电路成为电压跟随器。uo＝ui此电路输入电阻大，输出电阻小。例1、应用运放来测量电阻的电路如图，U＝10V，R1=1MΩ，输出端接电压表，被测电阻为Rx，试找出Rx与电压表读数uo之间的关系。Rx∞－＋＋R1－＋U－＋V解:此电路为反相比例电路oxufi1uRAuR－651xoooi101010RRuuuu例2、理想化运放组成的电路如图，试推算输出电压uo的表达式。∞－＋uo＋uiR1R3R2R4解:此电路为同相比例电路2o1i1uRuR判断这个等式、×√加法运算电路uo∞－＋＋ui2ifi2R2RPRf0ii123fiiii0uui111uiRi222uiRi333uiRoffuiRoi1i2i3f123uuuuRRRRi1i2i3fo123()uuuuRRRRui3i3R3ui1i1R1123fRRRR若oi1i2i3()uuuu123//////RRRRR平衡电阻fP在调节某一路信号的输入电阻的阻值时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，调节方便。求和电路也可从同相端输入，但同相求和电路的共模输入电压较高，且不如反相求和电路调节方便。减法运算电路（差动运算电路）∞－＋uo＋ui2ifi1R1R2Rfui1R3i1i10()uu接地f3o1i2123(1)()RRuuRRRi2i20(uu接地）fo2i11RuuRoo1o2f3fi2i11231(1)()uuuRRRuuRRRR利用叠加原理同相端输入ui1反相端输入当R1=R2=R3=Rf=R时，uo=ui2－ui1(减法器）3f21foi2i11,()RRRRRuuuR－R2//R3=R1//Rf平衡条件当例5、已知RF＝4R1，求uo与ui1、ui2的关系式。A1－+＋ui1A2－＋uo＋ui2R1R2RFuo′解:A1为跟随器；A2为差放。uo′=ui1Foi21(1)RuuRFFi2i111(1)RRuuRRuo＝5ui2－4ui1Fo1RuR例6、如图，求uo与ui1、ui2的关系式。A1－+＋ui1A2－＋uo＋ui210kΩuo′10kΩ30kΩ10kΩ6kΩ解:oi1i2'3030()610uuuoo'1010uui1i253uuA1为反向加法器；A2为反相比例电路。i1i2(53)uu积分电路∞－＋uo＋uiiCi1RRPC（虚断）1iiCi1uiR1dCCtuiCoi1dtuuRCoCuuuituot－UOMuo正比于ui的积分PRR＝OO延迟积分电路的应用uitUuotT－U信号延迟时间T后，电压值达到U方波转化为三角波uituotOOOO微分电路iR∞－＋＋uiRRPCiCuoRCiioRuiRoddCuuCtRoddiuRCutddCCuiCtuo正比于ui的微分uituotPRRoRuu－OO例8、电路如图，已知运放±UOM=±10V，输入信号波形如图，R＝1MΩ，C＝0.05μF，求输出波形。（电容初始能量为零）∞－＋＋uiRRPCuoui/vt/s1ORC=1×106×0.05×10－6s=0.05soi01d20ttttuuRCRCuo=UOMAX＝－10s=－20tt=0.5suo/vt/s－100.5解:O例10、已知运放±UOM=±15V试求图中uo1、uo2、uo3及开关S闭合0.2s后uo的值。A1－+＋－2Vuo1A2－＋uo2＋0.5VR10kΩ10kΩ10kΩ20kΩA3－＋＋uo3R20kΩ∞－＋＋Ruo1μF10kΩS解:o12Vuo220(1)0.5V1.5V10uo3o2o120()2(21.5)V1V10uuu输出电压超出UOM，∴uo=－15V0.2o3o3601(0.2)d101011020Vutu集成运放在信号处理方面的应用滤波电路的种类: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按所用元件:无源滤波器和有源滤波器按阶数:一阶、二阶、…、高阶一、有源滤波器所谓滤波器，它能使一定频率范围内的信号顺利通过，而在此频率范围以外的信号衰减很大，不易通过。滤波器分类(按频率特性进行分类)：ioUUioUUioUUioUU低通高通带通带阻12.4.2有源滤波器oF11URRRUUURR1RFC+-+iUoU1.一阶有源低通滤波器Cj11)RR1(UU1Fio传递函数RCiUCj1RCj1UiUCj11RC传递函数中出现的一次项,故称为一阶滤波器幅频特性：201Fio)(11)RR1(UU)RC1(0相频特性：0argRR1RFC+-+iUoU幅频特性及幅频特性曲线ioUU01+RF/R10.707(1+RF/R1)0Cj11)RR1(UU1Fio传递函数RC1、0时：)RR1(UU1Fio有放大作用3、运放输出，带负载能力强。2、0时：21)RR1(UU1Fio幅频特性与一阶无源低通滤波器类似电路特点:2.一阶有源高通滤波器oF11URRRUUUiUCj1RCj1UiUCj11R–1RCRR1RFC+-+iUoU低通RR1RFC+-+iUoU高通Cj11)RR1(UU1Fio传递函数–1RC幅频特性及幅频特性曲线Cj11)RR1(UU1Fio传递函数1RC–幅频特性：201Fio)(11)RR1(UU0ioUU01+RF/R10.707(1+RF/R1)0RR1RFC+-+iUoU3.二阶有源低通滤波器UAUFoCj1UURUURUUoPPPiPPURCj11UCj1RCj1Uo2oFio2j)(1AUURR1RFC+-+iUoUCRP，AF=1+RF/R1传递函数中出现的二次项,故称为二阶滤波器RC1)A3(21oF，R1=时：AF=1o2oFio2j)(1AUU2oio)(11UUo时：21UUioRC+-+iUoUCRo一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别ioUU0-3dbAF理想低通一阶低通二阶低通阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器二、采样保持电路RC+-+iUoUS控制信号控制信号ui/uot采样采样采样保持保持保持采样保持电路能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。OO三、电压比较器过零比较器比较器是一种用来比较输入信号ui和参考电压UR的电路。∞－＋＋uiRRPuououi+UOM－UOMu+≠u－时，即ui≠0，uo＝±UOMui0正饱和uo＝+UOMui0负饱和uo＝－UOMuoui+UOM－UOMO若ui为正弦波uituot－UOM+UOMuo为方波关于UOM—饱和电压UOM→UCCOO任意电平比较器限幅措施∞－＋＋uiRRPuoUZui0正饱和uo＝+(UZ+UD)ui0负饱和uo＝－(UZ+UD)uoui+UZ－UZuiUR正饱和uo＝+UZuiUR负饱和uo＝－UZuoui+UZ－UZUR∞－＋＋uiR1R2uoUZUROO