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文本内容:
第五章 集成运算放大电路教学目的要求
1、 掌握集成运放基本结构特点;
2、 掌握集成运放应用电路的分析方法;
3、 掌握集成运放的应用;教学重点
1、教学重点
(1)概念理想运放、二极管、三极管
(2)过程集成运放的应用
2、教学难点
(1)过程集成运放应用电路的分析方法
(2)理论虚短、虚地、虚断教学方法
1、教师讲解
2、习题讨论
3、实验
2、了解;
3、掌握;教学学时(10学时) 本章重点介绍集成运放、集成功放的典型应用,并对集成放大电路工程应用中的一些技术问题进行必要的讨论第一节 集成运放的结构特点及理想化条件
一、基本结构在第一章,我们已经对集成电路做了初步的介绍,对集成运放的基本概念有了一定的感性认识实际上,集成运放就是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的直接耦合多级放大电路它具有两个输入端,一个输出端多数为两路电源供电其内部电路结构如图5-1所示输入级是一个高性能的差动放大器输入级的好坏影响着集成运放的大多数参数一般要求其输入阻抗高,差模放大倍数大,共模抑制比高,差模输入电压及共模电压范围大,且静态电流小 图5-1 集成运放的内部电路框图中间级是整个电路的主放大器,其作用是提供较高的电压增益,一般采用共射放大电路输出级的作用是提供较高的输出电压和较大的输出电流其输出电阻小,有较强的带负载能力,并且非线性失真小偏置电路的作用是向各个放大级提供合适的偏置电流,决定各级的静态工作点综上所述,可以将集成运放看成一个具有高差模放大倍数,高共模抑制比,高输入阻抗,低输出阻抗的双端输入、单端输出的差动放大器它的主要特点是有很高的输入阻抗,很高的开环增益和很低的输出阻抗
二、电压传输特性我们称集成运放输出电压Uo与其输入电压Uid(即同相输入端与反相输入端之间的电压Uid=U+-U-)之间的关系曲线为电压传输特性,即Uo=f(Uid)为使运放工作在线性区,通常引入深度负反馈
三、理想运放所谓理想运放就是将各项技术指标理想化的集成运放,即认为开环差模电压放大倍数 Aod=∞;差模输入电阻 Rid=∞;输出电阻 Ro=0;共模抑制比 KCMR=∞;输入偏置电流 Iib=0;上限频率 fH=∞ 等等理想运放的电压传输特性如图5-3(b)所示第二节 集成运放应用电路的分析方法
一、利用理想运放的概念简化分析过程
二、集成运放线性应用电路的一般分析方法
(一) 理想运放工作在线性区的特点 当集成运放工作在线性区时,它的输入信号与输出信号应满足Uo=AodUid理想运放工作在线性区时,有两个重要特点第一净输入电压为零,也就是同相输入端电位与反相输入端电位相等,即 U+=U- (5-1)第二净输入电流为零,也就是说反相输入端与同相输入端的输入电流均为零,即 I+=I-=0 换言之,从集成运放每个输入端看进去,都相当于断路
(二)“虚短”、“虚地”和“虚断”的概念 ⒈“虚短”的概念 虚短是理想运放工作在线性区时的重要现象之一,理想运放工作在线性区时,U+与U-两点的电位相等,如同两点短路了一样,这一现象称之为“虚短”⒉“虚地”的概念虚地则是“虚短”现象的一个特例在图5-5中,因为I+=I-=0故U+=0,而U-=U+=0,所以U-点虽不接地却如同接地一样,故称为“虚地” ⒊“虚断”的概念虚断也是理想运放的重要现象之一由于理想运放I+=I-=0,如同该两点被断开一样,这种现象被称作“虚断” 4、判断“虚短”、“虚地”的方法“虚短”是集成运放工作在线性区时的重要现象,因此首先应该分辨出运放是否工作在线性区判别的方法就是从电路结构上看是否引入了负反馈工作在线性区的运放,因为U+=U-,故虚短现象总是存在的此时,若有某一端是地电位,则另一输入端即为“虚地”
(三)线性应用电路的一般分析方法
三、集成运放非线性应用电路的一般分析方法
(一)理想运放工作在非线性区的特点理想运放工作在非线性区的两个重要特点是1、当U+>U-时 Uo=+UOM (5-3) 当U+<U-时 Uo=-UOM (5-4)其电压传输特性如图5-3(b)所示2、由于Rid=∞,所以 I+=I-=0
(二)运放非线性应用电路的一般分析方法与线性应用电路类似,在分析集成运放非线性应用电路时,以上述两个特点为基本出发点,推论出电路输出与输入之间的关系这里需要特别指出,运放工作在非线性区时,U+≠U-,其净输入电压U+-U-的大小取决于电路的实际输入电压及外接电路的参数总之,在分析运放的应用电路时,一般将它看成理想运放,首先根据有无反馈及反馈极性判断集成运放的工作区域,然后根据不同区域的不同特点分析电路输出与输入的关系,进而弄清其工作原理第三节 集成运放的应用
一、 反相直流放大器由图可以看出,电路引入了电压并联负反馈运放工作在线性区所以利用“虚短”和“虚断”特点,可得出 Uo=-IfRfUi=IiR1Ii=If 闭环电压增益 (5-5)上式中,“-”表示Uo与Ui反相位(或反极性)当R1=Rf时,Auf=-1,Uo=-Ui电路变为反相器对于直流放大器,意味着输出信号Uo的变化量与输入信号Ui的变化的增量方向相反根据理想运放的特点及反馈理论可知,由于反相端“虚地”,且电路引入的是深度电压负反馈,所以闭环输入电阻 (5-6)闭环输出电阻 (5-7)在图5-6中,电阻R2称为平衡电阻,其作用是为了保证运放的两个输入端处于静态平衡的状态,避免因电阻不平衡时,偏置电流引起的失调R2=R1∥Rf (5-8)
二、同相直流放大器同相直流放大器的基本电路如图5-7所示 U-=U+U+=Ui闭环电压增益 (5-9)闭环输入电阻 (5-10)闭环输出电阻 Rof≈0 (5-11)
三、电压跟随器电压跟随器是增益等于一的电路,其输出电压跟随输入电压在同相直流放大器中,当R1=∞时,可得如图5-8(a)所示的电压跟随器;当R1=∞,且Rf=R2=0时,可得图5-8(b)所示的电压跟随器根据同相直流放大器Auf的计算式可得 Auf≈1
四、差动直流放大器差动直流放大器用来放大差模信号,抑制共模信号,或做减法运算其基本电路如图5-9所示利用迭加原理,可以对其分析、计算方法如下 设Ui1单独作用时输出电压为Uo1,此时应令Ui2=0,电路为反相放大器 设Ui2单独作用时输出电压为Uo2,此时应令Ui1=0,电路为同相放大器 所以,当Ui
1、Ui2同时作用于电路时= 当R1=R2Rf=R3 (5-12)由上式可以看出,输出信号只反映了输入信号的差值,而不反映共模信号即放大差模,抑制共模其闭环差模电压增益为 当R1=Rf时, Uo=Ui2-Ui1实现了两个信号的减法运算
五、反相交流放大器第一, 直流放大器,要求有较高的直流电压增益,而交流放大器不要求具有直流电压增益即可以使直流电压增益为零由于电压增益高的直流放大器,其失调和漂移对输出影响较大若采用直流电压增益为零的交流放大器,则可减小失调和漂移的影响第二,采用电容耦合的交流放大器,不必考虑前后级之间的电平配合,而且构成多级放大器时,各运放的漂移不会逐级放大故工作点十分稳定因此,在仅放大交流信号的场合,应采用交流放大器反相交流放大器的基本电路如图5-=10\*Arabic10所示,采用双电源供电C1为输入耦合电容静态时C1开路,电路引入了百分之百的负反馈,U+=U-=Uo=0对输入信号而言,电路引入了电压并联负反馈因此,运放工作在线性区由电路可以看出 闭环电压增益 (5-13)由上式可已看出当ω=0时,,即直流电压增益为零令 为中频电压放大倍数,则有 又令 可得下限截止频率 (5-14)上限截止频率由集成运放的上限截止频率决定在通带内,C1可视为短路,则 闭环电压增益 (5-15)闭环输入电阻 Rif≈R1 (5-16)闭环输出电阻 Rof≈0 (5-17)
六、同相交流放大器同相交流放大器的基本电路如图5-=11\*Arabic11所示,输入信号ui通过耦合电容C2加在运放的同相输入端电阻R2构成为运放同相端提供偏置的直流通路静态时,与反相交流放大器类似,U+=U-=Uo=0对交流信号而言(在通带内),电容C
1、C2和C3可 看作短路,所以 闭环电压增益 (5-18)闭环输入电阻 Rif≈R2闭环输出电阻 Rof≈0
七、 加法器图5-14是反相加法器Rf引入了深度电压并联负反馈,故运放工作在线性区,且反相端为“虚地”,即u-=u+=0因此有 由以上各式可得 若取Rf=R1=R2=……Rn,则uo=-(ui1+ui2+……uin)图5-14中,电阻R为平衡电阻,取R=R1∥R2∥R3∥Rf反相加法器的突出特点是当改变某一输入回路的电阻值时,只改变该路输入信号的放大倍数(比例系数),而不影响其它输入信号的放大倍数因此,调节灵活方便图5-15所示电路为同相加法器,根据理想运放工作在线性区的“虚短”、“虚断”特点,分析可得 (5-20)其中 电阻的配接应满足平衡要求R1∥R2∥R3∥R=Rf1∥Rf2例5-1 图5-=16\*Arabic16(a)所示是一个反相输入的加法器电路已知R1=R2=R3=Rf如果ui
1、ui
2、ui3的波形如图5-=16\*Arabic16(b)所示,试画出输出电压uo的波形解 输出电压uo为 先画出(ui1+ui2+ui3)的波形,再画出uo=-(ui1+ui2+ui3)的波形,如图5-=16\*Arabic16(c)所示 图5-16 例5-1电路
九、积分器积分器的输出电压正比于输入电压对时间的积分,其一般表示式为 (5-21)图5-=17\*Arabic17(a)所示电路是由电阻R和电容C构成的简单积分电路通过电容的电流为 uR是电阻R两端的电压,其数值为 uR=ui-uo=ui-uC输出电压uo,即电容两端电压是iC的积分 可以看出,只有当ui>>uo时,uR≈ui,uo才与ui近似成积分关系 电容两端电压 其值为iC的积分 (5-22)积分运算的精度与简单RC积分电路相比有了极大的提高当ui为常量时 (5-23)可见只要集成运放工作在线性区,uo与ui就成线性关系
十、 微分器微分器的输出电压与输入电压对时间的微分成正比,其一般表达式为 由于微分与积分互为逆运算,所以只要将积分器的电阻与电容位置互换,便可得到微分器,如图5-=18\*Arabic18所示,显然,反相端仍为虚地由图可得 故 (5-24)图5-=18\*Arabic18中,R1为平衡电阻,取R1=R 积分器类似,由集成运放构成的微分器的运算精度,远远高于由R、C元件组成的简单微分电路例5-2 电路如图5-=19\*Arabic19所示,求解uo与u
1、u
2、u3之间的运算关系解 当多个运算电路相连接时,应按顺序求出每个运算电路输入与输出间的运算关系,然后求出整个电路的运算关系uo1的表达式为利用迭加原理求得uo2的表达式为 uo的表达式为 例5-3 电路如图5-20(a)所示 设其两个输入信号ui1和ui2皆为阶跃信号,它们的波形如图(b)所示,请在同样的时间坐标上画出uo的波形解 首先分析电路的输入、输出关系由理想运放的“虚断”特点可得 iC=i1+i2又由于反相端为“虚地”所以 =2\*GB3
② 当t=0~
0.5s时,ui1=1V,ui2=0 则 即输出电压按照每秒5V的速度向负方向直线增长,当t=t0=
0.5s时uo=-5×
0.5=-
2.5V当t≥
0.5s时,ui1=1V,ui2=-1V,则= =-
2.5+5(t-
0.5)=5t-5此时输出电压按照每秒5V的速度向正方向直线增长,波形如图5-=20\*Arabic20(b)但输出电压不可能无限制增大,当uo等于集成运放的最大输出电压+UOM时,便达到饱和,不再继续增大
十一、有源滤波器如图5-21所示理想的滤波器应有矩形的幅频特性,但在实际中,这种理想特性是不能实现的从图5-21可以看出低通滤波器──允许低频信号通过,将高频信号衰减;高通滤波器─—允许高频信号通过,将低频信号衰减;带通滤波器─—允许某一频带范围内的信号通过,将此频带以外的信号衰减;带阻滤波器─—阻止某一频带范围内的信号通过,而允许此频带之外的信号通过利用电阻、电容和电感等无源元件构成的滤波电路,称为无源滤波器用有源器件和无源元件配合构成的滤波器称为有源滤波器无源滤波器的传输系数(输出与输入的比值)低,其最大值只能达到1,而且带负载能力差,负载电阻的变化将引起其截止频率和传输系数的变化为了克服无源滤波器的这些缺点,可以将无源滤波器接到集成运放的输入端, 组成有源滤波器如图5-22所示在有源滤波器中,集成运放起着隔离和放大的作用,提高了电路的增益由于集成运放的输入电阻很高,故运放本身对RC网络的影响很小,同时集成运放的输出电阻很低,因而大大提高了电路的带负载能力对于图5-22(a)所示的一阶有源低通滤波器,分析可得电压放大倍数(传输函数)为 (5-25)式中 为电路的通带电压放大倍数 为截止频率对于图5-22(b)所示的一阶有源高通滤波器,用类似的方法可求出有关参数为了使滤波器的幅频特性更加接近于理想特性,可以在一阶滤波电路的基础上,再增加一级RC电路,构成二阶滤波电路将高通滤波器和低通滤波器进行不同的组合,可以构成带通滤波器和带阻滤波器
十二、过零电压比较器 电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路,在测量、控制以及波形产生等方面有着广泛的应用在这类电路中,都要有给定的参考电压(基准电压)通常是将一个模拟电压信号与一个参考电压比较比较的结果(即比较器的输出),通常用两种电位分别表示被比信号的大或小在比较器中,电路不是处在开环工作状态,就是引入正反馈所以集成运放都工作在非线性区因而输出电压只有两种情况,不是+UOM就是-UOM也就是说,比较器的输入信号是连续变化的模拟量,而输出信号则是数字量,即“1”或“0”因此,比较器可以作为模拟电路与数字电路的接口参考电压为零的比较器称为过零电压比较器,简称过零比较器根据输入方式的不同又可分为反相输入式和同相输入式两种反相输入式过零比较器的同相输入端接地,而同相输入式过零比较器的反相输入端接地它们的电路及电压传输特性如图5-23所示对于反相输入式过零比较器,当输入信号电压ui>0时,输出电压uo为-UOM;当ui<0时,uo为+UOM如图5-23(a)、(c)对于同相输入式过零比较器,当输入信号电压ui>0时,输出电压uo为+UOM;当ui<0时,uo为-UOM如图5-23(b)、(e)为了使比较器的输出电压等于某个特定值,可以采取限幅的措施图5-23(d)中,电阻R和双向稳压管VZ构成限幅电路,稳压管的稳压值Uz<UOM,VZ的正向导通电压为UD所以输出电压uo=±(Uz+UD)在实用电路中常将稳压管接到集成运放的反相输入端,如图5-23(f)所示假设稳压管VZ截止,则集成运放必工作在开环状态,其输出不是+UOM就是-UOM;这样,稳压管就必然一个工作在稳压状态,一个工作在正向导通状态电路存在从uo到反向输入端的负反馈通路,所以反向输入端为虚地,uo则仍为±(Uz+UD)这种电路的优点是集成运放的净输入电压很小电阻R1一方面避免输入电压ui直接加在反相输入端,另一方面也限制了输入电流
十三、单限电压比较器 单限电压比较器(简称单限比较器)又称为电平检测器,可用于检测输入信号电压是否大于或小于某一特定值根据输入方式,可分为反相输入式、同相输入式和求和型三种他们的电路和相应的电压传输特性如图5-24所示其中图(a)和图(c)分别是反相输入式和同相输入式图中的UR是一个固定的参考电压,由它们的传输特性可以看 出,当输入信号ui的值等于参考电压UR时,输出电压uo就发生跳变传输特性上输出电压发生转换时的输入电压称为门限电压UTH单限比较器只有一个门限电压其值可以为正,也可以为负前面讨论过的过零比较器实际上是单限比较器的一种特例,它的门限电压UTH=0反相输入式和同相输入式单限比较器的工作原理与过零比较器类似只不过此时参考电压为UR,而不是零由以上讨论可以看出,只要改变参考电压UR的大小和极性,就可改变门限电压UTH的大小和极性
十四、滞回电压比较器 滞回电压比较器(简称滞回比较器)又称为施密特触发器这种比较器的特点是当输入电压ui逐渐增大以及逐渐减小时,两种情况下的门限电压不相等,传输特性呈现出“滞回”曲线的形状滞回比较器可以采用反相输入方式,也可以采用同相输入方式反相输入滞回比较器的电路及传输特性如图5-25所示Rf、R2将输出电压uo取出一部分反馈到同相输入端,从而引入了正反馈电路的工作原理如下当ui由小逐渐增大,开始时,由于u-=ui<u+,故输出高电平,即 uo=+(Uz+UD)此时同相输入端的电位为 当ui增大到使时,电路状态发生翻转,输出低电平,即 uo=-(Uz+UD)此时同相输入端的电位变为 在此状态下,若ui减小,只要,则仍维持输出低电平只有ui减小到使时,电路状态才发生翻转,输出高电平其电压传输特性如图5-25(b)所示 从曲线上可以看出,当UTH-<ui<UTH+,输出电压既可能是+(Uz+UD),又可能是-(Uz+UD)如果ui是从小于UTH-逐渐变大到UTH-<ui<UTH+,则输出为高电平;如果ui是从大于UTH+逐渐变小到UTH-<ui<UTH+,则输出应为低电平所以在电压传输特性曲线上应标明方向,如图中箭头所示由以上分析可以看出,滞回比较器有两个门限电压上门限电压UTH+和下门限电压UTH-,两者之差称为回差电压或门限宽度 ΔUTH=UTH+-UTH- (5-26)因此当输入信号通过一个门限电压,一旦输出发生翻转,即使ui中有干扰,只要此时ui的波动值小于门限宽度,则uo就不会发生错误翻转可见滞回比较器具有较强的抗干扰能力另外,由于电路中引入了正反馈,因而加速了比较器的翻转过程故滞回比较器具有比较陡的翻转斜率 这里需要说明的是,比较器可以用通用的集成运放组成,也可以采用专用的集成比较器用通用集成运放构成的比较器主要缺点是输出电平与数字逻辑电平不兼容需要对输出电压进行箝位(限幅),以满足数字电路逻辑电平的要求而专用集成电压比较器,其输出电平与数字电路的逻辑电平兼容,且响应速度较快例5-4 在图5-25所示电路中,已知R2=10kΩRf=20kΩ,稳压管的稳压值UZ=
11.3V,正向导通电压UD=
0.7V,输入电压波形如图5-26(a)所示,试画出uo的波形解 uo=±(Uz+UD)=±(
11.3+
0.7)=±12V UTH-=-4V 根据电压传输特性曲线便可画出uo的波形,如图5-26(b)所示
十五、方波发生器图5-27所示为方波发生器,虚线框内为滞回比较器,它的输出电压uo=±UOM,参考电压u+=±Rf、C组成一个负反馈网络,uo通过Rf对电容C充电使C上获得一个三角波电压uC运放将uC与u+进行比较,根据比较结果决定输出状态当uC>u+时,uo=-UOM;当uC<u+时,uo=+UOM设某一时刻输出电压uo=+UOM,则u+=+URuo通过电阻Rf对电容C充电(如图中实线箭头所示),u-随时间t逐渐升高,当t趋于无穷时,u-应趋于+UOM;但是,当uC>+UR时,uo就从+UOM跳变为-UOM,u+从+UR变为-UR电容C开始放电(如图中虚线箭头所示),u-随时间t逐渐降低,当时间t趋于无穷时,u-应趋于-UOM;但是,当u-<-UR时,uo就从-UOM跳变为+UOM,u+从-UR变为+UR,电容又充电就这样周而复始,电路产生自激振荡由于电容充电与放电时间常数相同,所以输出电压为对称的方波,即占空比为1/2的方波,如图5-27(b)所示所谓占空比是指方波的宽度TK与其周期T的比值电路的振荡周期为 (5-27)(完)。