集成运放与其应用PPT课件.ppt

1、第六章集成运算放大器及其应用电路第六章集成运算放大器及其应用电路6.1理想的集成运放理想的集成运放6.2比例运算电路比例运算电路6.3求和与积分电路求和与积分电路6.4电压比较器电压比较器6.1理想的集成运放理想的集成运放一、集成运算放大器符号一、集成运算放大器符号+Aod 其内部是一个以差分放大电路为输入级的多其内部是一个以差分放大电路为输入级的多级直接耦合放大电路级直接耦合放大电路v- -v+ +vo o+- -二、电路原理图二、电路原理图图图 1F007 电路原理图电路原理图三、理想运放的传输特性三、理想运放的传输特性+UOMuOu+- -u- -O- -UOM理想特性理想特性理想运放理

2、想运放工作区：线性区和非线性区工作区：线性区和非线性区6.1.2理想运放理想运放一、理想运放的性能指一、理想运放的性能指标标开环差模电压增益开环差模电压增益 Aod = ；输出电阻输出电阻 ro = 0；共模抑制比共模抑制比 KCMR = ；差模输入电阻差模输入电阻 rid = ；UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0；输入偏置电流输入偏置电流 IIB = 0；- - 3 dB 带宽带宽 fH = ，等等。，等等。二、理想运放在线性工作区二、理想运放在线性工作区输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即大关系，即)(od

3、O- - - - uuAu- -u uOu- -i i+Aod理想运放工作在线性区特点：理想运放工作在线性区特点：1. 理想运放的差模输入电压等于零理想运放的差模输入电压等于零0)(odO - - - Auuu即即- - uu“虚短虚短”0-uu“虚地虚地”如如2. 理想运放的输入电流等于零理想运放的输入电流等于零由于由于 rid = ，两个输入端均没有电流，即，两个输入端均没有电流，即0 - - ii“虚断虚断”三、理想运放的非线性工作区三、理想运放的非线性工作区+UOMuOu+- -u- -O- -UOM理想特性理想特性工作在线性区的条件：工作在线性区的条件：电路引入负反馈电路引入负反馈理

4、想运放工作在非线性区特点：理想运放工作在非线性区特点：当当 u+ u-时，时，uO = + UOM当当 u+ u-时时, uO = - - UOM1. uO 的值只有两种可能的值只有两种可能在非线性区内，在非线性区内，( (u+ - - u-) )可能很大，即可能很大，即 u+ u-。 “虚地虚地”不存在不存在2. 理想运放的输入电流等于零理想运放的输入电流等于零0NPii运放工作在非线性区条件：运放工作在非线性区条件：电路开环或引入正反馈电路开环或引入正反馈一般来说运放没有引入负反馈工作在线性区的范围一般来说运放没有引入负反馈工作在线性区的范围将很小。将很小。 实际运放实际运放 Aod ，当

5、，当 u+ 与与 u-差值很小时，仍有差值很小时，仍有 Aod (u+- - u- )，运放工作在线性区。，运放工作在线性区。例如：例如：F007 的的 UoM = 14 V，Aod 2 105 ，线性，线性区内输入电压范围区内输入电压范围V70102V 145odOM-AUuuNPuOuP- -uN NO实际特性实际特性非线性区非线性区非线性区非线性区线性区线性区6.2基本运算电路基本运算电路 集成运放的应用首先表现在它能够构成各种集成运放的应用首先表现在它能够构成各种运算电路上。运算电路上。 在运算电路中，集成运放必须工作在线性在运算电路中，集成运放必须工作在线性区，在深度负反馈条件下，能

6、够实现各种数学区，在深度负反馈条件下，能够实现各种数学运算。运算。基本运算电路包括：基本运算电路包括：比例、加减、积分、微分、对数、指数比例、加减、积分、微分、对数、指数6.2.1比例运算电路比例运算电路几点说明：几点说明：* R2 = R1 / RF由于由于“虚断虚断”，i+= 0，u+ = 0；由于由于“虚短虚短”， u- - = u+ = 0“虚地虚地”由由 iI = iF ，得，得Fo1IRuuRuu- - - - - -IFIofRRuuAu- - 反相输入端反相输入端“虚地虚地”，电路的输入电阻为，电路的输入电阻为Rif = R1图图 6.2.11.基本电路基本电路(电压并联负反馈

7、电压并联负反馈)一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路IIFouRRu-引入引入深度电压并联负反馈深度电压并联负反馈，电路的输出电阻为，电路的输出电阻为R0f =0二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路*R2 = R1 / RF根据根据“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点，可知的特点，可知i+ = i- - = 0；又又 u- - = u+ = uOF11uRRRu - -所以所以IOF11uuRRR 所所以以IFIOf1RRuuAu 得：得：由于该电路为电压串联负由于该电路为电压串联负反馈，所以输入电阻很高。反馈，所以输入电阻很高。IIFo)1 (uRRu图图 6.2.3uRif= Ri

8、( 1+Aod Kf )当当 图图6.2.3RF = 0 或或 R1 = 时，如下图所示时，如下图所示三、电压跟随器三、电压跟随器Auf = 1u0= uI集成电压跟随器性集成电压跟随器性能优良，常用型号能优良，常用型号AD9620计算方法小结计算方法小结1.列出关键结点的电流方程，如列出关键结点的电流方程，如 P端和端和N端。端。2.根据虚短根据虚短(地地)、虚断的原则，进行整理。、虚断的原则，进行整理。*四差分比例运算电路四差分比例运算电路11RR FFRR 图图 差分比例运算电路差分比例运算电路在理想条件下，由于在理想条件下，由于“虚断虚断”，i+ = i- - = 0IF1FuRRRu

9、 OF11IF1FuRRRuRRRu - -由于由于“虚短虚短”， u+ = u- - ，所以：，所以：IF1FOF11IF1FuRRRuRRRuRRR 1FIIOfRRuuuAu- - - - 电压放大倍数电压放大倍数差 模 输 入差 模 输 入电阻电阻Rif = 2R1例：例：T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路图图 T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路电阻电阻R2 、 R3和和R4构成构成T形网络电路形网络电路节点节点N的电流方程为的电流方程为22M1IiRuRu-I3123M3uRRRRui-i4 = i2 + i3输出电压输出电压u0= -i2 R2 i4 R4

10、所以所以将各电流代入上式将各电流代入上式I342I42o)/1 (uRRRRRRu-五比例电路应用实例五比例电路应用实例两个放大级。结构对称两个放大级。结构对称的的 A1、A2 组成第一级，互组成第一级，互相抵消漂移和失调。相抵消漂移和失调。A3 组成差分放大级，组成差分放大级，将差分输入转换为单端输将差分输入转换为单端输出。出。当加入差模信号当加入差模信号 uI 时，若时，若 R2 = R3 ，则，则 R1 的中点为交的中点为交流地电位，流地电位，A1、A2 的工作情况将如下页图中所示。的工作情况将如下页图中所示。图图 三运放仪用放大器原理图三运放仪用放大器原理图由同相比例运放的电压由同相比

11、例运放的电压放大倍数公式，得放大倍数公式，得1212I1O1212/1RRRRuu I112O1)21(uRRu 则则同理同理I212I213O2)21()21(uRRuRRu 所以所以I12I2I112O2O1)21()(21(uRRuuRRuu - - - -则第一级电压则第一级电压放大倍数为：放大倍数为：12Io2o121RRuuu - -改变改变 R1，即可，即可调节放大倍数。调节放大倍数。R1 开路时，得开路时，得到到单位增益单位增益。A3 为差分比例放大电路。为差分比例放大电路。当当 R4 = R5 ，R6 = R7 时，得第时，得第二级的电压放大倍数为二级的电压放大倍数为46O2

12、O1ORRuuu- - - -所以所以总的电压放大倍数总的电压放大倍数为为)21(1246Io2o1o2o1oIoRRRRuuuuuuuuAu - - - - - - 在电路参数对称的条件下，在电路参数对称的条件下，差模输入电阻差模输入电阻等于两个等于两个同相比例电路的输入电阻之和同相比例电路的输入电阻之和idod211i)21(2RARRRR 例：在数据放大器中，例：在数据放大器中， R1 = 2 k ， R2 = R3 = 1 k ， R4 = R5 = 2 k ， R6 = R7 = 100 k ，求电压放大倍数；，求电压放大倍数； 已知集成运放已知集成运放 A1、A2 的开环放大倍数的

13、开环放大倍数 Aod = 105，差模输入电阻差模输入电阻 Rid = 2 M ，求放大电路的输入电阻。，求放大电路的输入电阻。100)2121(2100)21( 1246IO- - - - - - RRRRuuAu解：解： M102M 2)1012221(2)21(2 55idod211iRARRRR6.2.2加减运算电路加减运算电路一、求和运算电路。一、求和运算电路。1.反相求和运算电路反相求和运算电路F321/RRRRR 由于由于“虚断虚断”，i- - = 0所以：所以：i1 + i2 + i3 = iF又因又因“虚地虚地”，u- - = 0所以：所以：FO3I32I21I1RuRuRu

14、Ru- - )(I33FI22FI11FOuRRuRRuRRu - - 当当 R1 = R2 = R3 = R 时，时，)(I3I2I11FOuuuRRu - - 图图 7.2.72同相求和运算电路同相求和运算电路由于由于“虚断虚断”，i = 0，所以：，所以：RuRuuRuuRuu - - - - - - 3I32I21I1解得：解得：I33I22I11uRRuRRuRRu 其中：其中：RRRRR /321由于由于“虚短虚短”，u+ = u- -)(1()1()1(I33I22I111F1F1FOuRRuRRuRRRRuRRuRRu - -二、加减运算电路二、加减运算电路利用叠加原理求解利用

15、叠加原理求解图图(a)为反相求和运算电路为反相求和运算电路)(I22FI11FO1uRRuRRu-)(I44FI33FO2uRRuRRu图图(b)为同相求和运算电路为同相求和运算电路)(2I21I14I43I3FORuRuRuRuRu-若电路只有二个输入，且参数若电路只有二个输入，且参数对称，电路如图对称，电路如图)(I1I2FOuuRRu-上式则为上式则为图图 差分比例运算电路差分比例运算电路电路实现了对输入差模信号的比例运算电路实现了对输入差模信号的比例运算若若R1/R2/RfR3/R4/R5改进电路图：高输入电阻差分比例运算电路改进电路图：高输入电阻差分比例运算电路I1IF1o1)1 (

16、uRRuI23F2o13F2o)1 (uRRuRRu-若若R1 = RF2，R3 = RF1)(1 (I1I23F2ouuRRu-例：用集成运放实现以下运算关系例：用集成运放实现以下运算关系I3I2I1O3 . 1102 . 0uuuu - - 解：解：)3 . 12 . 0()(I3I1I33F1I11F1O1uuuRRuRRu - - - - )10()(I2O1I24F2O12F2OuuuRRuRRu - - - - )3 . 12 . 0()(I3I1I33F1I11F1O1uuuRRuRRu - - - - )10()(I2O1I22F2O14F2OuuuRRuRRu-比较得：比较得

17、：10, 1,3 . 1,2 . 02F24F23F11F1 RRRRRRRR选选 RF1 = 20 k ，得：，得： R1 = 100 k ， R3 = 15.4 k ；选选 RF2 = 100 k ，得：，得： R4 = 100 k ， R2 = 10 k 。 k8/F1311RRRR k3 . 8/F2422RRRR6.2.3积分运算电路和微分运算电路积分运算电路和微分运算电路一、积分运算电路一、积分运算电路RR 由于由于“虚地虚地”，u- - = 0，故，故uO = - -uC由于由于“虚断虚断”，iI = iC ，故，故uI = = iIR = iCR得：得： - - - - - -

18、 tuRCtiCuuCCd1d1IO = RC积分时间常数积分时间常数图图 7.2.16(动画动画avi12-1.avi)积分电路的输入、输出波形积分电路的输入、输出波形( (一一) )输入电压为阶跃信号输入电压为阶跃信号图图 6.3.2t0t1tuIOtuOOUI)(d10IIOttRCUtuRCu- - - - - 当当 t t0 时，时，uI = 0， uO = 0；当当 t0 t1 时，时， uI = 0，uo 保持保持 t = t1 时的输出电压值不变。时的输出电压值不变。即输出电压随时间而向负方向直线增长。即输出电压随时间而向负方向直线增长。 问题：如输入波形为方波，输出波形为何波

19、？问题：如输入波形为方波，输出波形为何波？( (二二) )输入电压为正弦波输入电压为正弦波tUu sinmI tRCUttURCu cosdsin1mmO - - tuOORCU m可见，输出电压的相位比输入电压的相位领可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先先 90 。因此，此时积分电路的作用是。因此，此时积分电路的作用是移相移相。 tuIOUm 2 3二、微分运算电路二、微分运算电路图图 基本微分电路基本微分电路由于由于“虚断虚断”，i- - = 0，故，故iC = = iR又由于又由于“虚地虚地”， u+ = = u- - = 0 = 0 tuRCRiRiuCRddCO- - - - -

20、 - 可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。实现波形变换，如将方波变成双向尖顶波。实现波形变换，如将方波变成双向尖顶波。1.基本基本微分运算电路微分运算电路微分电路的作用：微分电路的作用：微分电路的作用有移相微分电路的作用有移相 功能。功能。二、指数运算电路二、指数运算电路当当 uI 0 时，根据时，根据集成运放反相输入端集成运放反相输入端“虚地虚地”及及“虚断虚断”的的特点，可得：特点，可得：TTUuUuIIiIBEeeSSI 所以：所以：TUuRRIRiRiuIeSIO- - - - - - 可见，输出电压正比于输入电压的指数。可见，输出电压正

21、比于输入电压的指数。图图 7.2.27指数运算电路指数运算电路1.基本电路基本电路2.集成指数运算电路集成指数运算电路在集成运算电路中，利用二只双极性晶体管特性的对称在集成运算电路中，利用二只双极性晶体管特性的对称性，消去性，消去IS对运算关系的影响；并且，采用热敏电阻补对运算关系的影响；并且，采用热敏电阻补偿偿UT的变化。的变化。分析过程见分析过程见教材教材P330.图图 7.2.28集成指数运算电路集成指数运算电路乘法运算电路乘法运算电路RIuuRIuSIIUuT21SO03e-图图7.2.30乘法运算电路乘法运算电路同理：同理：除法电路的输出电压正比于其两个输入电压相除法电路的输出电压正

22、比于其两个输入电压相除所得的商，即：除所得的商，即：I2I1Ouuu 求对数，得：求对数，得：I2I1I2I1Olnlnlnlnuuuuu- - 再求指数，得：再求指数，得：I2I1lnlnOeuuu- - 所以只需将乘法电路中的求和电路改为减法电路即所以只需将乘法电路中的求和电路改为减法电路即可得到除法电路的方块图：可得到除法电路的方块图：对数电路对数电路对数电路对数电路uI1uI2lnuI1lnuI2减法减法电路电路lnuI1- - lnuI2指数电路指数电路I2I1Ouuu 7.2.6集成运放性能指标对运算误差的影响集成运放性能指标对运算误差的影响（略）（略）模拟乘法器及其在运算电路中的应用模拟乘法器及其在运算电路中的应用模拟乘法器可用来实现乘、除、乘方和开方运算电路模拟乘法器可用来实现乘、除、乘方和开方运算电路在电子系统之中用于进行模拟信号的处理。在电子系统之中用于进行模拟信号的处理。7.3.1模拟乘法器简介模拟乘法器简介输出电压正比于两个输输出电压正比于两个输入电压之积入电压之积uo = KuI1uI2uI1uI2uO图图 7.3.1模拟乘法器符号模拟乘法器符号比例系数比例系数 K 为正值为正值同相乘法器；同相乘法器；比例系数比例系数 K 为负值为负值反相乘法器。反相乘法器。