集成运放的应用电路教案课件.pptx
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- 集成 应用 电路 教案 课件
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1、集成运放的应用电路2由于运放的开环放大倍数很大,输入电阻高,输出电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。阻小,在分析时常将其理想化,称其所谓的理想运放。一、在分析信号运算电路时对运放的处理+-uuou第1页/共109页3运放工作在线性区时的特点运放工作在线性区时的特点1.理想运放的差模输入电压等于零)uu(Auoo=0=odoAuuu即=uu2.理想运放的输入电流等于零=idr所以两个输入端均没有电流0=ii虚短虚断第2页/共109页4运放工作在非线性区时的特点运放工作在非线性区时的特点uiuo+UOPP-UOPP1.理想运放的输出电压U
2、o只有两种可能当oppooppoUuuuUuuu=时,时,2.理想运放的输入电流等于零0=ii例:若UOPP=12V,Ao=106,则|ui|12 V时,运放 处于线性区。Ao越大,运放的线性范围越小,必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。不再有“虚短”的关系第3页/共109页5二、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路虚断路放大倍数与负载无关,可以分开分析。0=iI=uu信号的放大、运算有源滤波电路运放线运放线性应用性应用+-uuouiI第4页/共109页6比例运算电路比例运算电路作用:将信号按比例放大。类型:同相比例放大和反相比例放大。方法:方法:引入深度电压并联负反馈
3、或电压串联负反馈。引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关,这样输出电压与运放的开环放大倍数无关,与输入电压和反馈系数有关。与输入电压和反馈系数有关。7.2 基本运算电路基本运算电路第5页/共109页7f12/RRR=1.比例运算电路比例运算电路vIvO-+RfR1AvNvPR20PN=vvfON1NIRvvRvv=I1fOvRRv=510 A。11 FA平衡电阻,使输入端对地平衡电阻,使输入端对地的静态电阻相等,保证静的静态电阻相等,保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。第6页/共109页8共模电压02=uu反馈方式电压并联负反馈电压并联负反馈输出
4、电阻很小!输出电阻很小!vIvO-+RfR1AvNvPR2第7页/共109页9反相比例电路的特点:1.共模输入电压为共模输入电压为0,因此对运放的共模抑制比,因此对运放的共模抑制比要求低。要求低。2.由于电压负反馈的作用,输出电阻小,可认由于电压负反馈的作用,输出电阻小,可认为是为是0,因此带负载能力强。,因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用,输入电阻小,由于并联负反馈的作用,输入电阻小,ri=ui/ii=R1,因此对输入电流有一定的要求。,因此对输入电流有一定的要求。4.在放大倍数较大时,该电路结构不再适用在放大倍数较大时,该电路结构不再适用。第8页/共109页10例:求Au=?I1I
5、2I4I3Muo_+R2R1RPuiR4R3利用虚断的概念112RuiII=220RIuM=iRRu12=303RuMI=132RuRRi=当R3I1因而I4(I2I3)比I1大得多)(32422IIRRIUo=34242)(IRIRR=13241)(42RURRRRUiiRR=)1(342142/RRRRRRUUuioA=该放大电路,在放大倍数较大时,可避免使用大电阻。但R3的存在,削弱了负反馈。第9页/共109页112.2.同相比例运算电路uN=u_P=ui1RuRuuifio=ifouRRu)1(1=反馈方式:电压串联负反馈。输入电阻高。111RRuuAfou=虚短虚短虚断虚断结构特点:
6、负反馈引到反相输入端,信号从同相端输入。vIvO-+RfR1AvNvP第10页/共109页12同相比例电路的特点:3.因为因为u-=u+=ui,不存在,不存在“虚地虚地”现象,共模输现象,共模输入电压为入电压为ui,因此对运放的共模抑制比要求高。,因此对运放的共模抑制比要求高。1.由于电压负反馈的作用,输出电阻小,可认由于电压负反馈的作用,输出电阻小,可认为是为是0,因此带负载能力强。,因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用,输入电阻大。由于串联负反馈的作用,输入电阻大。第11页/共109页13iouuuu=此电路是电压并联负反馈,输入电阻大,输此电路是电压并联负反馈,输入电阻大,输出电阻
7、小,在电路中作用与分离元件的射极输出出电阻小,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。器相同,但是电压跟随性能好。电压跟随器结构特点:输出电压全部引到反相输入端,信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。vIvO-+AvNvPIOvv=第12页/共109页14求和运算电路求和运算电路作用:作用:将若干个输入信号之和或之差按比将若干个输入信号之和或之差按比例放大。例放大。类型:同相求和和反相求和。方法:方法:引入深度电压并联负反馈或电压串联引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关,与输入电压和反
8、馈系放大倍数无关,与输入电压和反馈系数有关。数有关。第13页/共109页151.1.反相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数,以适应不同的需要。FPR/R/RR1211=R2RfR1vS2vS1iIvON+-Rp第14页/共109页160=uufiii=1211)(212111ififouRRuRRu=uo调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻,不影调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻,不影响输入电压和输出电压的比例关系,调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系,调节方便。i12ifi11R12_+RfR11ui2RPui1第15页/共109页172.2.同相求和运算实际应用时可适
9、当增加或减少输入端的个数,以适应不同的需要。22211R/RR/RF=-R1RF+ui1uoR21R22ui2第16页/共109页18此电路如果以 u+为输入 ,则输出为:=uRRuFo)1(1)(1(212111111211121iiFouRRRuRRRRRu=注意:同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影注意:同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响,不能单独调整。响,不能单独调整。流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0(虚开路)虚开路)22221211222122iiuRRRuRRRu=-R1RF+ui1uoR21R22ui2第17页/共109页19左图也是同相求和运算电路,如
10、何求同相输入端的电位?提示:提示:1.虚开路:流入同相端的虚开路:流入同相端的电流为电流为0。2.节点电位法求节点电位法求u+。-R1RF+ui1R21R22ui2R2221211RuRuuRuui=2221/),(222211RRRRRupRuRupii=其中即oRRRuuf=11=uu而)()1(2222111RuRupRRoiifRu=uo第18页/共109页20uo=uu11RuuRuuifo=fiRuRuu=12)(121iifouuRRu=解出:减运算电路(差动放大器)_+RfR1R1ui2R2ui1第19页/共109页21差动放大器放大了两个信号的差,但是它的输入电阻不高(=2R
11、1),这是由于反相输入造成的。Rf_+R1R1ui2R2ui1第20页/共109页22单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数,以适应不同的需要。uo643521R/R/RR/R/R=R2_+R5R1ui2ui1R4ui4ui3R3R6第21页/共109页23)(/(4433643RuRuRRRuii=uu52211RuuRuuRuuoii=虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路)()111(44332211552122115RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiiiio=643521R/R/RR/R/R=R2_+R5R1ui2ui1R4ui4ui3R3R6第22页/共1
12、09页24例:设计一个加减运算电路,RF=240k,使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。系数为负的信号从反相端输入,系数为正的信号从同相端输入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3第23页/共109页25(2)求各电阻值。FRRRRR/3421=)(332211RuRuRuRuiiiFo=k240FRuo=10ui1+8ui2-20ui3=k241R=k302R=k123R=k804R-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3第24页/共109页26优点:元件少,成本低。优点:元件少,成本低。)(443322115RuRuRuRuRuiiiio=缺点:缺点:
13、要求要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不。阻值的调整计算不方便。方便。单运放的加减运算电路改进:改进:采用双运放电路。采用双运放电路。第25页/共109页27双运放的加减运算电路25461213FFR/R/RR,R/R/RR=)(221111RuRuRuiiFo=53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6第26页/共109页28例:例:A/D变换器要求其输入电压的幅度为变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V,现,现有信号变化范围为有信号变化范围为-5V+5V。试
14、设计一电平抬高。试设计一电平抬高电路,将其变化范围变为电路,将其变化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路A/D计算机uiuouo=0.5ui+2.5 V第27页/共109页29uo=0.5ui+2.5 V =0.5(ui+5)V)5(5.0)5(20101=iiouuu)5(5.020201=ioouuu_+10k 20k+5V5k ui20k uo1uo_+20k 20k 10k 第28页/共109页30三运放电路uouo2uo1R1R1A3R2R2+A1A2RRRWui1ui2ab+第29页/共109页311 iauu=2ibuu=WbaWooRuuRRuu=221W
15、iiRuu21=12oouu)(212iiWWuuRRR虚断:虚断:虚短:虚短:+AARRRWui1ui2ab+1ou2ou第30页/共109页32)(21212iiWWouuRRRRRu=三运放电路是差三运放电路是差动放大器,放大动放大器,放大倍数可变。倍数可变。由于输入均在同由于输入均在同相端,此电路的相端,此电路的输入电阻高。输入电阻高。)(1212ooouuRRu=R1R1AR2R2+1ou2ouou第31页/共109页33例:由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt:热敏电阻集成化:仪表放大器uoR1R1R2R2+RRRWE=+5VRRRRtuiA1+A1+A1第32页/共109页34
16、Rt=f(TC)ERRRREERRRutttti)(22=ERRRRRRRRRuRRRRRuttWWiWWo)(2221212=uoR1R1R2R2+RRRWE=+5VRRRRtuiA1+A1+A1第33页/共109页351.它们都引入电压负反馈,因此输出电阻都比它们都引入电压负反馈,因此输出电阻都比较小较小。2.关于输入电阻:反相输入的输入电阻小,同关于输入电阻:反相输入的输入电阻小,同相输入的输入电阻高。相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高,反相输入的共模电同相输入的共模电压高,反相输入的共模电压小。压小。比例运算电路与加减运算电路小结第34页/共109页36Ruii=1dtduC
17、ioF=dtuRCuio1uit0tuo0输入方波,输出是三角波。积分运算应用举例1 1:积分运算电路积分运算电路i1iFui-+RR2Cuo第35页/共109页37u=u+=0RuioF=dtduCii=1Fii=1dtduRCuio=uit0t0uotuisin=若输入:则:=)90sin(coso=tRCtRCuo微分运算u i+uoRR2i1iFC微分运算电路微分运算电路第36页/共109页38=toUdtRCu01MomUTRCU1=URCUTomM=tui0tuo0U-UomTM积分时限积分时限应用举例应用举例2:如果积分器从某一时刻输入一直流电压,如果积分器从某一时刻输入一直流电
18、压,输出将反向积分,经过一定的时间后输出输出将反向积分,经过一定的时间后输出饱和。饱和。思考:如果输入是正弦波,输出波形怎样,请思考: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。自己计算。运放实验中请自己验证。第37页/共109页39其他一些运算电路:对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等,由于课时的限制,不作为讲授内容。积分电路的主要用途:积分电路的主要用途:1.在电子开关中用于延迟。在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例:将方波变为三角波。波形变换。例:将方波变为三角波。3.A/D转换中,将电压量变为时间量。转换中,将电压量变为时间量。4.移相。移相。第38页/共1
19、09页40比例、积分、微分运算电路-PID电路=dtuCRdtduCRuCCRRuIIIo211221121)(调节电路第39页/共109页4111Ruiiif=dtuCRuRRuRiuiFiFCFfo111=dtuCRdtiCuiFfFc111uiuo +-R2CFi1R1PI调节器ifucRF-+A1比例积分运算电路-PI调节器比例微分运算电路-PD调节器uiuo +-R2CFi1R1PD调节器ifucR-+A1C)dd(i1OtuRCuRRui=第40页/共109页42运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。图及放大倍
20、数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用会用“虚断虚断(ii=0)”和和“虚短虚短(u+=u)”分析给分析给定运算电路的定运算电路的 放大倍数。放大倍数。第41页/共109页431.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电 压 进 行 比 较,输 出 只 有 两 种 可 能 的 状 态:高电平或低电平。2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区;处于开环状态或引入正反馈。3.分类:单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元,在 测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。7.3 非正弦波产生电路电压比
21、较器电压比较器第42页/共109页44一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系)(OIufu=2.阈值电压:UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时,uO跃变的方向。第43页/共109页45二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP uN NO UOM集成运放的电压传输特性在电压比较器中,集成运放不是工作在开环状态,就是工作在正反馈。第44页/共109页46一、单限电压比较器一、单限电压比较器1.过零比较器由
22、于理想运放的开环差模增益为无穷大,所以当 uI 0 时,uO=-UOM;过零比较器的传输特性为:uIuO+UOM-UOMOUOM 为集成运放的最大输出电压。阈值电压:当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。第45页/共109页47利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ问题:如将输入信号加在“+”端,传输特性如何?第46页/共109页48vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL传输特性uIuO+UOpp -UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波第47页/共109页492.单限比较器单限比较器单限比较器有一个门限电平,
23、当输入电压等于此门限电平时,输出端的状态立即发生跳变。REF21TURRuUI=当输入电压 uI 变化,使反相输入端的电位为零时,输出端的状态将发生跳变,门限电平为:uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZREF12URR过零比较器是门限电平为零的单限比较器。R1R2第48页/共109页50存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单限比较器的作用:检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。缺点:抗干扰能力差。解决办法:采用具有滞回 传输特性的比较器。第49页/共109页51电压比较器分析方法小结(1)由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH和输出低电平UOL。(2)写出
24、up和uN的电位表达式,令up=uN,解得输入电压就是阈值电压UT。(3)u0在uI 过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时,uIUT,u0=U0L。反之,结论相反。第50页/共109页52例在图所示电路中,UZ=6V,在图中所示电路中,R1=R2=5k,基准电压UREF=2V,稳压管的稳定电压UZ=5V;它们的输入电压均为图(a)所示的三角波。试画出图所示电路的输出电压u01和图所示电路的输出电压u02 解图为过零比较器图为一般单限比较器。VURRU2REF21T=图例波形图R1R2第51页/共109页532.滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电
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