集成運算放大器及應用.ppt

第六講集成運算放大器及應用 集成運算放大器是模擬集成器件中的一類 是一種高放大倍數 放大倍數通常大于104 的直接耦合多級放大器 優(yōu)點 體積小 高性能應用領域 測量裝置 自動控制 信號變換等 直接耦合放大器 直接耦合放大電路就是把前一級的輸出直接通過導線加到后一級的輸入端進行放大的電路 放大的信號 變化很緩慢的信號 交流信號 簡單的直接耦合放大電路 集成運算放大器 1 集成電路集成電路按其功能的不同 可以分為數字集成電路和模擬集成電路 模擬集成電路按其功能又可分為通用集成電路和專用集成電路 通用集成電路 就是只需要改變外部電路結構 就可對信號實現不同處理的集成電路 如集成運算放大器 按構成有源器件的類型來分 則可分為雙極型和單極型 按元器件的集成度來分 又可分為小規(guī)模 中規(guī)模 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路 集成電路的特點 1 采用直接耦合放大電路 2 偏置電流小 3 用有源元件代替無源元件 電阻元件是利用硅半導體材料的體電阻制成 4 對稱性好 同類元件性能比較一致 溫度特性也基本相同 5 采用復合管結構形式 6 電路中使用的二極管 大都采用三極管的發(fā)射結構成 集成運算放大器的組成 輸入級 中間級 輸出級和偏置電路 1 輸入級作用是提供與輸出端成同相關系和反相關系的兩個輸入端 一般采用具有恒流源的差動放大電路 2 中間放大級又稱為增益級 一般采用共發(fā)射極放大電路 主要作用是進行電壓放大 3 輸出級一般采用射極輸出器或互補對稱功率放大電路 作用是向負載提供一定的功率 4 偏置電路主要作用是向各級放大電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流 典型的集成運算放大器F007簡介1 F007的原理電路 2 中間級由V16 V17組成復合管 由V12 V13組成的鏡像電流源作為有源負載 其主要任務是提供足夠大的電壓放大倍數 同時還要向輸出級提供較大的推動電流 3 輸出級主要由V14和復合管V18 V19組成的準互補對稱功率放大電路 主要作用是向負載提供足夠大的輸出電流和輸出功率 4 偏置電路電路由V8 V13管以及電阻R4 R5等元件組成 其主要作用是減小零點漂移 穩(wěn)定工作點 提高整個電路的共模抑制比 2 引腳及符號外形通常有雙列直插式 扁平式和圓殼式三種 集成運算放大器的外形圖 a 雙列直插式 b 扁平式 c 圓殼式 集成運算放大器用符號來表示 國產F007型集成運算放大器 下端共有12個管腳 圖3 3 5F007的外形 引腳及連接示意圖 a 外形圖 b 引腳圖 c 符號及外電路連接圖 集成運放的主要技術指標 1 開環(huán)差模電壓放大倍數一般用對數表示 dB 2 最大輸出電壓指在額定電源條件下 集成運放的最大不失真輸出電壓的峰值 圖3 3 6集成運放的傳輸特性 3 差模輸入電阻RidRid的大小反映了集成運放輸入端向信號源索取電流的大小 4 輸出電阻R0R0的大小反映了集成運放帶負載的能力 R0愈小愈好 5 共模抑制比KCMR反映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力 一般也用對數表示 dB 負反饋放大電路 反饋的基本概念1 放大器中的反饋反饋 就是將放大電路輸出信號的一部分或全部經過一定的電路 稱為反饋電路 送回到放大電路的輸入回路 并同輸入信號一起參與放大器的輸入控制作用 從而使放大器的某些性能獲得有效改善的過程 負反饋放大電路 反饋放大電路用方框圖表示基本放大電路 可以是單級或多級分立元件組成的放大器 也可以是集成運算放大器 反饋電路 聯(lián)系放大器的輸出電路和輸入電路的環(huán)節(jié) 可由電阻 電容 電感等元件組成 負反饋放大電路 運算放大器的應用 集成運算放大器的基本分析方法1 低頻等效電路Ri為差模輸入等效電阻 Ri兩端的電壓就是差模輸入電壓uid R0為放大器的輸出電阻 Aud為差模電壓放大倍數 Auc為共模電壓放大倍數 Auduid為輸出端等效電壓源 運算放大器低頻等效簡化電路 2 理想的集成運算放大器 1 開環(huán)電壓放大倍數 2 開環(huán)輸入電阻 3 開環(huán)輸出電阻 0 規(guī)定 1 代表集成運放同相輸入端的電位 2 代表集成運放反相輸入端的電位 3 代表集成運放輸出為低電平 4 代表集成運放輸出為高電平 虛短 與 虛斷 兩個重要特點 1 虛短 概念輸出電壓為有限值 開環(huán)電壓放大倍數為 有 兩個輸入端電位近似相等 3 5運算放大器的應用 2 虛斷 概念由于理想運算放大器的開環(huán)輸入電阻Ri 故在兩個輸入端沒有電流流入運算放大電路的內部 即 即理想運放輸入電流近似為零 輸入方式一般采用反相輸入 同相輸入和差動輸入三種輸入方式 模擬信號運算1 比例運算 1 反相比例運算放大電路Rf是反饋電阻 R1為輸入電阻 R2是補償電阻 也叫輸入平衡電阻 反相比例運算放大電路 由 可以得到輸入電壓近似為零 所以 即 而 電壓放大倍數 輸出電壓與輸入電壓成比例關系 負號表示相位相反 注意 實際運算放大電路端的電位并不等于零 但很接近零值 不是真正接地 稱端為 虛地 在所示的電路中 如果 試求 的值 解 電壓放大倍數 輸出電壓為 補償電阻 圖3 5 4反相比例運算放大電路 2 同相比例運算放大電路上幾乎無電流 因此 圖3 5 5同相比例運算電路 輸出電壓為 電壓放大倍數 在所示電路中 已知 試求輸出電壓的大小 圖3 5 6例3 5 2電路 解 輸入電壓為 輸出電壓為 加減法運算加法運算放大電路三個輸入信號 均從反相輸入端輸入 為反饋電阻 同相輸入端經過補償電阻接地 推導 圖3 5 7加法運算放大電路 輸出電壓為 如果 補償電阻的大小為 3 5運算放大器的應用 已知反向運算電路的反饋電阻 輸出結果 求電路中電阻的阻值 并畫出電路圖 圖3 5 8例3 5 3設計電路 比較 可得 因為所以 補償電阻R為 解 3 5運算放大器的應用 2 減法運算放大電路一個輸入信號接在反相輸入端 另一個輸入信號接在同相輸入端 當單獨作用于電路時 輸出電壓為 當單獨作用于電路時 輸出電壓為應為兩部分輸出電壓的代數和 當 可寫為 當時 減法運算電路 積分和微分運算 1 積分運算放大電路反饋電阻用電容C代替 根據運放電路 虛短 和 虛斷 的特點 可得 輸出電壓與輸入電壓的積分成正比 一般用于波形變換 延遲以及移相 積分運算電路 微分運算放大電路根據運放電路 虛短 和 虛斷 的特點 可得 正比于與輸入電壓對時間的微分 微分運算電路 信號處理1 電壓比較電路用來比較兩個或多個模擬信號量的大小 電路輸出的高低電平表示比較的結果 集成運放用作比較器時 工作在開環(huán)狀態(tài) 即使輸入端有一個非常微小的差值信號 也會使輸出電壓達到飽和值 接近或 稱為集成運放的非線性運用 1 基本電壓比較器將一個模擬量的電壓信號和一個參考電壓量進行比較 當時 當時 當時 輸入信號與零進行電壓比較 電路稱為過零比較器 電壓比較器電路 a 電路 b 電壓傳輸特性 圖3 5 13過零比較器電壓傳輸特性 當為正弦波電壓時 則輸出為方波電壓 限幅的電壓比較器 將輸出電壓限制在某一特定值 有限幅的電壓比較器 a 電路 b 電壓傳輸特性 過零比較器將正弦波電壓變換為方波電壓 當時 當時 2 滯回比較器滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器 輸入信號從反相端輸入 同相端的參考電壓是由輸出電壓經正反饋取得的 輸出電壓在之間變化時 也跟著變化 同相輸入端參考電壓為上門限電平 當增大到時 運放輸出電壓從跳變到 下門限電平 圖3 5 16 a 滯回電壓比較器電路 UZ 當減小到時 輸出電壓從跳變到 同相輸入端參考電壓又變?yōu)?例 輸入電壓為正弦波 則輸出電壓將變成幅度為的波形 滯回電壓比較器傳輸特性 滯回電壓比較器將正弦波變?yōu)榫匦尾?