合肥工業(yè)大學(xué)模電課件二下.ppt
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2集成運(yùn)放及其基本運(yùn)用,本章重點(diǎn),1.各種基本單元運(yùn)算電路及綜合運(yùn)算。,2.電壓比較器的傳輸特性,本章討論的問(wèn)題：,1.什么是理想運(yùn)放？指標(biāo)參數(shù)有哪些？,2.為什么在運(yùn)算放大電路中集成運(yùn)放必須工作在線性區(qū)？為什么理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)會(huì)有虛短和虛斷？,3.有哪些基本運(yùn)算電路？怎樣分析運(yùn)算電路的運(yùn)算關(guān)系？,4.電壓比較器與放大電路有什么區(qū)別？集成運(yùn)放在電壓比較器和運(yùn)算放大電路中的工作狀態(tài)一樣嗎？,2.1放大的概念和電路主要指標(biāo),2.1.1放大的概念,放大的對(duì)象：模擬量。常用正弦波作測(cè)試信號(hào)。放大的本質(zhì)：能量的控制和轉(zhuǎn)換。在輸入信號(hào)的作用下，通過(guò)放大電路，將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能量，使負(fù)載上獲得的能量大于信號(hào)源提供的能量。,第2章集成運(yùn)放及其基本運(yùn)用,放大電路的核心元件：有源元件。用于能量的控制和轉(zhuǎn)換。放大的特征：功率放大。負(fù)載上獲得比輸入信號(hào)大得多的電壓或電流，或者兼而有之。放大的基本要求：不失真。這是放大的前提，要求放大電路中的有源元件工作在合適的區(qū)域，使輸入量與輸出量始終保持線性關(guān)系。,2.1.2.放大電路的性能指標(biāo),1.放大電路的框圖,圖2.1.2放大電路示意圖,2、性能指標(biāo)（1）放大倍數(shù),放大電路示意圖,放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的重要指標(biāo),（2）輸入電阻和輸出電阻輸入電阻Ri,放大電路一定要有前級(jí)（信號(hào)源）為其提供信號(hào)，那么就要從信號(hào)源索取電流。輸入電阻是衡量放大電路從其前級(jí)取電流大小的參數(shù)。輸入電阻越大，從其前級(jí)取得的電流越小。,Ri=Ui/Ii,電壓放大的情況下，Ri越大越好。Why？,輸出電阻對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō),放大器的輸出端口等效為一個(gè)信號(hào)源，其內(nèi)阻就是放大電路的輸出電阻，也就是從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效電阻。,計(jì)算輸出電阻的方法之一：測(cè)出空載輸出電壓和有載(負(fù)載為RL)輸出電壓Uo，則：,輸出電阻R0的大小反映了放大電路帶負(fù)載的能力。R0愈小，負(fù)載電阻變化時(shí)，Uo的變化愈小，放大電路帶負(fù)載的能力愈強(qiáng)。,3.通頻帶(衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力)一般寬頻帶放大器的幅頻特性如圖所示，一般情況下，放大電路只適用于放大某一特定頻率范圍的信號(hào)，在輸入信號(hào)頻率太高或太低時(shí)，放大倍數(shù)的值會(huì)下降并產(chǎn)生相移。,在信號(hào)頻率下降到使放大倍數(shù)的值等于0.707││的頻率。,在信號(hào)頻率上升到使放大倍數(shù)的值等于0.707││的頻率。,（4）最大不失真輸出電壓,在輸出波形沒(méi)有明顯失真情況下放大電路能夠提供給負(fù)載的最大輸出電壓(或最大輸出電流)可用峰-峰值(UOPP、IOPP)表示，或有效值表示(Uo、Io)。,（5）最大輸出功率與效率,在輸出信號(hào)不失真的情況下，負(fù)載上能夠獲得的最大功率稱為最大輸出功率Pom。直流電源能量的利用率稱為效率η。,?：效率PV：直流電源消耗的功率,,2.2集成運(yùn)算放大電路,2.2.1差分放大的概念,輸入級(jí)均采用差分放大電路,具有很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移的能力；中間級(jí)一般采用有源負(fù)載的復(fù)合管共射電路，以獲得高的電壓放大倍數(shù)；輸出級(jí)通常采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路，以提高電路的帶負(fù)載能力；且電路的不失真輸出電壓高，效率高。偏置電路一般采用恒流源電路，其特點(diǎn)是直流電阻小，交流電阻大，常用來(lái)作有源負(fù)載和為各級(jí)提供合理而穩(wěn)定的偏置電流。,2.2.2集成運(yùn)放的符號(hào)及其電壓傳輸特性,圖2.2.3集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性,uO=f(uP-uN),集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端分別為同相輸入端uP和反相輸入端uN。,電壓傳輸特性,輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即,集成運(yùn)放的工作區(qū)域,線性區(qū)域：,Aod為差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù),非線性區(qū)域：,輸出電壓只有兩種可能的情況：,+UOM或-UOM,UOM為輸出電壓的飽和電壓、其數(shù)值接近電源值。,O,2.2.3理想集成運(yùn)放,理想運(yùn)放的性能指標(biāo),1、開(kāi)環(huán)電壓增益Aod=∞2、差模輸入電阻Rid=∞3、輸出電阻R0=04、共模抑制比KCMR=∞5、上限截止頻率fH=∞6、輸入失調(diào)電壓UOI及其溫漂dUOI/dT、輸入失調(diào)電流IOI及其溫漂dIOI/dT為零；無(wú)內(nèi)部噪聲。,在實(shí)際應(yīng)用中，一般情況下，可用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)放,2.2.4理想運(yùn)放兩個(gè)工作區(qū)域的特點(diǎn),1。工作在線性區(qū)它的輸出電壓和輸入差模電壓滿足如下的線性關(guān)系:uo=Aod（uP-uN）通常，集成運(yùn)放的Aod很大，為了使其工作在線性區(qū)，大都引入深度負(fù)反饋，以減小運(yùn)放的凈輸入，保證輸出電壓不超出線性范圍。集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特征是電路引入了負(fù)反饋。特點(diǎn):（1）稱兩輸入端“虛短路”（指運(yùn)放兩輸入端的電位無(wú)限接近，但又不是真正的短路）。（2）稱兩輸入端“虛斷路”（指運(yùn)放兩輸入端的電流趨于零，但又不是真正的斷路）。,在電路中，若運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，或引入了正反饋，則運(yùn)放工作在非線性區(qū)，輸出電壓與輸入電壓之間uo≠Aod（uP-uN）特點(diǎn)（1）輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài)：UOM。當(dāng)uP＞uN時(shí)uo=+UOMuP＜uN時(shí)uo=–UOM（2）運(yùn)放的輸入電流等于零，即iP=iN=0,,,,+UOM,-UOM,圖2.2.6理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的電壓傳輸特性,2。工作在非線性區(qū),2.3理想運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路2.3.1比例運(yùn)算電路1.反相比例運(yùn)算電路◆基本電路,特點(diǎn)①電路引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻Ri=R低,輸出電阻Ro=0.②存在虛地uP=uN=0.③共模輸入信號(hào)uIC=0，對(duì)于集成運(yùn)放的共模抑制比要求不高.,(R’=R//Rf，使兩輸入端對(duì)地的電阻一致,使靜態(tài)偏置電流IIB流過(guò)它們時(shí)產(chǎn)生的壓降相等,因而對(duì)輸出沒(méi)有影響.),,,◆T型反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路,,,2.同相比例運(yùn)算電路,特點(diǎn)①電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻很大，輸出電阻很小，可以認(rèn)為Ri=∞,Ro=0.②共模輸入信號(hào)uIc=uI，對(duì)于集成運(yùn)放的共模抑制比要求較高。,R’=R//Rf,運(yùn)算關(guān)系的分析方法：列出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如同相輸入端、反相輸入端）的電流方程，利用集成運(yùn)放工作在線性區(qū)所具有的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，求解輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系式。,電壓跟隨器,當(dāng)Rf=0或R1=?時(shí)，如下圖所示,2.3.2加減運(yùn)算電路1.反相求和運(yùn)算電路,2.同相求和運(yùn)算電路設(shè)R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf,方法一:疊加原理,方法二:節(jié)點(diǎn)電流法,,3加減運(yùn)算電路(1).差分比例運(yùn)算電路,在理想條件下，由于“虛斷”，i+=i-=0,由于“虛短”，u+=u-，所以：,電壓放大倍數(shù),(2)加減運(yùn)算電路,利用疊加原理求解,圖(a)為反相求和運(yùn)算電路,圖(b)為同相求和運(yùn)算電路,若電路只有二個(gè)輸入，且參數(shù)對(duì)稱，電路如圖,上式則為,圖差分比例運(yùn)算電路,電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入差模信號(hào)的比例運(yùn)算,若R1//R2//Rf＝R3//R4//R5,,,改進(jìn)電路圖：高輸入電阻差分比例運(yùn)算電路,若R1=RF2，R3=RF1,,,比例電路應(yīng)用實(shí)例,兩個(gè)放大級(jí)。結(jié)構(gòu)對(duì)稱的A1、A2組成第一級(jí)，互相抵消漂移和失調(diào)。,A3組成差分放大級(jí)，將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。,當(dāng)加入差模信號(hào)uI時(shí)，若R2=R3，則R1的中點(diǎn)為交流地電位，A1、A2的工作情況將如下頁(yè)圖中所示。,圖三運(yùn)放數(shù)據(jù)放大器原理圖,,,由同相比例運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)公式，得,則,同理,所以,則第一級(jí)電壓放大倍數(shù)為：,改變R1，即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。,R1開(kāi)路時(shí)，得到單位增益。,A3為差分比例放大電路。,當(dāng)R4=R5，R6=R7時(shí)，得第二級(jí)的電壓放大倍數(shù)為,所以總的電壓放大倍數(shù)為,在電路參數(shù)對(duì)稱的條件下，差模輸入電阻等于兩個(gè)同相比例電路的輸入電阻之和,2.3.3積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路,1、積分運(yùn)算電路,由于“虛地”，u-=0，故,uO=-uC,由于“虛斷”，iI=iC，故,uI=iIR=iCR,得：,τ=RC,——積分時(shí)間常數(shù),圖2.3.12,,,積分電路的輸入、輸出波形,(一)輸入電壓為階躍信號(hào),,,t0,t1,,,,UI,當(dāng)t≤t0時(shí)，uI=0，uO=0；,當(dāng)t0t1時(shí)，uI=0，uo保持t=t1時(shí)的輸出電壓值不變。,即輸出電壓隨時(shí)間而向負(fù)方向直線增長(zhǎng)。,,,(二)輸入電壓為正弦波,,,,,,,,可見(jiàn)，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先90?。因此，此時(shí)積分電路的作用是移相。,圖7.2.17,積分運(yùn)算電路在不同輸入情況下的波形,1)輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出電壓波形？2)輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？3)輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？,(Rf用于限制低頻電壓增益),圖7.2.18基本微分電路,由于“虛斷”，i-=0，故iC=iR,又由于“虛地”，u+=u-=0,可見(jiàn)，輸出電壓正比于輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分。,實(shí)現(xiàn)波形變換，如將方波變成雙向尖頂波。,2.微分運(yùn)算電路,微分電路的作用：,微分電路的作用有移相功能。,實(shí)用微分運(yùn)算電路,基本微分運(yùn)算電路在輸入信號(hào)時(shí)，集成運(yùn)放內(nèi)部的放大管會(huì)進(jìn)入飽和或截止?fàn)顟B(tài)，以致于即使信號(hào)消失，管子還不能脫離原狀態(tài)回到放大區(qū)，出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。為了克服集成運(yùn)放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實(shí)用電路應(yīng)采取措施。,實(shí)用微分運(yùn)算電路,限制輸出電壓幅值,滯后補(bǔ)償,限制輸入電流,討論：求解圖示各電路,該電路可等效成差分放大電路的哪種接法？與該接法的分立元件電路相比有什么優(yōu)點(diǎn)？,2.4電壓比較器,電壓比較器是集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路之一，其輸入為模擬量，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平，工作區(qū)域在非線性區(qū)。,1。電壓比較器的用途將一個(gè)模擬輸入電壓和參考電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出兩個(gè)不同的電平：高電平UOH或低電平UOL.用于報(bào)警、自動(dòng)控制、電子測(cè)量、鑒幅、波形的產(chǎn)生和變換等電路中。,2.4.1電壓比較器概述,2.電壓比較器電路的特點(diǎn),在電壓比較器中，集成運(yùn)放不是工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，就是工作在正反饋。,①輸出只有兩種狀態(tài)。uP>uN時(shí),uO=+UOMuP下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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