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第2章集成運放及其基本運用 本章重點 1 各種基本單元運算電路及綜合運算 2 電壓比較器的傳輸特性 本章討論的問題 1 什么是理想運放 指標參數(shù)有哪些 2 為什么在運算放大電路中集成運放必須工作在線性區(qū) 為什么理想運放工作在線性區(qū)時會有虛短和虛斷 3 有哪些基本運算電路 怎樣分析運算電路的運算關系 4 電壓比較器與放大電路有什么區(qū)別 集成運放在電壓比較器和運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 2 1 1放大的概念 放大的對象 模擬量 常用正弦波作測試信號 放大的本質 能量的控制和轉換 在輸入信號的作用下 通過放大電路 將直流電源的能量轉換成負載所獲得的能量 使負載上獲得的能量大于信號源提供的能量 第2章集成運放及其基本運用 放大電路的核心元件 有源元件 用于能量的控制和轉換 放大的特征 功率放大 負載上獲得比輸入信號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系 2 1 2 放大電路的性能指標 1 放大電路的框圖 圖2 1 2放大電路示意圖 2 性能指標 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 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 信號源 為其提供信號 那么就要從信號源索取電流 輸入電阻是衡量放大電路從其前級取電流大小的參數(shù) 輸入電阻越大 從其前級取得的電流越小 Ri Ui Ii 電壓放大的情況下 Ri越大越好 Why 輸出電阻對負載來說 放大器的輸出端口等效為一個信號源 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去的等效電阻 計算輸出電阻的方法之一 測出空載輸出電壓和有載 負載為RL 輸出電壓Uo 則 輸出電阻R0的大小反映了放大電路帶負載的能力 R0愈小 負載電阻變化時 Uo的變化愈小 放大電路帶負載的能力愈強 3 通頻帶 衡量放大電路對不同頻率信號的適應能力 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 在輸入信號頻率太高或太低時 放大倍數(shù)的值會下降并產(chǎn)生相移 在信號頻率下降到使放大倍數(shù)的值等于0 707 的頻率 在信號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 在輸出波形沒有明顯失真情況下放大電路能夠提供給負載的最大輸出電壓 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 在輸出信號不失真的情況下 負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 效率PV 直流電源消耗的功率 2 2集成運算放大電路 2 2 1差分放大的概念 輸入級均采用差分放大電路 具有很強的抑制零點漂移的能力 中間級一般采用有源負載的復合管共射電路 以獲得高的電壓放大倍數(shù) 輸出級通常采用互補對稱輸出電路 以提高電路的帶負載能力 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 其特點是直流電阻小 交流電阻大 常用來作有源負載和為各級提供合理而穩(wěn)定的偏置電流 2 2 2集成運放的符號及其電壓傳輸特性 圖2 2 3集成運放的符號和電壓傳輸特性 uO f uP uN 集成運放的兩個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 輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關系 即 集成運放的工作區(qū)域 線性區(qū)域 Aod為差模開環(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理想集成運放 理想運放的性能指標 1 開環(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 無內(nèi)部噪聲 在實際應用中 一般情況下 可用理想運放代替實際運放 2 2 4理想運放兩個工作區(qū)域的特點 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系 uo Aod uP uN 通常 集成運放的Aod很大 為了使其工作在線性區(qū) 大都引入深度負反饋 以減小運放的凈輸入 保證輸出電壓不超出線性范圍 集成運放工作在線性區(qū)的特征是電路引入了負反饋 特點 1 稱兩輸入端 虛短路 指運放兩輸入端的電位無限接近 但又不是真正的短路 2 稱兩輸入端 虛斷路 指運放兩輸入端的電流趨于零 但又不是真正的斷路 在電路中 若運放處于開環(huán)狀態(tài) 或引入了正反饋 則運放工作在非線性區(qū) 輸出電壓與輸入電壓之間uo Aod uP uN 特點 1 輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài) UOM 當uP uN時uo UOMuP uN時uo UOM 2 運放的輸入電流等于零 即iP iN 0 UOM UOM 圖2 2 6理想運放工作在非線性區(qū)的電壓傳輸特性 2 工作在非線性區(qū) 2 3理想運放組成的基本運算電路2 3 1比例運算電路1 反相比例運算電路 基本電路 特點 電路引入了電壓并聯(lián)負反饋 輸入電阻Ri R低 輸出電阻Ro 0 存在虛地uP uN 0 共模輸入信號uIC 0 對于集成運放的共模抑制比要求不高 R R Rf 使兩輸入端對地的電阻一致 使靜態(tài)偏置電流IIB流過它們時產(chǎn)生的壓降相等 因而對輸出沒有影響 T型反饋網(wǎng)絡反相比例運算電路 2 同相比例運算電路 特點 電路引入了電壓串聯(lián)負反饋 輸入電阻很大 輸出電阻很小 可以認為Ri Ro 0 共模輸入信號uIc uI 對于集成運放的共模抑制比要求較高 R R Rf 運算關系的分析方法 列出關鍵節(jié)點 如同相輸入端 反相輸入端 的電流方程 利用集成運放工作在線性區(qū)所具有的 虛短 和 虛斷 的特點 求解輸出電壓和輸入電壓的關系式 電壓跟隨器 當Rf 0或R1 時 如下圖所示 2 3 2加減運算電路1 反相求和運算電路 2 同相求和運算電路設R1 R2 R3 R4 R Rf 方法一 疊加原理 方法二 節(jié)點電流法 3加減運算電路 1 差分比例運算電路 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 加減運算電路 利用疊加原理求解 圖 a 為反相求和運算電路 圖 b 為同相求和運算電路 若電路只有二個輸入 且參數(shù)對稱 電路如圖 上式則為 圖差分比例運算電路 電路實現(xiàn)了對輸入差模信號的比例運算 若R1 R2 Rf R3 R4 R5 改進電路圖 高輸入電阻差分比例運算電路 若R1 RF2 R3 RF1 比例電路應用實例 兩個放大級 結構對稱的A1 A2組成第一級 互相抵消漂移和失調(diào) A3組成差分放大級 將差分輸入轉換為單端輸出 當加入差模信號uI時 若R2 R3 則R1的中點為交流地電位 A1 A2的工作情況將如下頁圖中所示 圖三運放數(shù)據(jù)放大器原理圖 由同相比例運放的電壓放大倍數(shù)公式 得 則 同理 所以 則第一級電壓放大倍數(shù)為 改變R1 即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù) R1開路時 得到單位增益 A3為差分比例放大電路 當R4 R5 R6 R7時 得第二級的電壓放大倍數(shù)為 所以總的電壓放大倍數(shù)為 在電路參數(shù)對稱的條件下 差模輸入電阻等于兩個同相比例電路的輸入電阻之和 2 3 3積分運算電路和微分運算電路 1 積分運算電路 由于 虛地 u 0 故 uO uC 由于 虛斷 iI iC 故 uI iIR iCR 得 RC 積分時間常數(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 t0 t1 UI 當t t0時 uI 0 uO 0 當t0 t t1時 uI UI 常數(shù) 當t t1時 uI 0 uo保持t t1時的輸出電壓值不變 即輸出電壓隨時間而向負方向直線增長 二 輸入電壓為正弦波 可見 輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領先90 因此 此時積分電路的作用是移相 圖7 2 17 積分運算電路在不同輸入情況下的波形 1 輸入為階躍信號時的輸出電壓波形 2 輸入為方波時的輸出電壓波形 3 輸入為正弦波時的輸出電壓波形 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 輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分 實現(xiàn)波形變換 如將方波變成雙向尖頂波 2 微分運算電路 微分電路的作用 微分電路的作用有移相功能 實用微分運算電路 基本微分運算電路在輸入信號時 集成運放內(nèi)部的放大管會進入飽和或截止狀態(tài) 以致于即使信號消失 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 為了克服集成運放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩 實用電路應采取措施 實用微分運算電路 限制輸出電壓幅值 滯后補償 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 2 4電壓比較器 電壓比較器是集成運放基本應用電路之一 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模擬輸入電壓和參考電壓進行比較 根據(jù)比較結果輸出兩個不同的電平 高電平UOH或低電平UOL 用于報警 自動控制 電子測量 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 在電壓比較器中 集成運放不是工作在開環(huán)狀態(tài) 就是工作在正反饋 輸出只有兩種狀態(tài) uP uN時 uO UOMuP uN時 uO UOM發(fā)生跳變的時刻 uP uN 虛斷 iP iN 0 集成運放的電壓傳輸特性 3 電壓比較器的傳輸特性 1 電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數(shù)關系 2 閾值電壓 UT 當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓 3 電壓傳輸特性的三要素 1 輸出電壓的高電平UOH和低電平UOL的數(shù)值 一般由運放輸出限幅電路求出 2 閾值電壓的數(shù)值UT 寫出uP和uN的表達式并令其相等 求出的輸入電壓即為UT 3 當uI變化且經(jīng)過UT時 uO躍變的方向 看輸入信號是作用于反相端還是同相端 另外看uiUT 4 電壓比較器的種類 1 單限比較器電路只有一個閾值電壓 在輸入電壓變化過程中 當通過UT時 輸出電壓發(fā)生一次躍變 圖 a 2 滯回比較器電路具有兩個閾值電壓 輸入電壓沿不同的方向變化時 輸出電壓只發(fā)生一次躍變 但發(fā)生躍變時的閾值電壓不同 具有滯回特性 圖 b 3 窗口比較器電路具有兩個閾值電壓 輸入電壓沿不同的方向變化時 輸出電壓發(fā)生兩次躍變 圖 c 2 4 2單限比較器 1 過零比較器將一個輸入端接地 另一個輸入端接輸入信號 則可得到過零比較器 由于理想運放的開環(huán)差模增益為無窮大 所以 當uI 0時 uO UOM 當uI 0時 uO UOM 過零比較器的傳輸特性為 UOM為集成運放的最大輸出電壓 傳輸特性 利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器 一 電路圖 傳輸特性 問題 如將輸入信號加在 端 傳輸特性如何 問題 過零比較器如圖所示 輸入為正負對稱的正弦波時 輸出波形是怎樣的 傳輸特性 將正弦波變?yōu)榫匦尾?利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器 二 設任何一個穩(wěn)壓管被反向擊穿時 兩個穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為UZ UOM UZ UZ 當uI0時 右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿 uO UZ 圖8 2 6 2 一般單限比較器 1 確定輸出電壓的值UOH UZUOL UZ 2 確定閾值電壓 3 確定躍變方向當uIUT時 uN uP uO UOL UZ 一般 當從反相端輸入時 uIUT則uO UOL當從同相端輸入時 uIUT則uO UOH 例 在左圖所示電路中 UZ 6V 在右圖中所示電路中 R1 R2 5k 基準電壓UREF 2V 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ 5V 它們的輸入電壓均為三角波 試分別畫出兩圖中的輸出電壓u01輸出電壓u02 存在干擾時單限比較器的uI uO波形 單限比較器的作用 檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平 優(yōu)點 靈敏度高缺點 抗干擾能力差 解決辦法 采用具有滯回傳輸特性的比較器 2 4 3滯回比較器1工作原理 1 確定輸出電壓的值UOH UZUOL UZ 2 確定閾值電壓 3 確定躍變方向當uI UT時 必然有uN uP uO UOL UZ 所以uP UT當uI減小到 UT時 再減小一個無窮小量 uO才從 UZ躍變?yōu)?UZ 2正反饋的作用 使滯回比較器工作在非線性區(qū) 加快狀態(tài)轉變的過程 縮短狀態(tài)轉換的時間 uI UT時 uI uO uP uO 使uO迅速由 UZ躍變?yōu)?UZuI UT時 uI uO uP uO 使uO迅速由 UZ躍變?yōu)?UZ uI從小到大的情況 uI從大到小的情況 3 滯回比較器設計中的問題 加入了參考電壓 兩個閾值電壓的差值稱為門限寬度或回差電壓 2R1UZ R1 R2 與UREF無關 改變滯回比較器的參考電壓將使傳輸特性產(chǎn)生水平方向的移動 改變穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓可使傳輸特性產(chǎn)生垂直方向的移動 例8 2 2 已知輸入波形和電壓傳輸特性 分析輸出電壓的波形 波形圖 UZ 9V 窗口比較器 參考電壓UREF1 UREF2 若uI低于UREF2 運放A1輸出低電平 A2輸出高電平 二極管VD1截止 VD2導通 輸出電壓uO為高電平 若uI高于UREF1 運放A1輸出高電平 A2輸出低電平 二極管VD2截止 VD1導通 輸出電壓uO為高電平 圖窗口比較器 a 前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時 輸出電壓只躍變一次 因而不能檢測出輸入電壓是否在二個電壓之間 當uI高于UREF2而低于UREF1時 運放A1 A2均輸出低電平 二極管VD1 VD2均截止 輸出電壓uO為低電平 上門限電平UTH UREF1 下門限電平UTL UREF2 UTH UTL 綜上所述 雙限比較器在輸入信號uIUREF1時 輸出為高電平 而當UREF2 uI UREF1時 輸出為低電平