合肥工業(yè)大學模電課件二下.ppt
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2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η。,?: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、輸入失調電壓UOI及其溫漂dUOI/dT、輸入失調電流IOI及其溫漂dIOI/dT為零;無內部噪聲。,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①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=0.②存在虛地uP=uN=0.③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①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=0.②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。,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:,τ=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t0t1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。,①輸出只有兩種狀態(tài)。uP>uN時,uO=+UOMuP- 配套講稿:
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