第五章 集成运算放大器Word文档下载推荐.docx

第五章 集成运算放大器Word文档下载推荐.docx

《第五章 集成运算放大器Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章 集成运算放大器Word文档下载推荐.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。

（1）运算放大器的静态技术指标

1）输入失调电压VIO（inputoffsetvoltage）：

输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。

VIO是表征运放内部电路对称性的指标。

2）输入失调电流IIO（inputoffsetcurrent）：

在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

3）输入偏置电流IB（inputbiascurrent）：

运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。

4）输入失调电压温漂

：

在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。

5）输入失调电流温漂

在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

6）最大差模输入电压

（maximumdifferentialmodeinputvoltage）：

运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。

7）最大共模输入电压

（maximumcommonmodeinputvoltage）：

在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。

共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

（2）运算放大器的动态技术指标

1）开环差模电压放大倍数

（openloopvoltagegain）：

运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。

2）差模输入电阻

（inputresistance）：

输入差模信号时，运放的输入电阻。

3）共模抑制比

（commonmoderejectionratio）：

与差动放大电路中的定义相同，是差模电压增益

与共模电压增益

之比，常用分贝数来表示。

KCMR=20lg（Avd/Avc）（dB）

4）－3dB带宽

（—3dBbandwidth）：

运算放大器的差模电压放大倍数

在高频段下降3dB所定义的带宽

。

5）单位增益带宽

（BW•G）（unitgainbandwidth）：

下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽

6）转换速率

（压摆率）（slewrate）：

反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。

转换速率

的表达式为

7）等效输入噪声电压Vn（equivalentinputnoisevoltage）：

输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。

这一数值往往与一定的频带相对应。

2、集成运放电路的低频等效电路

3、集成运放的电压传输特性

1、理想运放的性能指标

1）Aod＝∞

2）Rid＝∞

3）Ro＝0

4）KCMR＝∞

5）fH＝∞

6）UOI、IOI及其温漂均为零，且无任何内部噪声。

2、理想运放的两个工作区

1）线性工作区特点

特点为

（1）uo＝Aod（uP－uN）

（2）具有虚短（即uP=uN）、虚断（即iP=iN=0）的特点。

2）非线性工作区

（1）当uP＞uN时uo正向饱和，当uP＜uN时uo负向饱和。

（2）具有虚断的特点。

二、本讲重点

集成运放的组成及各部分的作用，正确理解主要指标参数的物理意义及其使用注意事项。

三、本讲难点

集成运算放大电路的选择和使用。

四、教学组织过程

本讲首先介绍集成运放电路的组成及各部分的作用，然后采用学生自学为主的方法学习运放典型电路F007的工作原理，辅以讲授其外部电路特性，最后简单讲述集成运放电路的类型选择及其使用。

五、课后习题

见相应章节的“习题指导”。

第十八讲集成运算放大器的应用

（1）

一、主要内容

1、比例运算电路

分析方法，利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理列出放大倍数表达式。

1）反相比例运算电路

（1）电路的组成如图7.1所示。

（2）电路的放大倍数及特点

由分析得电路的放大倍数为

特点

①输入信号接入反相输入端，uN点虚地，其输出信号与输入信号反相。

②电路不存在共模信号。

③放大倍数可以大于1，可以小于1，也可以等于0。

④因为电路引入电压并联负反馈，故电路的输入阻抗较低，即Ri=R1。

2）同相比例运算电路

（1）电路的组成如图7.2所示。

①输入信号接入同相输入端，故其输出信号与输入信号同相。

②电路存在共模信号，故应选用共模抑制比高的集成运放。

③放大倍数只能大于或等于1。

④因为电路引入电压串联负反馈，故其输入阻抗很高。

2、加减运算电路

分析方法，利用虚短、虚断的概念、结电电压法或叠加定理列出输出方程。

1）反相求和运算电路

（1）电路的组成如下图所示

（2）电路的分析及特点

电路的输出表达式为

电路的特点与反相比例运算电路的特点类似。

2）同相求和运算电路

电路的特点与同相比例运算电路的特点类似。

3）加减运算电路

如果选取电阻值满足

，则有

即输出电压与两个输入电压之差成比例。

该电路也存在共模信号，故应选用共模抑制比高的集成运放，才能保证一定的运算精度。

另外该电路还可用两级反相求和运算电路实现，此时电路不存在共模信号。

第十九讲集成运算放大器的应用

（2）

3、积分运算电路

分析方法，利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理及电容端电压与通过它的电流的关系列出输出方程。

1）电路的组成如图7.11所示。

2）电路的分析

利用上述分析方法可得电路的输出表达式

上式表明输出电压为输入电压对时间的积分。

在求解t1到t2时间段的积分电压值时

式中uo（t1）为t1时刻电容上存的初始电压。

3）电路对不同输入信号的响应

（1）当输入信号为阶跃信号时，在它的作用下，电容将近似恒流方式进行充电，输出电压与时间成近似线性关系。

因此

但由于受集成运放最大值的限制，当输出电压达到最大饱和电压后，将不再变化。

（2）当输入信号为方波信号时，输出为三角波。

（3）当输入信号为正弦信号时，输出为滞后90o的正弦波。

4）实用积分电路

为了限制输出值，实用积分电路中，常在电容上并联一个大电阻，如图7.11中虚线所示。

4、微分运算电路

1）电路的组成如图7.14所示。

利用上述分析方法可求得电路的输出表达式

上式表明输出电压正比与输入电压对时间的微分。

当输入信号为脉冲信号时，输出电压的波形如图7.16所示。

3）实用微分运算电路

由于微分电路对高频噪声特别敏感，以至于输出噪声可能完全淹没微分信号。

一种改进的实用电路见图7.15。

另外，还可用积分的逆运算实现微分运算，电路见图7.17。

5、对数运算电路

分析方法，利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理及PN结的正向电流与其端电压的近似关系列出输出方程。

1）基本电路的组成如图7.19所示。

利用上述分析方法可得电路的输出表达式为

由上式可知，输出电压和输入电压成对数关系。

图7.21所示为集成对数运算电路，分析见P289。

6、指数运算电路

1）基本电路的组成如图7.22所示。

由此可见，输出电压与输入电压成指数关系。

图7.23所示是集成指数运算电路，分析见P290。

比例运算电路与求和运算电路的分析及特点

如何运用“虚短”、“虚断”的概念进行分析运算

本节以讲授为主，并借助多媒体形象、生动的特点理解基本概念。

第二十讲有源滤波电路

1、滤波电路的基础知识

1）滤波电路的种类

按工作频率的不同，滤波器可分为

LPF：

通带为0＜f＜fp的频率范围，阻带为f＞fp的频率范围。

HPF：

通带为f＞fp的频率范围，阻带为0＜f＜fp的频率范围。

BPF：

通带为fp1＜f＜fp2的频率范围，阻带为f＜fp1和f＞fp2的频率范围。

BEF：

通带为f＜fp1和f＞fp2的频率范围，阻带为fp1＜f＜fp2的频率范围。

APF：

通带为0＜f＜∞的频率范围，无阻带。

2）滤波电路幅频特性中的概念

通带：

能够通过的信号频率范围。

阻带：

受阻或衰减的信号频率范围。

通带放大倍数：

通带输出电压与输入电压之比。

通带截止频率fp：

此频率所对应的放大倍数为通带放大倍数的

倍。

✧无源滤波电路和有源滤波电路

由无源源件（如R、C、L等）组成的滤波电路称为无源滤波电路。

此电路的输出负载特性较差，即输出会随着负载的变化而变化。

有源滤波电路由无源滤波电路加有源源件（如晶体管、集成运放等）所组成。

此种电路具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点有较强的带负载能力。

✧有源低通滤波器

分析方法，利用虚短、虚断的概念、结电电压法列出电路放大倍数的传递函数。

1）同相输入低通滤波器

（1）一阶低通滤波器

电路见图7.44，按照上述的分析法可得电路的电压放大倍数的传递函数

用jω代替上式中的s可得电路的频率响应

式中的f0=1／2πRC，称为特征频率，

为电路的通带放大倍数。

该电路的截止频率fp等于f0。

幅频特性见图7.45，当f＞＞fp时，曲线按－20dB／十倍频下降。

（2）简单二阶低通滤波器

电路图及分析见P308。

只需简单介绍一下。

（3）压控电压源二阶低通滤波器

电路图见P309图7.48。

由分析可写出电路放大倍数的传递函数

式中的Q称为电路的等效品质因数，它的物理意义是当f=f0时电压放大倍数与通带放大倍数之比。

P310图7.49给出了不同Q值的幅频特性，由图可见当Q＝0.707时，幅频特性最平坦；

而当Q＞0.707时，将出现峰值。

另外当f＞＞fp时，曲线按－40dB／十倍频下降。

注意Q值不能太大，否则会产生自激振荡。

2）反相低通滤波器的组成、分析和特点，由学生自行分析。

3、其它有源滤波电路

1）二阶高通滤波电路

P312图7.50所示电路为压控电压源二阶高通滤波器，图（b）所示为无限增益多路反馈高通滤波器。

电路的具体分析见P312。

2）带通滤波电路

将低通滤波器和高通滤波器串联，且低通滤波器的截止频率fp1大于高通滤波器的截止频率fp2，就可以得到带通滤波器，其通频带为（fp1－fp2）。

P313至P315给出了实用带通滤波器的具体电路图及其分析。

由P315图7.54所示的幅频特性可知，电路的Q值愈大，通带放大倍数数值愈大，频带愈窄，选频特性愈好，但是Q值不能太大，否则会产生振荡。

另外电路的中心频率f0与通带增益无关。

3）带阻滤波电路

将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压求和，并且低通滤波器的截止频率fp1小于高通滤波器的截止频率fp2，就可以得到带阻滤波器，其阻带为（fp2－fp1）。

实用电路常利用无源LPF和HPF并联构成无源带阻滤波电路，然后接同相比例运算电路，从而构成有源带阻滤波电路，具体电路和分析见P316至P318。

1、滤波电路的概念。

2、滤波电路的种类。

3、各种滤波电路的组成、分析方法及其特点。

滤波电路的分析及其品质因数对滤波性能的影响。

借助多媒体理解滤波电路的基本概念，讲授滤波电路的工作原理，讨论各种滤波电路的特点。

第二十一讲电压比较器

1、概述

1）电压传输特性

描述比较器输出电压UO和输入电压Ui函数关系的曲线，称为电压传输特性。

比较器输出只有两个状态：

高电平UOH或是低电平UOL，而输入信号一般是连续变化信号。

使UO从UOH跃变为UOL，或者从UOL跃变为UOH的输入电压称为阈值电压UT。

比较器一般采用集成运放，设运放同相和反相输入端电压分别U-和U+，有：

U-＞U+时Uo＝UOL

U-＜U+时Uo＝UOH

2）集成运放的非线性工作区

比较器一般是开环工作或正反馈状态，其增益很大。

教材P409图8.2.1，分别给出了运放的开环状态，引人正反馈的和电压传输特性。

这时输入电压和输出电压之间的关系不再是线性关系。

3）电压比较器的类型

简单比较器，滞回比较器和窗口比较器。

简单比较器只有一个阈值电压，而滞回比较器和窗口比较器具有两个阈值电压。

4）比较器基本特点

工作在开环或正反馈状态。

开关特性：

因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。

非线性：

因是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。

2、单限比较器

1）过零比较器

过零电压比较器的电路图和电压传输特性曲线见教材P361图8.24所示。

将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值UREF上，调节UREF可方便地改变阈值。

为限制运放的差模输入电压，保护输入级和输出限幅，可在输入端加二极管限幅，以及在输出端加稳压管限幅。

具体电路见教材P362图8.25。

2）任意电平比较器

（1）电路结构：

具体电路见教材P363图8.27，电路中将参考电压UREF和输入电压Ui各分别通过电阻加人运放的同一个输入端。

（2）工作原理及传输特性

其阈值电压由Ur和Ui共同决定。

改变UREF的大小可以改变阈值电压。

其具体电路和电压传输特性见教材P413图8.2.7。

由叠加原理得：

它与U+=0比较，可求出阈值电压

（3）特点及应用

结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力较差。

可用于检测输入信号的电平是否高于或低于某个给定的门限电平。

3、滞回比较器

1）电路结构：

滞回比较器电路见教材P366图示。

它是从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。

由电路有输出电压Uo=±

Uz。

2）工作原理及传输特性

当输入电压UI从零逐渐增大，且U≤+UT时，Uo=+Uz，+UT称为上限阀值电平。

当输入电压Ui=+UT，Uo=-Uz。

--UT称为下限阀值电平。

当Ui逐渐减小，且Ui=--UT以前，Uo始终等于-Uz，因此出现了如教材P366图8.30所示的滞回特性曲线。

回差电压

3）特点及应用

抗干扰能力较强。

一般用于波形的形成和变换。

4、窗口比较器

1）电路结构

窗口比较器的电路见教材P371图8.35所示。

电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。

当Ui＞URH时，UO1为高电平，D1导通；

Uo2为低电平，D2截止，UO=UO1。

当Ui<

URL时，U2为高电平，D2导通；

UO1为低电平，D1截止，UO=UO2。

当URH>

Ui>

URL时，UO1为低电平，UO2为低电平，D1、D2截止，UO=低电平。

窗口比较器的电压传输特性见教材P371图8.35（b）所示。

该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。

用于检测输入信号的电平是否处在两个给定的参考电压之间。

●过零比较器的工作原理及电压传输特性；

●滞回比较器工作原理及电压传输特性。

滞回比较器电压传输特性的推导。

四、教学过程组织

讲授

【本章小结】

1、基本运算电路

集成运放引入电压负反馈后，可以实现模拟信号的比例、加减、乘除、积分、微分、对数和指数等各种基本运算。

求解运算电路输出电压与输入电压运算关系的基本方法有两种：

节点电流法和叠加原理。

2、有源滤波电路

1）有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，主要用于小信号处理。

按其幅频特性可分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种电路。

应用时应根据有用信号、无用信号和干扰等所占频段来选择合理的类型。

2）有源滤波电路一般均引入电压负反馈，因而集成运放工作在线性区，故分析方法与运算电路基本相同。

但其常用传递函数表示输出与输入的函数关系。

有源滤波电路的主要性能指标有通带放大倍数Aup、通带截止频率fp、特征频率f0、带宽fbw、品质因数Q等。