积分微分运算电路.pptx
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1、下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出第第11章章 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 11.1 集成运算放大器的基本概念集成运算放大器的基本概念 11.2 运算放大器中的反馈运算放大器中的反馈11.3 信号的运算电路信号的运算电路11.4 信号处理电路信号处理电路信号处理电路信号处理电路 11.5 信号产生电路信号产生电路 11.6 集成运放应用中注意几个问题集成运放应用中注意几个问题 11.7 工程应用举例工程应用举例 11.8 集成运放电路的集成运放电路的Multisim仿真仿真下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.1.111.1.1集成电路的概念集成电路的概念 集成
2、电路:集成电路:(integrated circuitintegrated circuit)是采用半导体制作)是采用半导体制作工艺工艺(氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等),把整个电路,把整个电路中的晶体管、电阻、电容、导线等集中制作在一小块半中的晶体管、电阻、电容、导线等集中制作在一小块半导体(硅)基片上,组成一个完整的不可分割的电子电导体(硅)基片上,组成一个完整的不可分割的电子电路整体。它具有元件密度高、体积小、重量轻、成本低路整体。它具有元件密度高、体积小、重量轻、成本低等诸多优点,而且实现了元件电路和系统的结合,使外等诸多优点,而且实现了元件电路和系统的结合
3、,使外部引线数目大大减少,极大地提高了电路的可靠性和稳部引线数目大大减少,极大地提高了电路的可靠性和稳定性。常用字母定性。常用字母“ICIC”表示。表示。集成电路的种类很多,通常按照功能、集成度、导电类集成电路的种类很多,通常按照功能、集成度、导电类型进行分类。型进行分类。波形产生电路:产生正弦波、方波、锯齿波等波形波形产生电路:产生正弦波、方波、锯齿波等波形 的电路。的电路。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.1.111.1.1集成电路介绍集成电路介绍 1.1.按功能分类:集成电路可分为模拟集成电路和数字集按功能分类:集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。成电路两大类。2
4、.2.按集成度大小分类:集成电路可分为小规模集成电路按集成度大小分类:集成电路可分为小规模集成电路(SSISSI)、中规模集成电路、中规模集成电路(MSIMSI)、大规模集成电路、大规模集成电路(LSILSI)和超大规模集成电和超大规模集成电(VLSIVLSI)。3.3.按导电类型分类:集成电路可分为双极型和单极型按导电类型分类:集成电路可分为双极型和单极型及兼容型三种。双极型的制作工艺复杂,功耗较大,及兼容型三种。双极型的制作工艺复杂,功耗较大,例例TTLTTL、ECLECL、HTLHTL、LST-TLLST-TL、STTLSTTL等类型。单极型的制等类型。单极型的制作工艺简单,功耗也较低,
5、易于制成大规模集成电路,作工艺简单,功耗也较低,易于制成大规模集成电路,例例CMOSCMOS、NMOSNMOS、PMOSPMOS等类型。等类型。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.1.2 集成运算放大器概述集成运算放大器概述 集成运算放大器集成运算放大器:(简称:集成运放)是简称:集成运放)是2020世纪世纪6060年年代初研发的模拟集成电路众多品种中应用最为广泛的代初研发的模拟集成电路众多品种中应用最为广泛的代表之一,运算放大器本质上是一种具有高电压增益、代表之一,运算放大器本质上是一种具有高电压增益、高输入电阻、低输出电阻(带负载能力强)和深度负高输入电阻、低输出电阻(带负载能力
6、强)和深度负反馈的多级直接耦合放大电路。反馈的多级直接耦合放大电路。按其特性常分为按其特性常分为通用通用型和专用型。型和专用型。各种运放的外形示意图各种运放的外形示意图 如下所示。如下所示。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.1.2 集成运算放大器集成运算放大器集成运放集成运放的主要应用的主要应用:信号运算电路:主要有比例、加、减、积分、微信号运算电路:主要有比例、加、减、积分、微 分、对数、指数等功能。分、对数、指数等功能。信号处理电路:有源滤波器、电压比较器、采样信号处理电路:有源滤波器、电压比较器、采样 保持电路、精密整流电路等。保持电路、精密整流电路等。波形产生电路:产生正弦
7、波、方波、锯齿波等波形波形产生电路:产生正弦波、方波、锯齿波等波形 的电路。的电路。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出1.集成运放的组成集成运放的组成11.1.3 集成运放的基本组成及指标集成运放的基本组成及指标 2.集成运放的电路符号集成运放的电路符号 下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.1.3 集成运放的基本组成及指标集成运放的基本组成及指标 1.)开环差模电压增益开环差模电压增益 Audo运放不接反馈电路时的差模电压放大倍数。该运放不接反馈电路时的差模电压放大倍数。该 参数愈高,其运算电路越稳定,精度也越高。参数愈高,其运算电路越稳定,精度也越高。2.)最大输出电压最大输
8、出电压 Uomax使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。3.)最大输出电流最大输出电流 Iomax在额定电源电压下,达到最大输出电压时所输出在额定电源电压下,达到最大输出电压时所输出的最大电流。的最大电流。3.集成运放的参数集成运放的参数下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出 5.)共模抑制比共模抑制比KCMRR主要由运放输入级差分电路决定,其值越大越好。主要由运放输入级差分电路决定,其值越大越好。4.)输入失调电压)输入失调电压 UIO 和输入失调电流和输入失调电流 IIO 以及以及 输入偏置电流输入偏置电流 IIB愈小愈好愈小愈好3.集成运放
9、的参数集成运放的参数 6.)差模输入电阻差模输入电阻Rid它反映运放对信号源的利用率,其值越大越好。它反映运放对信号源的利用率,其值越大越好。7.)输出电阻输出电阻Ro它反映运放带负载的能力,其值越小越好。它反映运放带负载的能力,其值越小越好。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.1.4 集成运放的传输特性集成运放的传输特性 集成运放的正向电压传输特性集成运放的正向电压传输特性 uo=f(ui)1.线性区:线性区:uo=Audo(u+u)2.非线性区非线性区(饱和区饱和区):u+u 时,时,uo=+UOH u+u 时,时,uo=UOL 图图11-5 a)下一页下一页返回返回上一页上一页
10、退出退出11.1.5 理想运放和虚断、虚短的概念理想运放和虚断、虚短的概念 1.在分析运算放大器的电路时,一般将运放看成是理在分析运算放大器的电路时,一般将运放看成是理想的想的器件。运放理想化的要条件:器件。运放理想化的要条件:1.)开环电压放大倍数开环电压放大倍数 2.)开环输入电阻开环输入电阻3.)开环输出电阻开环输出电阻4.)共模抑制比共模抑制比下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出2.理想运放的电压传输特性及分析的重要依理想运放的电压传输特性及分析的重要依据:虚断、虚短。据:虚断、虚短。因为:因为:(1)差模输入电压约等于差模输入电压约等于 0 即即 u+=u ,称称“虚短虚短”(2
11、)输入电流约等于输入电流约等于 0 即即 i+=i 0,称称“虚虚断断”注意:注意:Audo越大,运放的越大,运放的线性范围越小,必需加线性范围越小,必需加 负反馈才能使负反馈才能使其工作在线性区。其工作在线性区。11.1.5 理想运放和虚断、虚短的概念理想运放和虚断、虚短的概念图图11-6 a)所以:所以:下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出I11.2 运算放大器中的反馈运算放大器中的反馈11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念反馈的基本概念反馈的基本概念1.1.1.1.反馈:反馈:反馈:反馈:将放大电路输出端的信号将放大电路输出端的信号将放大
12、电路输出端的信号将放大电路输出端的信号(电压或电流电压或电流电压或电流电压或电流)的的的的 一部分或全部通过某种电路引回到输入端。一部分或全部通过某种电路引回到输入端。一部分或全部通过某种电路引回到输入端。一部分或全部通过某种电路引回到输入端。2.2.2.2.反馈的正、负:反馈的正、负:反馈的正、负:反馈的正、负:若若若若反馈信号削弱了净输入信号反馈信号削弱了净输入信号,电路为负反馈;反馈信号增强了净输入信号,则为电路为负反馈;反馈信号增强了净输入信号,则为正反馈。正反馈。3.3.3.3.直流反馈和交流反馈:直流反馈和交流反馈:直流反馈和交流反馈:直流反馈和交流反馈:反馈环路内直流信号可以反馈
13、环路内直流信号可以流通,则产生直流反馈;流通,则产生直流反馈;反馈环路内交流信号可以反馈环路内交流信号可以流通,则产生交流反馈;若流通,则产生交流反馈;若反馈环路内直流信反馈环路内直流信号和交流信号均可以流通,则既有直流反馈号和交流信号均可以流通,则既有直流反馈又有交流。又有交流。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.2.2 11.2.2 交流负反馈的类型交流负反馈的类型负反馈放大器的原理框图如下:负反馈放大器的原理框图如下:1.深度负反馈的概念深度负反馈的概念称开环电压放大倍数称开环电压放大倍数 称反馈系数称反馈系数 称闭环电压放大倍数称闭环电压放大倍数 图图11-7下一页下一页返回
14、返回上一页上一页退出退出是负反馈,即是负反馈,即 11.2.2 11.2.2 交流负反馈的类型交流负反馈的类型1.深度负反馈的概念深度负反馈的概念在该式中在该式中是衡量反馈程度的一个重要指标,称为反馈深度。是衡量反馈程度的一个重要指标,称为反馈深度。,称之为称之为深度负反馈深度负反馈。当下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出2电压反馈和电流反馈电压反馈和电流反馈 11.2.2 11.2.2 交流负反馈的类型交流负反馈的类型按电路结构判定:在交流通路中,若放大器的输按电路结构判定:在交流通路中,若放大器的输出端和反馈网络的取样端处在放大器输出端的同出端和反馈网络的取样端处在放大器输出端的同一个
15、电极上(指规定的正方向),则为电压反馈一个电极上(指规定的正方向),则为电压反馈(即取样信号为电压即取样信号为电压);否则是电流反馈。;否则是电流反馈。3串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈判定方法:判定方法:对于交变分量而言,若输入信号和对于交变分量而言,若输入信号和反馈网络的反馈信号接于放大器输入端的同一反馈网络的反馈信号接于放大器输入端的同一个电极上个电极上,则为并联反馈;否则为串联反馈。则为并联反馈;否则为串联反馈。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.2.3 11.2.3 反馈极性的判定反馈极性的判定瞬时极性法瞬时极性法如图11-8电路所示:要判断反馈的正、负 1先看本级反馈
16、先看本级反馈以运放A1 1为例:设输入端瞬时极性为(+),则其输出端瞬时极性为(-),该瞬时极性形成的电位差,将使A1的反相输入端有较大的分流经过 R3流向A1的输出端,因此此导致A1的净输入电流减小,这说明R3引入的是负反馈引入的是负反馈。(+)(-)图图11-8下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出2 2看极间反馈看极间反馈11.2.3 11.2.3 反馈极性的判定反馈极性的判定瞬时极性法瞬时极性法该瞬时极性经电阻该瞬时极性经电阻R R4 4的在的在 R R2 2上产生上正下负的反馈上产生上正下负的反馈电压电压uf f,使,使A A1 1净输入电压减小,这说明净输入电压减小,这说明R R
17、4 4和和R R2 2引入的引入的是是级与级之间级与级之间的负反馈;又因为电路中无电容,所以的负反馈;又因为电路中无电容,所以本级和级间同时有直流和交流本级和级间同时有直流和交流(交直流交直流)负反馈。负反馈。图图11-811-8中设中设 u ui i (u ui1i1)(+)u u0 0(+)u u01 01(u ui2i2)(-)u uf f(+)(+)(+)(+)(-)(-)图图11-8下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.2.4 11.2.4 负反馈组态的判定负反馈组态的判定1 1 1 1)输出端输出端输出端输出端是电压反馈还是电流反馈的判定:是电压反馈还是电流反馈的判定:是电
18、压反馈还是电流反馈的判定:是电压反馈还是电流反馈的判定:如图如图11-9a、b所示所示:图图11-9反馈组态判定a)电压反馈 b)电流反馈 a)b)只看电路的只看电路的输出端:输出端:由连接方式判定,具体由连接方式判定,具体看:若反馈信号直接取自输出端(看:若反馈信号直接取自输出端(指规定的正指规定的正方向方向)(即取样信号为电压),则为电压反馈;)(即取样信号为电压),则为电压反馈;若反馈信号取自非输出端(即取样信号为电流)若反馈信号取自非输出端(即取样信号为电流),则为电流反馈。,则为电流反馈。(+)(-)下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出2 2 2 2)输入端输入端输入端输入端是电
19、压反馈还是电流反馈的判定:是电压反馈还是电流反馈的判定:是电压反馈还是电流反馈的判定:是电压反馈还是电流反馈的判定:11.2.4 11.2.4 负反馈组态的判定负反馈组态的判定如图11-9c、d所示:图图11-9反馈组态判定c)串联反馈 d)并联反馈 c)d)只看电路的只看电路的输入端:输入端:由连接方式判定,具体由连接方式判定,具体看:在输入端若反馈信号和输入信号不在运放看:在输入端若反馈信号和输入信号不在运放的同一电极,则为串联反馈;若反馈信号和输的同一电极,则为串联反馈;若反馈信号和输入信号在运放的同一电极,则为并联反馈。入信号在运放的同一电极,则为并联反馈。下一页下一页返回返回上一页上
20、一页退出退出即:反馈电压即:反馈电压uf,的极性导致净输入电压的极性导致净输入电压ube减小,所以,级与级之间是减小,所以,级与级之间是负反馈负反馈;又电路中无电容,级间既有直流也有交又电路中无电容,级间既有直流也有交流反馈;反馈信号直接取自输出端在电流反馈;反馈信号直接取自输出端在电阻阻R2上的分压上的分压,是电压反馈是电压反馈;反馈信和输;反馈信和输入信号不再同一电极,是入信号不再同一电极,是串联反馈串联反馈。11.2.4 11.2.4 负反馈组态的判定负反馈组态的判定2 2 2 2)负反馈类型判定举例)负反馈类型判定举例)负反馈类型判定举例)负反馈类型判定举例 例例11-1如下图电路,试
21、判断两级之间反馈的类型和性质。假设假设u ui i (+)u u-(-)u u0 0(+)u uf f(+)(+)(-)(+)(+)例例11-1图图下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.2.4 11.2.4 负反馈组态的判定负反馈组态的判定2 2 2 2)负反馈类型判定举例)负反馈类型判定举例)负反馈类型判定举例)负反馈类型判定举例 例例11-2如下图电路,反馈类型并计算反馈系数及深度负反馈条件下闭环增益的表达式。设设设设 u ui i (+)u u+(+)u u0 0(+)u uf f(+)(+)(+)(+)(+)即:反馈电压即:反馈电压uf,的极性导致净输入电压的极性导致净输入电压
22、uid减小,所以,减小,所以,级与级之间是级与级之间是负反馈负反馈;又电路中无电容,级间既有直流也;又电路中无电容,级间既有直流也有交流反馈;反馈信号非直接取自输出端,是由输出电流有交流反馈;反馈信号非直接取自输出端,是由输出电流在电阻在电阻R2上形成电压上形成电压,是电流反馈是电流反馈;反馈信和输入信号不;反馈信和输入信号不再同一电极,是再同一电极,是串联反馈串联反馈。例例11-2图图下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.3 11.3 信号的运算电路信号的运算电路11.3.1比例运算电路比例运算电路1反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路 电
23、路组成如图电路组成如图11-12因为因为虚断,虚断,i+=i=0 ,所以所以 i1 if 因为因为虚短虚短,所以所以u=u+=0,称反相输入端称反相输入端“虚地虚地”反相输入的重要特点反相输入的重要特点所以所以 图图11-12下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出 u0=-ui 反相输入的比例运算电路反相输入的比例运算电路 当当Rf=R1 时,时,此时,电路称为倒相器或反相器。此时,电路称为倒相器或反相器。注意注意:因要求静态时因要求静态时u+、u 对地电阻相同,对地电阻相同,所以所以:R2=R1/Rf 称为平衡电阻称为平衡电阻 结论:结论:(1)(1)A Au uf f为负值,即为负值,即
24、为负值,即为负值,即 u uo o与与与与 u ui i 极性相反。极性相反。极性相反。极性相反。因为因为因为因为 u ui i 加在加在加在加在反相输入端。反相输入端。反相输入端。反相输入端。(2)(2)A Au uf f 的精度只与外部电阻的精度只与外部电阻的精度只与外部电阻的精度只与外部电阻 R R1 1、R RF F 有关,与运放有关,与运放有关,与运放有关,与运放本身参数无关。本身参数无关。本身参数无关。本身参数无关。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出11.3 11.3 信号的运算电路信号的运算电路(3)|(3)|A Au uf f|可大于可大于可大于可大于 1 1,也可等于,
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