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第六講集成運算放大器及應(yīng)用 集成運算放大器是模擬集成器件中的一類 是一種高放大倍數(shù) 放大倍數(shù)通常大于104 的直接耦合多級放大器 優(yōu)點 體積小 高性能應(yīng)用領(lǐng)域 測量裝置 自動控制 信號變換等 直接耦合放大器 直接耦合放大電路就是把前一級的輸出直接通過導(dǎo)線加到后一級的輸入端進(jìn)行放大的電路 放大的信號 變化很緩慢的信號 交流信號 簡單的直接耦合放大電路 集成運算放大器 1 集成電路集成電路按其功能的不同 可以分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路 模擬集成電路按其功能又可分為通用集成電路和專用集成電路 通用集成電路 就是只需要改變外部電路結(jié)構(gòu) 就可對信號實現(xiàn)不同處理的集成電路 如集成運算放大器 按構(gòu)成有源器件的類型來分 則可分為雙極型和單極型 按元器件的集成度來分 又可分為小規(guī)模 中規(guī)模 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路 集成電路的特點 1 采用直接耦合放大電路 2 偏置電流小 3 用有源元件代替無源元件 電阻元件是利用硅半導(dǎo)體材料的體電阻制成 4 對稱性好 同類元件性能比較一致 溫度特性也基本相同 5 采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)形式 6 電路中使用的二極管 大都采用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成 集成運算放大器的組成 輸入級 中間級 輸出級和偏置電路 1 輸入級作用是提供與輸出端成同相關(guān)系和反相關(guān)系的兩個輸入端 一般采用具有恒流源的差動放大電路 2 中間放大級又稱為增益級 一般采用共發(fā)射極放大電路 主要作用是進(jìn)行電壓放大 3 輸出級一般采用射極輸出器或互補對稱功率放大電路 作用是向負(fù)載提供一定的功率 4 偏置電路主要作用是向各級放大電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流 典型的集成運算放大器F007簡介1 F007的原理電路 2 中間級由V16 V17組成復(fù)合管 由V12 V13組成的鏡像電流源作為有源負(fù)載 其主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù) 同時還要向輸出級提供較大的推動電流 3 輸出級主要由V14和復(fù)合管V18 V19組成的準(zhǔn)互補對稱功率放大電路 主要作用是向負(fù)載提供足夠大的輸出電流和輸出功率 4 偏置電路電路由V8 V13管以及電阻R4 R5等元件組成 其主要作用是減小零點漂移 穩(wěn)定工作點 提高整個電路的共模抑制比 2 引腳及符號外形通常有雙列直插式 扁平式和圓殼式三種 集成運算放大器的外形圖 a 雙列直插式 b 扁平式 c 圓殼式 集成運算放大器用符號來表示 國產(chǎn)F007型集成運算放大器 下端共有12個管腳 圖3 3 5F007的外形 引腳及連接示意圖 a 外形圖 b 引腳圖 c 符號及外電路連接圖 集成運放的主要技術(shù)指標(biāo) 1 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)一般用對數(shù)表示 dB 2 最大輸出電壓指在額定電源條件下 集成運放的最大不失真輸出電壓的峰值 圖3 3 6集成運放的傳輸特性 3 差模輸入電阻RidRid的大小反映了集成運放輸入端向信號源索取電流的大小 4 輸出電阻R0R0的大小反映了集成運放帶負(fù)載的能力 R0愈小愈好 5 共模抑制比KCMR反映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力 一般也用對數(shù)表示 dB 負(fù)反饋放大電路 反饋的基本概念1 放大器中的反饋反饋 就是將放大電路輸出信號的一部分或全部經(jīng)過一定的電路 稱為反饋電路 送回到放大電路的輸入回路 并同輸入信號一起參與放大器的輸入控制作用 從而使放大器的某些性能獲得有效改善的過程 負(fù)反饋放大電路 反饋放大電路用方框圖表示基本放大電路 可以是單級或多級分立元件組成的放大器 也可以是集成運算放大器 反饋電路 聯(lián)系放大器的輸出電路和輸入電路的環(huán)節(jié) 可由電阻 電容 電感等元件組成 負(fù)反饋放大電路 運算放大器的應(yīng)用 集成運算放大器的基本分析方法1 低頻等效電路Ri為差模輸入等效電阻 Ri兩端的電壓就是差模輸入電壓uid R0為放大器的輸出電阻 Aud為差模電壓放大倍數(shù) Auc為共模電壓放大倍數(shù) Auduid為輸出端等效電壓源 運算放大器低頻等效簡化電路 2 理想的集成運算放大器 1 開環(huán)電壓放大倍數(shù) 2 開環(huán)輸入電阻 3 開環(huán)輸出電阻 0 規(guī)定 1 代表集成運放同相輸入端的電位 2 代表集成運放反相輸入端的電位 3 代表集成運放輸出為低電平 4 代表集成運放輸出為高電平 虛短 與 虛斷 兩個重要特點 1 虛短 概念輸出電壓為有限值 開環(huán)電壓放大倍數(shù)為 有 兩個輸入端電位近似相等 3 5運算放大器的應(yīng)用 2 虛斷 概念由于理想運算放大器的開環(huán)輸入電阻Ri 故在兩個輸入端沒有電流流入運算放大電路的內(nèi)部 即 即理想運放輸入電流近似為零 輸入方式一般采用反相輸入 同相輸入和差動輸入三種輸入方式 模擬信號運算1 比例運算 1 反相比例運算放大電路Rf是反饋電阻 R1為輸入電阻 R2是補償電阻 也叫輸入平衡電阻 反相比例運算放大電路 由 可以得到輸入電壓近似為零 所以 即 而 電壓放大倍數(shù) 輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系 負(fù)號表示相位相反 注意 實際運算放大電路端的電位并不等于零 但很接近零值 不是真正接地 稱端為 虛地 在所示的電路中 如果 試求 的值 解 電壓放大倍數(shù) 輸出電壓為 補償電阻 圖3 5 4反相比例運算放大電路 2 同相比例運算放大電路上幾乎無電流 因此 圖3 5 5同相比例運算電路 輸出電壓為 電壓放大倍數(shù) 在所示電路中 已知 試求輸出電壓的大小 圖3 5 6例3 5 2電路 解 輸入電壓為 輸出電壓為 加減法運算加法運算放大電路三個輸入信號 均從反相輸入端輸入 為反饋電阻 同相輸入端經(jīng)過補償電阻接地 推導(dǎo) 圖3 5 7加法運算放大電路 輸出電壓為 如果 補償電阻的大小為 3 5運算放大器的應(yīng)用 已知反向運算電路的反饋電阻 輸出結(jié)果 求電路中電阻的阻值 并畫出電路圖 圖3 5 8例3 5 3設(shè)計電路 比較 可得 因為所以 補償電阻R為 解 3 5運算放大器的應(yīng)用 2 減法運算放大電路一個輸入信號接在反相輸入端 另一個輸入信號接在同相輸入端 當(dāng)單獨作用于電路時 輸出電壓為 當(dāng)單獨作用于電路時 輸出電壓為應(yīng)為兩部分輸出電壓的代數(shù)和 當(dāng) 可寫為 當(dāng)時 減法運算電路 積分和微分運算 1 積分運算放大電路反饋電阻用電容C代替 根據(jù)運放電路 虛短 和 虛斷 的特點 可得 輸出電壓與輸入電壓的積分成正比 一般用于波形變換 延遲以及移相 積分運算電路 微分運算放大電路根據(jù)運放電路 虛短 和 虛斷 的特點 可得 正比于與輸入電壓對時間的微分 微分運算電路 信號處理1 電壓比較電路用來比較兩個或多個模擬信號量的大小 電路輸出的高低電平表示比較的結(jié)果 集成運放用作比較器時 工作在開環(huán)狀態(tài) 即使輸入端有一個非常微小的差值信號 也會使輸出電壓達(dá)到飽和值 接近或 稱為集成運放的非線性運用 1 基本電壓比較器將一個模擬量的電壓信號和一個參考電壓量進(jìn)行比較 當(dāng)時 當(dāng)時 當(dāng)時 輸入信號與零進(jìn)行電壓比較 電路稱為過零比較器 電壓比較器電路 a 電路 b 電壓傳輸特性 圖3 5 13過零比較器電壓傳輸特性 當(dāng)為正弦波電壓時 則輸出為方波電壓 限幅的電壓比較器 將輸出電壓限制在某一特定值 有限幅的電壓比較器 a 電路 b 電壓傳輸特性 過零比較器將正弦波電壓變換為方波電壓 當(dāng)時 當(dāng)時 2 滯回比較器滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器 輸入信號從反相端輸入 同相端的參考電壓是由輸出電壓經(jīng)正反饋取得的 輸出電壓在之間變化時 也跟著變化 同相輸入端參考電壓為上門限電平 當(dāng)增大到時 運放輸出電壓從跳變到 下門限電平 圖3 5 16 a 滯回電壓比較器電路 UZ 當(dāng)減小到時 輸出電壓從跳變到 同相輸入端參考電壓又變?yōu)?例 輸入電壓為正弦波 則輸出電壓將變成幅度為的波形 滯回電壓比較器傳輸特性 滯回電壓比較器將正弦波變?yōu)榫匦尾?