电工电子技术PPT教学课件

12.1集成运算放大器12.2放大电路中的反馈12.3理想集成运算放大器的分析方法*12.4集成运算放大器使用中应注意的问题集成运算放大器第12章第12章小结12.1集成运算放大器12.1.1集成运算放大器的基本组成12.1.2集成运算放大器的主要参数集成电路:把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。集成电路特点：体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。集成运算放大器：具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。引言12.1.1集成运算放大器的基本组成输入级：差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。输出级：射极输出器或互补对称功率放大器，提高带载能力。偏置电路：为各级提供稳定、合适的静态工作点。中间级：电压放大。运算放大器的符号反相输入端同相输入端输出端LM741运放外型和管脚反相输入端同相输入端输出端+15V-15V10k1k调零：当输入信号为零时，输出为零。8为空脚12.1.2集成运算放大器的主要参数2.输入失调电压UIO使UO=0，输入端施加的补偿电压几毫伏3.输入失调电流IIOUO=0时，输入级两输入端的静态电流之差。1nA0.1A1.开环差模电压增益Aud1041074.差模输入电阻rid输出电阻ro几百千欧几兆欧几十欧几百欧5.共模抑制比KCMR>80dB6.最大差模输入电压UIdmax共模输入UIC过大，KCMR下降。当UId过大时，反偏的PN结可能因反压过大而被击穿。LM741为36V7.最大共模输入电压UICmax9.最大输出电压幅度UOPP如电源电压15V，UOPP为1314VLM741为16V两输入端间允许加的最大差模输入电压。能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。8.静态功耗PCO几十毫瓦12.2放大电路中的负反馈12.2.1反馈的基本概念12.2.2负反馈的基本类型12.2.3反馈类型的判别12.2.4负反馈对放大器性能的影响 反馈—将电路的输出量(电压或电流)的部分或全部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回路，以改善放大电路的某些性能。2.信号的两种流向正向传输：输入输出反向传输：输出输入—开环—闭环12.2.1反馈的基本概念正反馈：反馈信号消弱原输入信号，使输出量减小。负反馈：反馈信号增强原输入信号，使输出量增大。基本放大电路反馈网络负反馈的组成框图—输入信号—净输入信号—反馈信号—输出信号净输入信号反馈信号消弱了净输入信号，为负反馈。12.2.2负反馈的基本类型电压反馈—反馈信号取自输出电压的部分或全部。电流反馈—反馈信号取自输出电流。据反馈电路从输出端的取样方式不同分为：据反馈信号与放大器输入信号连接方式不同分为：串联反馈和并联反馈。串联反馈：反馈信号与输入信号以电压相加减的形式在输入端出现。并联反馈：反馈信号与输入信号以电流相加减的形式在输入端出现。负反馈的类型有四种：电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。[使uo=0(RL短路)，若反馈消失则为电压反馈否则为电流反馈。]12.2.3反馈类型的判别1.找出反馈元件（或电路），即在输入和输出回路间起联系作用的元件。2.判断电压、电流反馈电压反馈—反馈信号取自输出电压的部分或全部。电流反馈—反馈信号取自输出电流。判别法：反馈取自输出端或输出分压端为电压反馈，反馈取自非输出端为电流反馈。3.判断串联、并联反馈4.判断正、负反馈反馈信号与输入信号在不同输入端为串联反馈，在同一个输入端为并联反馈。采用瞬时极性法判断:反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。设某一瞬时ui为正，根据电路情况推出此时反馈信号的正负。例12.1输入回路输出回路判断电路是否存在反馈，并判断反馈类型。RE介于输入输出回路，有反馈。反馈使uBE减小，为负反馈;+uf–反馈取自输出端为电压反馈;反馈信号与输入信号在不同输入端,为串联反馈。电压串联负反馈电流串联负反馈例12.2判断反馈类型。RE介于输入输出回路，有反馈。反馈使uBE减小，为负反馈;反馈不是取自输出端，为电流反馈;反馈信号与输入信号在不同输入端,为串联反馈。例12.3判断反馈类型。Rf为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。RL=0，无反馈，故为电压反馈。反馈信号与输入信号都加在了反相输入端，故为并联反馈。电压并联负反馈12.2.4负反馈对放大器性能的影响1.降低放大倍数由于负反馈的存在，使放大器的净输入信号减小，输出电压减小，所以包含反馈回路后的电压放大倍数降低。2.提高放大倍数的稳定性放大器在工作过程中，由于环境温度变化、晶体管老化、电源电压波动等情况，都会引起输出电压变化，使电压放大倍数不稳定。加入负反馈，在同样的外界条件变化时，电流负反馈可以稳定输出电流，电压负反馈可以稳定输出电压，电压放大倍数变化较小，即比较稳定。3.减少非线性失真加入负反馈无负反馈Fufuo略大略小略小略大产生了失真接近正弦波，失真得到改善4.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响输入电阻增大输入电阻减小输出电阻增大，稳定输出电流。输出电阻减小，稳定输出电压。12.3理想集成运算放大器的分析方法12.3.1理想运算放大器12.3.2反相输入运算电路的分析方法12.3.3同相输入运算电路的分析方法12.3.4差分输入运算电路的分析方法12.3.5非线性电路的分析方法理想化的主要条件：开环差模电压增益开环差模输入电阻开环输出电阻共模抑制比在分析运算放大器的电路时，一般把运算放大器看成理想元件。12.3.1理想运算放大器开环共模输入电阻运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线称为传输特性。实际运放电压传输特性UO+UO-线性工作区正饱和区负饱和区UO-、UO+为负、正饱和电压。理想运放传输特性UO+UO-正饱和区负饱和区理想运放时，当为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，限制其闭环电压放大倍数。工作在线性区的理想运放相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断”。2.i+=i–=01.u+=u–,而uo是有限值,运放开环输入电阻由于故从式,可知（虚短）（虚断）i–i+12.3.2反相输入运算电路的分析方法1.反相比例运算电路虚断虚地平衡电阻输入电阻:若则例12.4有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500，测量范围是（0~10）Mpa,其灵敏度是+1mV/0.1Mpa,现在要用一个输入0V~5V的标准表来显示这个传感器测量的压力变化，需要一个放大器把传感器输出的信号放大到标准表输入需要的状态，设计放大器并确定各元件参数。解：采用反相比例构成放大器，放大器的最高输入电压为：（10Mpa/0.1Mpa）1mV=100mV放大器的最高输出电压（标准表的最高输入）为5V。放大倍数：5/0.1=50第一级放大后再接一级反相器，使相位符合要求。2.反相加法运算电路iF=i1+i2若Rf=R1=R2则uO=(uI1+uI2)R'=R1//R2//Rf平衡电阻3.反相积分电路=R1Cf称为积分时间常数。当uI为阶跃电压时，则tuo随时间线性下降，最后达到负饱和值。*例12.5利用积分电路将方波变成三角波。10k10nF时间常数=R1Cf=0.1ms设uC(0)=0=5V=5V4.反相微分电路虚地虚断RfC1称为微分时间常数当uI为阶跃电压时，uo为尖脉冲电压。12.3.3同相输入运算电路的分析方法1.同相比例运算R2=R1//Rf平衡电阻当R1=时，跟随器或当R1=，Rf=0时，同相比例运算主要特点：（1）输入与输出信号同相。（2）输入电阻大，输出电阻小。（3）存在共模输入信号，对KCMR的要求高。例12.6如图所示电路，计算输出电压uo的大小。解：该电路是一电压跟随器。u+=7.5V输出电压uo=7.5V2.同相加法运算电路若R2=R3则uO=uI1+uI2若再有Rf=R1例12.7如图所示电路，写出电流iL与输入电压uI的关系式。解：u+=u-=uIiL=i1=uI/R11.输出电流与负载大小无关。2.恒压源转换成为恒流源。特点：（电压—电流转换器）12.3.4差分输入运算电路的分析方法整理可得当时，和则上式为当时，则得例12.8如图所示电路，是用运放构成的测量电路，US为恒压源，若Rf是某个非电量（如压力或温度）的变化所引起的传感元件的阻值变化量。试写出uO与Rf之间的关系式。解：由差分运算电路的输入、输出关系可得整理可得输出信号电压与传感元件阻值变化量成正比。12.3.5非线性电路的分析方法当运放工作于开环或正反馈的工作状态时，运放工作在非线性区。运放的非线性特性在自动控制系统和数字技术中有广泛应用。1.电压比较器电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。1.电压比较器ui:输入电压UREF:参考电压当ui>UREF时，uO=–UOMuiUREF时，uo=+UOMui=UREF时，uO发生跃变UOM–UOMUREF电压传输特性当参考电压UREF=0时，称为过零比较器。若ui为正弦波，画出uo的波形。UOM–UOMUREF=0UREF=1VUOM–UOM在输出端与反相输入端接一个双向稳压管，即可把输出电压限制在某一特定值。限幅电压比较器电压传输特性当ui>0时，uO=–UZui0时，uO=+UZ2.滞回比较器滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电路，广泛应用于自动控制电路中。UOM–UOMu+滞回特性u+：上门限电平：回差电压可改变参考电压改变门限电平（改变R2Rf改变回差）例12.9电冰箱用电子温度控制器，当箱内温度达10°C时压缩机工作，当下降达0°C时压缩机停，温度变化用热敏电阻检验，热敏电阻对应温度变化是0.1/0°C，量电路，在0°C时电阻值是50，用继电器控制压缩机电源的通断，继电器线圈直流电阻为500，工作电压为10V~12V，采用运放构成滞回比较器接通和切断控制信号。若信号放大器输出对应10°C时为0.6V，对应0°C时为0.1V。试画出电路原理图并计算出各元件参数。解：用电桥构成温度-电压变换电路，桥臂工作电流限制在1mA以内。采用差动放大、反相比例、滞回比较器，构成控制电路。桥臂电阻：因电流限制在1mA内，各桥臂电阻不小于12k。信号放大参数：温度：0°C~10°C时，电桥输出为0.2mV~1.2mV。滞回比较器输入应为0.1V~0.6V。电压放大倍数100倍（差动放大10倍，比例放大50倍）。滞回比较器：选用UZ=6.2V则有：整理可得：则：其它及详细计算见书例12.8小结第12章2.集成运算放大器具有很高开环电压放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的特性。可以工作在线性和非线性两种状态。线性工作状态必须引入负反馈。3.工作在线性区的理想运放，“虚短”“虚断”是非常重要的概念。1.反馈将电路的输出量部分或全部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回路。加入负反馈可以改善放大器的性能。负反馈的类型有四种：电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。工作在饱和区的理想运放：4.反相输入运算电路无共模电压的影响，但输入阻抗低，同相输入运算电路的输入阻抗高，但存在共模信号的影响。5.运算放大器既可以用于直流也可以用于交流电路。6.当运放工作于开环或正反馈的工作状态时，运放工作在非线性区。主要用于电压比较和波形产生电路。7.运算放大器在使用时要采用电源端保护、输入端保护、输出保护等保护措施。