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文檔簡介
第3章
集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用3.1概述
3.1.1集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類集成運(yùn)放內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖(1)輸入級:輸入級是提高運(yùn)算放大器質(zhì)量的關(guān)鍵部分。要求其輸入電阻高,為了能減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號,輸入級都采用具有恒流源效果的差動(dòng)放大電路,也稱差動(dòng)輸入級。(2)中間級:中間級的主要作用是提供足夠大的電壓放大倍數(shù),故而也稱電壓放大級。要求中間級本身具有較高的電壓增益,為了減少前級的影響,還應(yīng)具有較高的輸入電阻。另外,中間級還應(yīng)向輸出級提供較大的驅(qū)動(dòng)電流,并能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)單端輸入雙端差動(dòng)輸出,或雙端差動(dòng)輸入單端輸出。(3)輸出級:輸出級的主要作用是輸出足夠的電流,以滿足負(fù)載的需要,同時(shí)還需要有較低的輸出電阻和較高的輸入電阻,以起到將放大級和負(fù)載隔離的作用,輸出級一般由射極輸出器組成,以降低輸出電阻,提高帶負(fù)載能力。(4)偏置電路:偏置電路的作用是為各級提供合適的工作電流,一般由各種恒流源電路組成。3.1.2集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)1.極限參數(shù)供電電壓范圍、功耗、工作溫度范圍、最大差模輸入電壓、最大共模輸入電壓2.電氣參數(shù)輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流、零點(diǎn)漂移、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)、開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻、差模輸出電阻、最大輸出電壓、共模抑制比3.2直接耦合放大器1.前后級靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響在阻容耦合放大器中,由于電容的隔直作用,各級的靜態(tài)工作點(diǎn)是相互獨(dú)立的。而直接耦合放大器,前級的輸出端與后級的輸入端直接相連,因此前后級的靜態(tài)工作點(diǎn)就會互相影響、互相牽制,使電路設(shè)計(jì)和調(diào)試比較困難。圖中的電阻R和穩(wěn)壓管V是為了保證前、后級均有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)而設(shè)置的。2.零點(diǎn)漂移一個(gè)理想的直接耦合放大器,當(dāng)輸入信號為零時(shí),其輸出電壓應(yīng)保持不變。但實(shí)際上,將直接耦合的多級放大器輸入端短接后,測其輸出電壓時(shí),它并不一定保持恒定,而是緩慢地、無規(guī)則地變化著,會偏離原來的起始值上下飄動(dòng),這種現(xiàn)象稱為“零點(diǎn)漂移”(簡稱“零漂”)。3.3差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路也稱為差分放大電路。典型的差動(dòng)放大電路是由兩個(gè)特性相同的晶體管VT1和VT2組成的理想對稱電路,對稱位置上的電阻元件參數(shù)也相同。電路采用正、負(fù)兩個(gè)電源供電,晶體管VT1和VT2的發(fā)射極經(jīng)同一反饋電阻RE接至負(fù)電源。由于典型的差動(dòng)放大電路在結(jié)構(gòu)上對稱性,因而它們的靜態(tài)工作點(diǎn)也必然相同。整個(gè)電路有兩個(gè)輸入端(兩管的基極)和兩個(gè)輸出端(兩管的集電極)。靜態(tài)(ui1=ui2=0V)時(shí),兩管的偏流由通過RE供給,由于電路完全對稱,兩個(gè)晶體管集電極電位相等,所以輸出電壓uo=0V。可見,輸入信號為零時(shí),輸出信號也為零。差模信號差動(dòng)放大電路中兩個(gè)晶體管的基極信號電壓ui1、ui2大小相等、相位相反,即,這樣的信號稱為“差模信號”,用uid表示,uid在數(shù)值上等于兩輸入信號的差值。這種輸入方式為“差模輸入”。共模信號溫度變化時(shí),電源電壓波動(dòng)等引起的零點(diǎn)漂移折合到放大電路輸入端的漂移電壓,相當(dāng)于在差模放大電路的兩個(gè)輸入端同時(shí)加了大小和極性完全相同的輸入信號,即,將這種大小和極性完全相同的信號稱為“共模信號”,用uic表示。這種輸入方式為“共模輸入”。比較輸入差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入信號,既非共模,也非差模,他們的大小和相對極性是任意的,這種輸入常作為比較放大來運(yùn)用,在控制測量系統(tǒng)中是常見的。差動(dòng)放大電路工作原理3.4集成運(yùn)放的理想模型
3.4.1理想集成運(yùn)放電壓傳輸特性
3.4.2理想集成運(yùn)放的性能指標(biāo)1.輸入為零時(shí),輸出恒為零。2.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud=∞。3.差模輸入電阻rid=∞。4.差模輸出電阻ro=0。5.共模抑制比KCMR=∞。6.失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為0。3.4.3理想集成運(yùn)放工作
在線性區(qū)的特點(diǎn)集成運(yùn)放應(yīng)用廣泛,其工作區(qū)域不是線性區(qū),就是非線性區(qū)。在分析集成運(yùn)放的應(yīng)用電路時(shí),用理想集成運(yùn)放代替實(shí)際集成運(yùn)放所帶來的誤差很小,在工程計(jì)算中是允許的。1.虛短當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí),它的輸出信號與輸入信號應(yīng)滿足uo=Aud(u+-u-),由于uo是有限的,而Aud為無窮大,所以有u+-u-=0,即
u+=u-
2.虛斷由于理想集成運(yùn)放的差模輸入電阻rid為無窮大,所以運(yùn)放的輸入電流為零,即i+=i-=0
3.4.4理想集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)
3.4.5集成運(yùn)放的正確使用
1.理想集成運(yùn)放的輸出電壓uo的特點(diǎn)當(dāng)集成運(yùn)放的輸入信號過大、開環(huán)工作或加正反饋時(shí),由于uid≠0,且理想集成運(yùn)放的電壓增益為無窮大,所以輸出電壓就會趨向最大電壓值??紤]到集成運(yùn)放輸出管內(nèi)部飽和壓降的影響,輸出電壓受到限制,只能達(dá)到電源電壓的90%左右,稱這樣的輸出電壓為正、負(fù)飽和輸出電壓,即輸出為正向飽和電壓+Uom,或負(fù)向飽和電壓-Uom。在非線性區(qū)內(nèi),虛短現(xiàn)象不復(fù)存在。
2.理想集成運(yùn)放的輸入電流特點(diǎn)因?yàn)閞id=∞
,
所以i+=i-=0,即虛短現(xiàn)象仍然存在。另外,集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)u+≠u-,其凈輸入電壓u+-u-的大小取決于電路的實(shí)際輸入電壓及外接電路的參數(shù)。1.調(diào)零與消除自勵(lì)振蕩2.集成運(yùn)放的安全保護(hù)3.5負(fù)反饋放大電路
3.5.1概述
3.5.2反饋的概念3.5.3反饋的類型及判別
3.5.4負(fù)反饋的四種組態(tài)1.正反饋和負(fù)反饋2.直流反饋和交流反饋3.串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋4.電壓反饋和電流反饋(a)電壓串聯(lián)負(fù)反饋
(b)電壓并聯(lián)負(fù)反饋(c)電流串聯(lián)負(fù)反饋(d)電流并聯(lián)負(fù)反饋3.5.5負(fù)反饋對放大電路性能影響1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性2.擴(kuò)展頻帶3.減小非線性失真4.抑制內(nèi)部干擾和噪聲5.改變輸入電阻和輸出電阻
3.6集成運(yùn)放在信號運(yùn)算中應(yīng)用
3.6.1比例運(yùn)算電路1.反相比例運(yùn)算電路
2.同相比例運(yùn)算電路
3.6.2加法運(yùn)算電路
3.6.3減法運(yùn)算電路
3.6.4積分運(yùn)算電路
3.6.5微分運(yùn)算電路3.7有源濾波電路(a)低通(b)高通(c)帶通(d)帶阻濾波器的功能是讓某些頻率的信號比較順利通過,而其它頻率的信號受到較大抑制。在實(shí)際的電子系統(tǒng)中,輸入信號往往包含一些不需要的信號成分,可以用濾波器將其衰減到足夠小的程度,或者將有用的信號挑選出來。3.7.1低通濾波電路(LPF)
3.7.2高通濾波電路(HPF)
3.7.3帶通濾波電路(BPF)
3.7.4帶阻濾波電路(BEF)
3.8電壓比較器當(dāng)集成運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋方式時(shí),運(yùn)放的工作范圍將跨越線性區(qū),進(jìn)入非線性區(qū)。此時(shí)運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端不再虛短,輸出電壓也不隨輸入電壓連續(xù)線性變化,當(dāng)時(shí),輸出是正向飽和電壓;當(dāng)時(shí),輸出是反向飽和電壓,即工作在非線性去的運(yùn)放只有兩種輸出狀態(tài),分別將這兩種狀態(tài)稱為輸出高電平與輸出低電平。集成運(yùn)放在非線性區(qū)的典型應(yīng)用電路是構(gòu)成各種電壓比較器。電壓比較器是模擬信號和數(shù)字信號間的橋梁,在數(shù)字儀表、自動(dòng)控制、電平檢測、波型產(chǎn)生等方面應(yīng)用極廣。3.8.1單值電壓比較器
(a)基本電路
(b)傳輸特性3.8.2滯回電壓比較器
3.8.3集成電壓比較器
(a)基本電路
(b)傳輸特性3.9波形發(fā)生電路
3.9.1正弦波振蕩電路1.正弦波振蕩電路概述(1)自勵(lì)振蕩條件(2)起振與穩(wěn)幅(3)振蕩電路的組成與分類3.9.2RC正弦波振蕩電路RC正弦波振蕩電路適用于低頻振蕩,它—般用來產(chǎn)生零點(diǎn)幾赫茲到數(shù)百千茲的低頻信號。1.RC橋式振蕩器
①RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)②RC橋式振蕩器3.9.3LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路采用LC并聯(lián)回路作選頻網(wǎng)絡(luò)。它主要用來產(chǎn)生頻率高于1MHz以上的高頻正弦波信號。按反饋電路的形式不同,常見的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式、電容三點(diǎn)式。3.9.4石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩器是目前精確度和穩(wěn)定度最高的振蕩器,被廣泛應(yīng)用到軍、民用通信電臺、微波通信設(shè)備、程控電話交換機(jī)、無線電綜合測試儀、移動(dòng)電話發(fā)射臺、高檔頻率計(jì)數(shù)器、GPS、衛(wèi)星通信、遙控移動(dòng)設(shè)備等各種系統(tǒng)中。石英晶體振蕩電路選用石英晶體諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)。石英晶體諧振器,簡稱晶
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