模擬電子技術(shù)5信號運算電路

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電子教案電子教案 V2013陳大欽陳大欽 主編主編華中科技大學(xué)電信系華中科技大學(xué)電信系 鄒韜平鄒韜平2013年年4月月10日日2課程內(nèi)容與學(xué)時安排課程內(nèi)容與學(xué)時安排第第1章章 緒論緒論 (2h)第第2章章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路 (4h)第第3章章 半導(dǎo)體三極管及其放大電路基礎(chǔ)半導(dǎo)體三極管及其放大電路基礎(chǔ) (15h)第第4章章 多級放大電路及模擬集成電路基礎(chǔ)多級放大電路及模擬集成電路基礎(chǔ) (4h)第第5章章 信號運算電路信號運算電路 (5h)第第6章章 負反饋放大電路負反饋放大電路 (6h)第第7章章 信號處理與產(chǎn)生電路信號處理與產(chǎn)生電

2、路 (4h)第第8章章 場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)管及其放大電路 (4h)48學(xué)時學(xué)時第第9章章 功率放大電路功率放大電路第第10章章 集成運算放大器集成運算放大器第第11章章 直流電源直流電源2個器件個器件BJTFET關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞核心內(nèi)容核心內(nèi)容1個電路個電路 放大電路放大電路三極管三極管集成運放集成運放完美的完美的放大電路放大電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術(shù)術(shù)重點章重點章介紹放大的基本概念介紹放大的基本概念分立元件分立元件分立元件電路分立元件電路(放大放大) 構(gòu)成規(guī)律和分析方法構(gòu)成規(guī)律和分析方法核心、基礎(chǔ)核心、基礎(chǔ)線索線索-不斷完善放大性能不斷完善放大性能(讀圖讀圖-741)集成運放實

3、現(xiàn)放大的條件集成運放實現(xiàn)放大的條件集成運放的應(yīng)用集成運放的應(yīng)用模電的常用功能電路模電的常用功能電路復(fù)習(xí)、機動復(fù)習(xí)、機動 (2h)清明、五一清明、五一 (2h)5 信號運算電路信號運算電路5.2 集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的主要參數(shù)5.4 加減運算電路加減運算電路5.7 集成運放性能指標對運算誤差的影響集成運放性能指標對運算誤差的影響5.1 運算放大器的工作原理運算放大器的工作原理5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式5.5 積分電路和微分電路積分電路和微分電路5.8 變跨導(dǎo)模擬乘法器及其在運算電路中的應(yīng)用變跨導(dǎo)模擬乘法器及其在運算電路中的應(yīng)用5.6 對數(shù)和反對數(shù)對數(shù)和

4、反對數(shù)(指數(shù)指數(shù))運算電路運算電路重點重點不做不做要求要求一般一般了解了解4 5 信號運算電路信號運算電路 0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器0.2 理想運算放大器理想運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型5.4 加減運算電路加減運算電路5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式5.5 積分電路和微分電路積分電路和微分電路5.2 集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的主要參數(shù)5.1 運算放大器的工作原理運算放大器的工作原理5.7 集成運放性能指標對運算誤差的影響集成運放性能指標對運算誤

5、差的影響理想放大理想放大 放大放大外特性外特性集成運放基本應(yīng)用集成運放基本應(yīng)用-線性部分線性部分問題問題2：什么是理想運放？什么是理想運放？問題問題3：運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律?運放電路的分析方法？運放電路的分析方法？問題問題1：集成運放集成運放具有什么放大特性具有什么放大特性? 放大的線性邊界條件放大的線性邊界條件?50.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器 元件符號元件符號2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元 差分的基本概念差分的基本概念晶體管偏置在放大區(qū)晶體管偏置在放大

6、區(qū)兩個電源端兩個電源端(一般隱含一般隱含)供電直流電源供電直流電源更多的端子：更多的端子：集成運放集成運放 A741ua741-ti.pdf6晶體管偏置在放大區(qū)晶體管偏置在放大區(qū)兩個電源端兩個電源端(一般隱含一般隱含) 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng) 電子電路電子電路 信號信號輸入輸入 信號信號輸出輸出 電子電路電子電路 vI 信號信號輸入輸入 VDC 直流直流 電源輸入電源輸入 vO 信號信號輸出輸出 電子電路電子電路 + vO + iO vI iI VDC VDC VDC 差分差分 放大放大 +- -vi1+- -vi2+- -vo)(=i2i1VovvAv iVo=vAv 元件符號元件符號2. 運算放

7、大器的電路模型運算放大器的電路模型1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元 差分的基本概念差分的基本概念供電直流電源供電直流電源0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器)(=NPvdovvAv 7 差分的基本概念差分的基本概念 差分差分 放大放大 - -+ +- -vi1+- -vi2+- -vo集成運放符號集成運放符號)(=i2i1VovvAv 差分功能：實現(xiàn)差分功能：實現(xiàn)2個信號相減個信號相減o2o1i2Vi1VvvvAvA vP(vi1)同相輸入端；同相輸入端； vN(vi2)反相輸入端反相輸入端 輸入端命名輸入端命名 應(yīng)用背景：電橋測量應(yīng)用背景：電橋測

8、量線性電路、疊加原理線性電路、疊加原理0V AC3850T100aT1RR /.)(=0T V 10V R- - R R+ R R- - R R+ R vi1 vi2 例如鉑電阻測溫例如鉑電阻測溫C19mV/5V222i1 RRVVVRRRvC19mV/5V222i2 RRVVVRRRv )(i2i1VovvAv但實際輸出為但實際輸出為8 差分差分 放大放大 - -+ +- -vi1+- -vi2+- -vo)(=i2i1VovvAv 差分功能：實現(xiàn)差分功能：實現(xiàn)2個信號相減個信號相減o2o1i2Vi1VvvvAvA vP(vi1)同相輸入端；同相輸入端； vN(vi2)反相輸入端反相輸入端

9、輸入端命名輸入端命名 應(yīng)用背景：電橋測量應(yīng)用背景：電橋測量線性電路、疊加原理線性電路、疊加原理0V AC3850T100aT1RR /.)(=0T V 10V R- - R R+ R R- - R R+ R vi1 vi2 例如鉑電阻測溫例如鉑電阻測溫C19mV/5V222i1 RRVVVRRRvC19mV/5V222i2 RRVVVRRRv )(i2i1VovvAv但實際輸出為但實際輸出為 差模信號與共模信號差模信號與共模信號NPid=vvv 差模差模)(21=NPicvvv 共模共模icVCidVDooo=vAvAvvv 2=idicPvvv 2=idicNvvv 差模電壓增益差模電壓增益

10、共模電壓增益共模電壓增益誤差誤差共模抑制比共模抑制比VCVDCMR=AAK 差分的基本概念差分的基本概念90.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器 元件符號元件符號2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元 差分的基本概念差分的基本概念晶體管偏置在放大區(qū)晶體管偏置在放大區(qū)兩個電源端兩個電源端(一般隱含一般隱含)供電直流電源供電直流電源更多的端子：更多的端子：集成運放集成運放 A741ua741-ti.pdf101. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元圖圖2.1.1 集成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖集

11、成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖問題問題1：集成運放具有什么特性？集成運放具有什么特性？問題問題1b：多級放大器的總增益是多級放大器的總增益是?問題問題1a：差分放大是什么功能？差分放大是什么功能？idovdvvA 減法功能減法功能 )(idvd1NPv1o1vAvvAv結(jié)論：結(jié)論：高增益高增益的的多級電壓放大電路多級電壓放大電路( (帶帶差分功能差分功能) )組成：組成：3個放大器串聯(lián)個放大器串聯(lián) 多級放大器。多級放大器。差模電壓增益差模電壓增益差模信號差模信號o2oo1o2ido1vvvvvv v3v2vd1AAA 0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器112. 運算放大器的電路模型運算放大器的電

12、路模型0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器差分電壓放大電路差分電壓放大電路(高增益高增益)(=NPvdovvAv )(=idodvA 電子電路電子電路 + vO + iO vI iI VDC VDC VDC 電壓放大電路電壓放大電路 Vi + Ro Vo + + Ri Vi AVO iVo=vAv122. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器差分電壓放大電路差分電壓放大電路(高增益高增益)(=NPvdovvAv )(=idodvA 電子電路電子電路 + vO + iO vI iI VDC VDC VDC 電壓放大電路電壓放大電路iVo=v

13、Av O I V- - V+ =15V 12V Vom=14V 斜率斜率= Av 線性區(qū)線性區(qū) O P - - N V- - V+ =15V 12V 70 V Vom=14V 斜率斜率= Aod =2105 電壓傳輸特性電壓傳輸特性132. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器差分電壓放大電路差分電壓放大電路(高增益高增益)(=NPvdovvAv )(=idodvA O P - - N V- - V+ =15V 12V 70 V Vom=14V 斜率斜率= Aod =2105 電壓傳輸特性電壓傳輸特性問題問題1：集成運放集成運放具有什么放大特性具

14、有什么放大特性? 放大的線性邊界條件放大的線性邊界條件?具有比較具有比較理想的放大特性理想的放大特性 實際運放通常有：實際運放通常有： 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Aod 105 (很高很高) 輸入電阻輸入電阻 ri 106 （很大）（很大） 輸出電阻輸出電阻 ro 100 （很?。ê苄。?線性工作區(qū)線性工作區(qū)(放大區(qū)放大區(qū)) 放大的線性邊界條件放大的線性邊界條件:-Vom vo Vom 當當Aod(vid) V- - 時時 vo Vomom V- - 非非線性工作區(qū)線性工作區(qū) 當當Aod(vid) V 時時 vo Vom V 14V14k10OML RVV13k2OML RVmV10

15、 Vrail-to-railV21 OMCC VVV O P - - N V- - V+ =15V 12V 70 V Vom=14V 斜率斜率= Aod 15 5 信號運算電路信號運算電路 0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器0.2 理想運算放大器理想運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型5.4 加減運算電路加減運算電路5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式5.5 積分電路和微分電路積分電路和微分電路5.2 集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的主要參數(shù)5.1 運算放大器的工作原理運

16、算放大器的工作原理5.7 集成運放性能指標對運算誤差的影響集成運放性能指標對運算誤差的影響理想放大理想放大 放大放大外特性外特性集成運放基本應(yīng)用集成運放基本應(yīng)用-線性部分線性部分問題問題2：什么是理想運放？什么是理想運放？問題問題3：運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律?運放電路的分析方法？運放電路的分析方法？問題問題1：集成運放集成運放具有什么放大特性具有什么放大特性? 放大的線性邊界條件放大的線性邊界條件? 差分差分電壓放大器電壓放大器(性能比較理想性能比較理想) 高增益高增益 多級放大電路多級放大電路 線性邊界線性邊界 供電直流電源供電直流電源(Vom)理想運放理

17、想運放 運放電路的近似分析方法運放電路的近似分析方法 理想運放理想運放 = 虛短虛短、虛斷虛斷 成立條件：運放工作在線性區(qū)成立條件：運放工作在線性區(qū)160.2 理想運算放大器理想運算放大器問題問題2：集成運放電路的近似分析方法集成運放電路的近似分析方法? O P - - N V- - V+ =15V 12V 70 V Vom=14V 斜率斜率= Aod 工作在工作在線性線性區(qū)區(qū) 放大放大(由由負反饋負反饋保證保證)工作在工作在非線性非線性區(qū)區(qū) 比較器比較器 (9.8.1節(jié)節(jié)) v1 vO - - + vN vP + - - + - - + - - v2 Aod (v2-v1) 近似分析方法參數(shù)

18、理想化近似分析方法參數(shù)理想化(理想運放理想運放)0(ocCMR AK Hf0 失失調(diào)調(diào) od5od102AA iiM2rr075oo rr)6(dB90ocCMR AK(1)輸出電阻輸出電阻(2)輸入電阻輸入電阻(3)線性范圍線性范圍(5)電壓增益電壓增益vo o飽和極限值飽和極限值= =電源電壓電源電壓可不考慮可不考慮負載效應(yīng)負載效應(yīng))0, 0( 0NPiNPI iirvvi虛斷虛斷(6)其他其他若若 vp vn，則則 vo= +Vom=V若若 vp vn，則，則 vo= Vom=V NPodONP0vvAvvv ，即即虛短虛短17Ideal ParametersThe Operationa

19、l Amplifier Practical Specifications odA ir0o r)0(ocCMR AK Hf0 失失調(diào)調(diào)Analysis Method5od102 A M2ir 75or)6(dB90ocCMR AKMHz)1Hz(3TH ff0 失失調(diào)調(diào) odA ir0o r0odONPid Avvvv0iii rvi可不考慮負載效應(yīng)可不考慮負載效應(yīng)0V75102V155odOid Avv0A5 . 0M2V1iii rviVirtual shortVirtual open vO + Aod(vP-vN) vP vN + 工程近似方法工程近似方法181. 應(yīng)用分類應(yīng)用分類按功能

20、分類按功能分類按工作區(qū)域分類按工作區(qū)域分類放大放大 信號傳遞信號傳遞,第第6章章AV、AI、AR(V/I)、AG(I/V)運算運算 、 lndtdxxex處理處理 濾波、峰值、有效值、絕對值、限幅濾波、峰值、有效值、絕對值、限幅比較比較 判斷電壓大小判斷電壓大?。ǖ冢ǖ?章）章）信號產(chǎn)生信號產(chǎn)生 正弦、方波、三角波（第正弦、方波、三角波（第7章）章）線性應(yīng)用線性應(yīng)用非線性應(yīng)用非線性應(yīng)用 電壓比較器電壓比較器2. 線性應(yīng)用的條件線性應(yīng)用的條件3. 分析任務(wù)及方法分析任務(wù)及方法 集成運放應(yīng)用概述集成運放應(yīng)用概述 O P - - N V- - V+ =15V 12V 70 V Vom=14V 192

21、. 線性應(yīng)用的條件線性應(yīng)用的條件 + V+ V- vP vNB vO O P - - N V- - V+ =15V 12V 70 V Vom=14V 必須引入必須引入負反饋負反饋，用，用Xf 抵消抵消Xi ，使，使Vid Vim，運放工作在線性區(qū)。，運放工作在線性區(qū)。 由于由于AVO , , 為為深度負反饋深度負反饋，可，可用用虛短虛短和和虛斷虛斷。理想運放理想運放 VOA ir0o r CMRK BW0 失失調(diào)調(diào)0VOOID Avv0iIDI rvi虛斷虛斷 + + + ri ro + iI vI AvovI vO (vP= vN )虛短虛短增益與負載無關(guān)增益與負載無關(guān) 集成運放應(yīng)用概述集成

22、運放應(yīng)用概述203. 分析任務(wù)及方法分析任務(wù)及方法任務(wù)：任務(wù)：（1）求求vO 或或iO 表達式表達式 電路功能電路功能（2）考慮考慮Ri 、RO 等其他指標的要求等其他指標的要求方法：方法：（1）按按理想運放（理想運放（虛短、虛斷虛短、虛斷）進行分析或設(shè)計進行分析或設(shè)計 （2）考慮考慮非理想?yún)?shù)非理想?yún)?shù) 計算誤差計算誤差 集成運放應(yīng)用概述集成運放應(yīng)用概述 小信號低頻等效電路小信號低頻等效電路21 5 信號運算電路信號運算電路 0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器0.2 理想運算放大器理想運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元2. 運算放大器的

23、電路模型運算放大器的電路模型5.4 加減運算電路加減運算電路5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式5.5 積分電路和微分電路積分電路和微分電路5.2 集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的主要參數(shù)5.1 運算放大器的工作原理運算放大器的工作原理5.7 集成運放性能指標對運算誤差的影響集成運放性能指標對運算誤差的影響理想放大理想放大 放大放大外特性外特性集成運放基本應(yīng)用集成運放基本應(yīng)用-線性部分線性部分問題問題2：什么是理想運放？什么是理想運放？問題問題3：運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律?運放電路的分析方法？運放電路的分析方法？問題問題1：集成運放集

24、成運放具有什么放大特性具有什么放大特性? 放大的線性邊界條件放大的線性邊界條件? 差分差分電壓放大器電壓放大器(性能比較理想性能比較理想) 高增益高增益 多級放大電路多級放大電路 線性邊界線性邊界 供電直流電源供電直流電源(Vom)理想運放理想運放 運放電路的近似分析方法運放電路的近似分析方法 理想運放理想運放 = 虛短虛短、虛斷虛斷 成立條件：運放工作在線性區(qū)成立條件：運放工作在線性區(qū)225.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式5.3.1 同相輸入放大電路同相輸入放大電路 及虛斷概念的引出及虛斷概念的引出5.3.2 反相輸入放大電路反相輸入放大電路5.3.3 差分輸入放大電路差分

25、輸入放大電路23 O P - - N V- - V+ =15V 12V 70 V Vom=14V R1 vF vI vO + A Rf + + + vP vN vP vI vO + A + + vN 線性應(yīng)用的條件線性應(yīng)用的條件vO = Aod( vP vN ) = AodvI0f11NRRRvv 必須引入必須引入負反饋負反饋，用，用Xf 抵消抵消Xi ，使，使Vid 1時有時有vvFA1 1f1f11RRRRR 由虛短由虛短vP = vN直接可得：直接可得：1f1f1IO1 RRRRRA vvv26虛短和虛斷虛短和虛斷 5.3.1 同相輸入放大電路及虛斷概念的引出同相輸入放大電路及虛斷概念的

26、引出5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式通常滿足通常滿足(1+AodFv) 1時有時有fifoododio 11vvvvFFAAvvAvv v故故vPvN稱為稱為虛短虛短由于由于rid，vPvN，故，故iN=iP0。稱為。稱為虛斷虛斷。 R1 vF vI vO + A Rf + + + vP vN 1f1f1i01 RRRRRA vvv即即：Av = vo / vi 1/Fv通常滿足通常滿足(1+AodFv) 1，因此上式可近似為，因此上式可近似為275.3.2 反相輸入放大電路反相輸入放大電路(1) 反相比例反相比例(2) 同相比例同相比例 vI vO - - + Rf R1

27、 A vN vP R2 = R1/Rf vI vO - - + Rf R1 A vN vP R2 = R1/Rf 虛短、虛斷虛短、虛斷0PN vv(虛地虛地)fON1NIRvvRvv I1fOvRRv IPNvvv fON1N0RvvRv I1fO)1(vRRv 性能特點性能特點輸入電阻?。ㄝ斎腚娮栊。≧i = R1 ）運放共模輸入電壓運放共模輸入電壓 0有有虛地虛地 設(shè)計簡單設(shè)計簡單輸入電阻大（輸入電阻大（Ri = ）運放共模輸入電壓運放共模輸入電壓 vi對運放對運放KCMR 要求較高要求較高vIvO- -+AvNvP電壓跟隨器電壓跟隨器平衡電阻平衡電阻 輸入端對地的靜輸入端對地的靜態(tài)電阻相

28、等，保證靜態(tài)時輸態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入差分級的對稱性。入差分級的對稱性。285.3.3 差分輸入放大電路差分輸入放大電路5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式圖圖5.3.4 差分輸入放大電路差分輸入放大電路1. 利用疊加原理求輸出電壓的表達式利用疊加原理求輸出電壓的表達式 vI vO - - + Rf R1 A vN vP R2 = R1/Rf vI vO - - + Rf R1 A vN vP R2 = R1/Rf 分析方法：分析方法：2. 利用虛短直接求輸出電壓的表達式利用虛短直接求輸出電壓的表達式 112OvRRv P12O)1(vRRv 243412)(1(vRRRR

29、R 29 5.3.3 差分輸入放大電路差分輸入放大電路圖圖5.3.4 差分輸入放大電路差分輸入放大電路2. 利用虛短直接求輸出電壓表達式利用虛短直接求輸出電壓表達式 o2111212NvvvRRRRRR 另外有：另外有：PNvv (1) 2ON1N1RvvRvv (2) 04P3P2RvRvv 2434P )2(vRRRv 得：得：由由112N121O)(vRRvRRRv 1122434121)(vRRvRRRRRR 由由(1)得得:30分析舉例分析舉例1 vI vO - - + Rf R1 A vN vP R2 = R1/Rf 設(shè)計要求：設(shè)計要求：Ri = 1M ，AV = - -100解：

30、解：R1 = Ri = 1M 1fIORRvvAV M1001fRARV M1/f12RRR 為了用低值電阻實現(xiàn)高電壓增益的反為了用低值電阻實現(xiàn)高電壓增益的反相比例運算（習(xí)題相比例運算（習(xí)題8.1.9）i121ii I12MvRRv 432iii 4OM3M2M00RvvRvRv 1I34242)(RvRRRRR vI vO - - + R2 R1 A i2 i1 R5 R4 R3 i3 i4 vM R2 = R1 = Ri = 1M ?。喝。篟2 R3 ,R4 (k )I34I3424O)1()1(vRRvRRRRv R4 = 99k R3 = 1k )1(3424I12ORRRRvRRv

31、M4432O)111( vRRRRv 31分析舉例分析舉例2 理想運放構(gòu)成的電路如圖所示，該電路采用理想運放構(gòu)成的電路如圖所示，該電路采用了了自舉擴展自舉擴展的方法提高電路的輸入阻抗。的方法提高電路的輸入阻抗。 (1) 求閉環(huán)增益求閉環(huán)增益AVF ；(2) 當滿足當滿足(R R1)/R 0.05%時，時，求電路的輸入阻抗求電路的輸入阻抗Rif ？ A2 A1 vo 2R1 R1 R2 Rp2 Rp1 R vi R2 ii i1 i3 i2 vo2 R1 = 20k 解解: (1) 由由A1的虛短、虛斷得：的虛短、虛斷得：21ii i12ovRRv (2) 由由Ri的定義式得：的定義式得：iii

32、fivR RvvRviiio2i1i31i0 而而因因A2構(gòu)成反相比例，所以：構(gòu)成反相比例，所以：o21o22vRRv ii12212)(2vvRRRR 11ii1iiRRRRvRvRvi 111iiif2000RRRRRivR M40ifR(+)(+)(- -)(-)(+)32 5 信號運算電路信號運算電路 0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器0.2 理想運算放大器理想運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型5.4 加減運算電路加減運算電路5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式5.5

33、積分電路和微分電路積分電路和微分電路5.2 集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的主要參數(shù)5.1 運算放大器的工作原理運算放大器的工作原理5.7 集成運放性能指標對運算誤差的影響集成運放性能指標對運算誤差的影響理想放大理想放大 放大放大外特性外特性集成運放基本應(yīng)用集成運放基本應(yīng)用-線性部分線性部分問題問題2：什么是理想運放？什么是理想運放？問題問題3：運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律?運放電路的分析方法？運放電路的分析方法？問題問題1：集成運放集成運放具有什么放大特性具有什么放大特性? 放大的線性邊界條件放大的線性邊界條件? 差分差分電壓放大器電壓放大器(性能比較

34、理想性能比較理想) 高增益高增益 多級放大電路多級放大電路 線性邊界線性邊界 供電直流電源供電直流電源(Vom)理想運放理想運放 運放電路的近似分析方法運放電路的近似分析方法 理想運放理想運放 = 虛短虛短、虛斷虛斷 成立條件：運放工作在線性區(qū)成立條件：運放工作在線性區(qū)335.4 加減運算電路加減運算電路5.4.1 加法電路加法電路5.4.2 減法電路減法電路 vI vO - - + Rf R1 A vN vP R2 = R1/Rf vI vO - - + Rf R1 A vN vP R2 = R1/Rf 均由均由2個基本電路變化而得個基本電路變化而得345.4.1 加法電路加法電路R2RfR

35、1vS2vS1iIvONP+0PN vv1NS1-RvvfON-Rvv 2NS2-Rvv )(2S2f1S1fOvRRvRRv 反相比例加法反相比例加法電路電路(1)電路電路(2)NPvv fORRRv 3P2PI21PI10RvRvvRvv PfO)1(vRRv )(/(2I21I1321PRvRvRRRv 同相比例加法同相比例加法 R2 Rf R1 vS2 vS1 iI vO1 N P + R R vO + 反相器反相器圖圖8.1.1習(xí)題習(xí)題8.1.135分析舉例分析舉例3(1) 求求vO 表達式表達式(2) 說明說明A1 , A2各構(gòu)成各構(gòu)成什么功能電路。什么功能電路。解解:第一級第一級

36、A1反相比例反相比例第二級第二級A2反相加法反相加法S111fo1vRRv OvS222fvRR O122fvRR OvS111f22fvRRRR S222fvRR 利用反相信號求和利用反相信號求和 以實現(xiàn)減法運算以實現(xiàn)減法運算圖圖8.1.2新的電路結(jié)構(gòu)新的電路結(jié)構(gòu)多級運放多級運放36分析舉例分析舉例4 A1 A2 R1 3k R2 27k R3 2.2k R4 22k 2k 2.7k vi1 vo vo1 vi2 (1) 求求vO 表達式表達式(2) 說明說明A1 , A2各構(gòu)成各構(gòu)成什么功能電路。什么功能電路。集成運放均是理想的集成運放均是理想的 解解:第一級第一級A1同相比例同相比例i1

37、i112o110)1(vvRRv 第二級第二級A2差分電路差分電路o134i234o)1(vRRvRRv o1i21011vv i11234i234o)1()1(vRRRRvRRv o1i210011vv 具有高輸入電阻的減法電路具有高輸入電阻的減法電路37分析舉例分析舉例4 A1 A2 R1 3k R2 27k R3 2.2k R4 22k 2k 2.7k vi1 vo vo1 vi2 (1) 求求vO 表達式表達式(2) 說明說明A1 , A2各構(gòu)成各構(gòu)成什么功能電路。什么功能電路。集成運放均是理想的集成運放均是理想的 解解:第一級第一級A1同相比例同相比例i1i112o110)1(vvR

38、Rv 第二級第二級A2差分電路差分電路o134i234o)1(vRRvRRv o1i21011vv i11234i234o)1()1(vRRRRvRRv i1i210011vv 具有高輸入電阻的減法電路具有高輸入電阻的減法電路RW加加RW，輸出表達式？，輸出表達式？ RW作用？作用？385.4 加減運算電路加減運算電路5.4.1 加法電路加法電路5.4.2 減法電路減法電路 vI vO - - + Rf R1 A vN vP R2 = R1/Rf vI vO - - + Rf R1 A vN vP R2 = R1/Rf 均由均由2個基本電路變化而得個基本電路變化而得R2RfR1vS2vS1iI

39、vONP+電路電路(1)電路電路(2)差分輸入放大電路差分輸入放大電路5.3.1 同相輸入放大電路同相輸入放大電路 及虛斷概念的引出及虛斷概念的引出5.3.2 反相輸入放大電路反相輸入放大電路395.4.2 減法電路減法電路 Rf R1 v2 v1 vO N P + A R3 R2 1122434121O)(vRRvRRRRRRv idS22VS11VO vAvAvAvvd 利用反相信號求和的減法電路利用反相信號求和的減法電路 A1 A2 R1 3k R2 27k R3 2.2k R4 22k 2k 2.7k vi1 vo vo1 vi2 i11234i234o)1()1(vRRRRvRRv

40、具有高輸入電阻的減法電路具有高輸入電阻的減法電路基本基本差分輸入差分輸入 實際問題測量實際問題測量(儀用儀用)放大器放大器 V 10V R- - R R+ R R- - R R+ R vi2 vi1 各有優(yōu)劣是選擇的依據(jù)各有優(yōu)劣是選擇的依據(jù) OvS111f22fvRRRR S222fvRR 2V1VAA 則：則：減法功能減法功能 )(idvd1NPv1o1vAvvAv40關(guān)于差分式電路的討論關(guān)于差分式電路的討論(1)(1)電阻要配對電阻要配對 Rf R1 vS2 vS1 vO N P + A R3 R2 (2)(2)無虛地?zé)o虛地(3)(3)輸入電阻不等輸入電阻不等S11fS23231fO)1(

41、vRRvRRRRRv 為實現(xiàn)為實現(xiàn))(S1S2VDOvvAv 1f3231f)1( RRRRRRR 令：令：f1f323RRRRRR 1f23RRRR 321f/ RRRR 再考慮平衡電阻，有：再考慮平衡電阻，有：3f21 ; RRRR 則：則：增益調(diào)節(jié)麻煩增益調(diào)節(jié)麻煩電阻配對精度電阻配對精度共模抑制比共模抑制比串聯(lián)負反饋和并聯(lián)負反饋串聯(lián)負反饋和并聯(lián)負反饋)(S1S2fOvvRRv 15.4.2 減法電路減法電路41分析舉例分析舉例5 R2 R3 vS2 vS1 A1 vO1 N P + vO + + R1 + vO2 A2 A3 A4 vO4 vA R1 R2 R4 求電壓增益表達式求電壓增

42、益表達式S1S2OVvvvA 解：解： A1、A2為電壓跟隨器，為電壓跟隨器，所以所以S2O2 S1O1vvvv 對對A3利用利用虛短虛短、虛斷虛斷有有2N1NO1RvRvv 2O4P1PO2RvvRvv O43O4vRRv A4為反相比例為反相比例解得：解得：3142VRRRRA )( O1O212O4vvRRv 習(xí)題習(xí)題8.1.742分析舉例分析舉例6第二級第二級A3差分減法電路差分減法電路)(O1O21fOvvRRv 第一級第一級A1 、A2時時當當I2I1vv 時時當當I2I1vv I1O1)/(vRRv2121 I2O2)/(vRRv2121 )()(O1O2f1OvvRRRRv 1

43、221I1O1vv I2O2vv 0 O v例題例題8.1.12BA21O2O12RvvRRvv )(2I2I1221O2O1vvRRRvv 2=idicPvvv 2=idicNvvv 43 5 信號運算電路信號運算電路 0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器0.2 理想運算放大器理想運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型5.4 加減運算電路加減運算電路5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式5.5 積分電路和微分電路積分電路和微分電路5.2 集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的主要參

44、數(shù)5.1 運算放大器的工作原理運算放大器的工作原理5.7 集成運放性能指標對運算集成運放性能指標對運算誤差的影響誤差的影響理想放大理想放大 放大放大外特性外特性集成運放基本應(yīng)用集成運放基本應(yīng)用-線性部分線性部分問題問題2：什么是理想運放？什么是理想運放？問題問題3：運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律?運放電路的分析方法？運放電路的分析方法？問題問題1：集成運放集成運放具有什么放大特性具有什么放大特性? 放大的線性邊界條件放大的線性邊界條件? 差分差分電壓放大器電壓放大器(性能比較理想性能比較理想) 高增益高增益 多級放大電路多級放大電路 線性邊界線性邊界 供電直流電源

45、供電直流電源(Vom)理想運放理想運放 運放電路的近似分析方法運放電路的近似分析方法 理想運放理想運放 = 虛短虛短、虛斷虛斷 成立條件：運放工作在線性區(qū)成立條件：運放工作在線性區(qū) 負反饋結(jié)構(gòu)負反饋結(jié)構(gòu) 保證虛短、虛斷成立保證虛短、虛斷成立 基本電路基本電路(模塊模塊): 同相比例同相比例, 反相比例反相比例 基本模塊的變化電路基本模塊的變化電路 虛短虛斷虛短虛斷 多輸入信號的電路多輸入信號的電路 疊加原理疊加原理 模塊化模塊化: 電子系統(tǒng)組成一般規(guī)律電子系統(tǒng)組成一般規(guī)律 分析策略分析策略: 化整為零化整為零445.5 積分電路和微分電路積分電路和微分電路5.5.1 積分電路積分電路5.5.2

46、 微分電路微分電路 + Vo R1 + Vi C1 圖圖1.3.4RC低通電路低通電路 + Vo R2 + Vi C2 圖圖1.3.6RC高通電路高通電路CjZC 1 高通和低通頻域特性高通和低通頻域特性積分和微分時域特性積分和微分時域特性頻率響應(yīng)表達式頻率響應(yīng)表達式分析電路，寫傳遞函數(shù)分析電路，寫傳遞函數(shù)AV(s)sCZC/1 輸出信號時域表達式輸出信號時域表達式 js fjs 2 dtds dtdvCiCC 455.5.1 積分電路積分電路5.5.2 微分電路微分電路 C R vS vO + A R + 由由“虛短、虛斷虛短、虛斷”，得，得0PN vvCRii Rv0Sdt dCvC )0

47、(10SC CtVdtvRCv)0(10SCO CtVdtvRCvv反相積分運算反相積分運算 C R vS vO + A R + 0PN vvCRii dt ddt dSCvCvC RvO0dt dSOvRCv RiCi Cv由由“虛短、虛斷虛短、虛斷”，得，得RiCi Cv反相比例電路反相比例電路46 C R vS vO + A R + C R vS vO + A R + RiCi CvRiCi Cv反相比例電路反相比例電路方法二：方法二： 令令C ZC = 1/sC，求求傳遞函數(shù)傳遞函數(shù))(/1)(SOsvRsCsv SO1vRCsv 即即：則則：令令：,dtds )(1)(SOtvRCd

48、ttdv )0(1O0SO VdtvRCvtdt )(d)(SOtvRCtv 則則：令令：,dtds )(/1)(SSOssRCvvsCRsv 對高頻噪聲特別敏感，對高頻噪聲特別敏感，以致輸出噪聲可能完全淹沒以致輸出噪聲可能完全淹沒微分信號。微分信號。 5.5.1 積分電路積分電路5.5.2 微分電路微分電路47分析舉例分析舉例7 C1 R1 vS2 vS1 vO + A C2 R2 習(xí)題習(xí)題8.1.12S222211S111O/1/1)/11(/1vsCRsCRsCvRsCv 22S2111111S111CsRvCsRCsRCsRv RRR 21CCC 21)(1S1S211vvCsR 用方

49、法二較方便用方法二較方便48 積分應(yīng)用積分應(yīng)用 階躍響應(yīng)階躍響應(yīng) 產(chǎn)生斜坡電壓產(chǎn)生斜坡電壓tvS0VS)0(1O0SO VdtvRCvt tdtRCV0StvO0- -VomTM C R vS vO + A R + 積分時限積分時限MSomTRCVV RCVVTSomM 則則設(shè)設(shè)Vom=15V, VS=+3V, R=10k , C=1 F=0.05秒秒恒流充電恒流充電!tRCV S5.5.1 積分電路積分電路49 方波方波 三角波三角波 積分應(yīng)用積分應(yīng)用 C R vS vO + A R + C R vS vO + A R + Rf tvS0tvO0 移相移相tVv sinsms tRCVv c

50、ossmo 9.5.5 Integrator and Differentiator AmplifiertRCVv cossmo 微分應(yīng)用微分應(yīng)用tRCddiovv 50 5 信號運算電路信號運算電路 0.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器0.2 理想運算放大器理想運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型5.4 加減運算電路加減運算電路5.3 運算電路的三種輸入方式運算電路的三種輸入方式5.5 積分電路和微分電路積分電路和微分電路5.2 集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的主要參數(shù)5.1 運算放大器的

51、工作原理運算放大器的工作原理5.7 集成運放性能指標對運算集成運放性能指標對運算誤差的影響誤差的影響理想放大理想放大 放大放大外特性外特性集成運放基本應(yīng)用集成運放基本應(yīng)用-線性部分線性部分問題問題2：什么是理想運放？什么是理想運放？問題問題3：運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律運放常用放大電路有什么結(jié)構(gòu)規(guī)律?運放電路的分析方法？運放電路的分析方法？問題問題1：集成運放集成運放具有什么放大特性具有什么放大特性? 放大的線性邊界條件放大的線性邊界條件? 差分差分電壓放大器電壓放大器(性能比較理想性能比較理想) 高增益高增益 多級放大電路多級放大電路 線性邊界線性邊界 供電直流電源供電直流電源(Vom)

52、理想運放理想運放 運放電路的近似分析方法運放電路的近似分析方法 理想運放理想運放 = 虛短虛短、虛斷虛斷 成立條件：運放工作在線性區(qū)成立條件：運放工作在線性區(qū) 負反饋結(jié)構(gòu)負反饋結(jié)構(gòu) 保證虛短、虛斷成立保證虛短、虛斷成立 基本電路基本電路(模塊模塊): 同相比例同相比例, 反相比例反相比例 基本模塊的變化電路基本模塊的變化電路 虛短虛斷虛短虛斷 多輸入信號的電路多輸入信號的電路 疊加原理疊加原理 模塊化模塊化: 電子系統(tǒng)組成一般規(guī)律電子系統(tǒng)組成一般規(guī)律 分析策略分析策略: 化整為零化整為零515.1 運算放大器的工作原理運算放大器的工作原理5.1.1 原理電路及代表符號原理電路及代表符號5.1.

53、2 電路模型及傳輸特性電路模型及傳輸特性10.1.3 741運放的組成及工作原理運放的組成及工作原理2. 集成運算放大器的代表符號及端子集成運算放大器的代表符號及端子1. 原理電路原理電路 521. 原理電路原理電路 5.1.1 原理電路及代表符號原理電路及代表符號inout直接耦合多級放大電路直接耦合多級放大電路中間放大級復(fù)中間放大級復(fù)合管共射合管共射輸出級輸出級 2級共集級共集鏡像電流源鏡像電流源輸入級偏置輸入級偏置鏡像電流源鏡像電流源T5的偏置的偏置+ +- - + + +- - - -反相端反相端同相端同相端相位？相位？讀圖讀圖差分輸入級差分輸入級(雙入單出雙入單出)vi2:共射；共射

54、；vi1:共集共集-共基共基+ +- -53 Rb1 IC Rc +VCC Re Rb2 VB IE I1 R IC2 RL +VCC Re2 Re1 T2 IC1 T1 IO I1 R IC2 RL +VCC T2 IC1 T1 IREF 1. 鏡像電流源鏡像電流源 2. 比例電流源電路比例電流源電路 BJT基本電流源基本電流源4.3.1 電流源電路電流源電路54 1、概述概述 4.3.1 電流源電路電流源電路 Q ICQ IBQ Rc VCC VCC vCE iC VCEQ vCE iC 直流電阻小直流電阻小交流電阻大交流電阻大CCECE=IVRCCEce=ivr 恒流源恒流源：Rs =

55、，iO = Is ，與，與RL無關(guān)無關(guān)三極管工作在放大區(qū)，其輸出特性具有恒流特性三極管工作在放大區(qū)，其輸出特性具有恒流特性易受溫度影響易受溫度影響特點：特點：分析任務(wù)分析任務(wù)求輸出電流，并提高計算精度求輸出電流，并提高計算精度提高輸出電阻提高輸出電阻Ro學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求：會計算電流源的輸出電流（求會計算電流源的輸出電流（求Q）能辨認電路（電流源結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律）能辨認電路（電流源結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律）55 2、BJT基本電流源基本電流源 4.3.1 電流源電路電流源電路 + vi iB i1 Rb1 b c iC Rc VCC + vo RL iE Re Rb2 Cb1 + Cb2 + e i2 R

56、b1 IC Rc +VCC Re Rb2 VB IE Rb1 rbe Ib rce + Vo Ib Rb2 Rb Re Io RoRL分壓式射極偏置電路分壓式射極偏置電路在滿足條件在滿足條件 I1 IB ；VB VBE 時時電流源內(nèi)阻電流源內(nèi)阻 Rs = Ro（輸出電阻）（輸出電阻）CCb2b1b2BVRRRV eBEBECRVVII eCCb2b1b2eBRVRRRRV )(ebbeeceoRRrR1rR IC與與Rc基本無關(guān)，且能穩(wěn)定基本無關(guān)，且能穩(wěn)定Q（溫度影響）（溫度影響）56 3、比例電流源比例電流源 4.3.1 電流源電路電流源電路 Rb1 IC Rc +VCC Re Rb2 VB

57、 IE I1 Rb1 IC RL +VCC Re Rb2 D T I1 IO R IC2 RL +VCC Re2 Re1 T2 IC1 T1 IO I1 eBeBEBCRVRVVI 提高計算精度提高計算精度滿足條件：滿足條件： I1 IBVB VBE 增加增加1個二極管個二極管D 并使并使D與與T（Je）具有相同）具有相同的溫度特性（補償）的溫度特性（補償） 即即： VD = VBE所以，在所以，在Je回路有：回路有：VD +I1 Rb2 = VBE +IC Reeb21CRRII 比例電流源比例電流源b2b1CCb2b1BECC1 RRVRRVVI 而：而： 集成電路中，集成電路中，DT1B

58、JT基本電流源基本電流源特殊狀態(tài)特殊狀態(tài)思路：思路：？57 4、鏡像電流源鏡像電流源 4.3.1 電流源電路電流源電路 R IC2 RL +VCC Re2 Re1 T2 IC1 T1 IO I1 e1CCe2e1e2e11C2RRVRRRRII 比例電流源比例電流源 R IC2 RL +VCC T2 IC1 T1 IREF 為減少硅片面積占用，為減少硅片面積占用，去掉去掉2個電阻個電阻e2e1RR 求求 IC2 = ?對管對管T1與與T2特性相同特性相同（溫度補償）（溫度補償）假設(shè)假設(shè)T1處于放大區(qū)（問題？）處于放大區(qū)（問題？）12VV ；BE1BE2= C1C2B1B2= IIII； C1R

59、EFBREFC1I2II2II 對對T1的的C點列點列KCL方程：方程：2IBREFREFC1C221=IIII RVRVVICCBE1CCREF 鏡像鏡像ce2orR 58 4.3.2 長尾式差分放大電路長尾式差分放大電路59 vi1 iC1 Rc1 +VCC vo1 T1 Re1 - -VEE + - - Rb1 vi1 iC1 Rc1 +VCC vo1 T1 Re1 - -VEE iC2 Rc2 +VCC vo2 T2 Re2 - -VEE + - - Rb1 vi2 + - - Rb2 vo = vo1 vo2 = Av1vi1 Av2vi2vo = Avd(vi1 vi2) AV1

60、= = AV2 （對管）對管）原因之二原因之二對稱對稱 VC1 = VC2 vo = VC1 - - VC2 = 0 0 克服溫漂克服溫漂(3)公共射極電阻公共射極電阻Re vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo T1 T2 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 Re - -VEE + - - Rb vi2 + - - Rb iE iE2 iE1 + - - vo RL T1 T2 vi1 iC1 Rc vo1 iC2 Rc +VCC vo2 R