理想運(yùn)算放大器的分析與應(yīng)用PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1理想運(yùn)算放大器的分析與應(yīng)用理想運(yùn)算放大器的分析與應(yīng)用9.1 集成運(yùn)算放的組成及基本特性9.2 運(yùn)放的線性應(yīng)用及理想運(yùn)放模型9.3 基本運(yùn)算電路9.4 電壓比較器9.5 波形發(fā)生器(略)9.6 集成運(yùn)放的其他應(yīng)用電路（略） 小結(jié)第1頁/共63頁一、 概述二、集成電路的基本結(jié)構(gòu)三、 模擬集成運(yùn)放的典型電路第2頁/共63頁1）通用集成電路 2）模擬信號處理電路3）控制系統(tǒng)專用集成電路，如電機(jī)控制電路、可控硅控制電路等.4）通信系統(tǒng)專用集成電路，如電話電路、無線通信電路、交換專用電路等。5）測試系統(tǒng)專用集成電路，ATE電路、信號變換和處理電路等。6）儀器專用電路等。 9.1 集成運(yùn)算放大器的組

2、成及基本特性1. 模擬集成電路分類按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類：一、 概述第3頁/共63頁按照電路的功能進(jìn)行分類1）運(yùn)算放大器2）模擬乘法器（除法器）3）對數(shù)放大器4）函數(shù)發(fā)生器5）濾波器6）壓控振蕩器 7）集成功率放大器8）集成 穩(wěn)壓電源一、 概述(續(xù)）9.1 集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性集成電路通用型專用型按照集成電路分類第4頁/共63頁1 集成電路的基本結(jié)構(gòu)圖 61 集成電路的基本組成結(jié)構(gòu) 輸入模塊 功能模塊 輸出模塊 電源模塊 控制/補(bǔ)償 模塊 保護(hù)模塊 二 集成電路的基本結(jié)構(gòu)第5頁/共63頁二 集成電路的基本結(jié)構(gòu)(續(xù)）2 模擬集成電路組成輸入級中間級輸出級偏置電路第6頁/共63頁組成：運(yùn)算

3、放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它的組成框圖如圖所示。運(yùn)放組成差放輸入級中間放大級低阻輸出級恒流源偏置U+U-Uo三、 模擬集成運(yùn)放的典型電路運(yùn)放舊符號運(yùn)放國標(biāo)符號第7頁/共63頁1.輸入級:高性能的差動放大電路。運(yùn)放有兩個輸入端，一個稱為同相輸入端，即輸出與該端輸入信號相位相同，用符號U 表示；另一個稱為反相輸入端，即輸出與該端輸入信號相位相反，用符號U表示。 4.恒流源偏置：可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。 3.低阻輸出級：由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。2.中間放大級：

4、提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。多為差動電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。差放輸入級中間放大級低阻輸出級恒流源偏置U-U+運(yùn)放組成第8頁/共63頁F007 的電路原理圖 +UCC -UCC T3 _ + Ui T1 T2 T4 T9 T8 T7 T6 R1 T5 R2 R3 1k 1k RW R4 T11 T10 R5 39k T13 T12 3k 50k T16 T17 T15 T14 C 30pFR7 4.5k R8 7.5k T19 T18 Uo R9 25 R10 50 D1 D2 輸出級 中間級 偏置電路 輸入級 外接調(diào)零電位器 集成運(yùn)放F007的電路原理第9頁/共63頁2單極

5、型集成運(yùn)放 +UDD -USS T1 T6 R UI T2 UO T3 T4 T5 C T8 T7 C14573 的電路原理圖 第一級是以P溝道管T3和T4為放大管、以N溝道管T5和T6管構(gòu)成的電流源為有源負(fù)載。 第二級是共源放大電路，以N溝道管T8為放大管，漏極帶有源負(fù)載。 第10頁/共63頁第11頁/共63頁集成運(yùn)放的性能指標(biāo)-主要參數(shù)如下： 1電源電壓2開環(huán)差模電壓增益AUd3共模抑制比KCMR4差模輸入電阻rid5輸入失調(diào)電壓Uos6輸入失調(diào)電壓的溫漂dUos/dT7輸入失調(diào)電流Ios8輸入失調(diào)電流的溫漂dIos/dT9輸入偏置電流IB10最大共摸輸入電壓Uic,max11最大差模輸入

6、電壓Uid,max12-3dB帶寬13單位增益帶寬BWG-fT14轉(zhuǎn)換速率SR(擺率) |duo/dt|max第12頁/共63頁9.1.3 線性應(yīng)用及理想運(yùn)放模型一、 線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用二、理想運(yùn)放模型第13頁/共63頁9.1.3 線性應(yīng)用及理想運(yùn)放模型運(yùn)放模型分類按精度分類理想模型非理想模型運(yùn)放宏模型按功能分類直流模型交流小信號模型大信號模型噪聲模型第14頁/共63頁9.1.3 線性應(yīng)用及理想運(yùn)放模型（續(xù)）運(yùn)放分析特點：芯片內(nèi)部分析復(fù)雜、外部特征特征分析簡單。運(yùn)放分析內(nèi)容傳輸特性(輸入與輸出信號關(guān)系特性)頻域特性時域特性溫度特性噪聲特性主要分析內(nèi)容第15頁/共63頁1. 線性應(yīng)用：運(yùn)放輸入

7、輸出成線性關(guān)系的應(yīng)用。閉環(huán)應(yīng)用，如“運(yùn)算電路”、“有源濾波電路”等。一、 線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用2. 非線性應(yīng)用：運(yùn)放輸入輸出成非線性關(guān)系的應(yīng)用。開環(huán)應(yīng)用，如比較器。輸入輸出輸入輸出電壓放大器電壓比較器第16頁/共63頁二、理想運(yùn)放模型1. 理想運(yùn)放的性能1) 開環(huán)電壓增益Aud=;2) 輸入電阻Rid=;3)輸出電阻Ro=0;4)頻帶寬度F=;5)共模抑制比CMRR=;6)失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零。主要條件條件較難滿足，可采用專用運(yùn)放來近似滿足。第17頁/共63頁二、理想運(yùn)放模型（續(xù)）-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)1） 同相端與反相端呈開路狀態(tài)。2）輸出回路為一受控電壓源AU

8、d(U+-U-) ， 由于輸出電阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U-)。2.理想運(yùn)放模型第18頁/共63頁1、集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)移特性:u-u+uouou- - u+0線性工作范圍正飽和負(fù)飽和輸入差模電壓的線性工作范圍很小（一般僅十幾毫伏），所以常將特性理想化2、運(yùn)放線性工作的保障:兩輸入端的電壓必須非常接近，才能保障運(yùn)放工作在線性范圍內(nèi)，否則，運(yùn)放將進(jìn)入飽和狀態(tài)。運(yùn)放應(yīng)用電路中，負(fù)反饋是判斷是否線性應(yīng)用的主要電路標(biāo)志。集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用運(yùn)放的輸出幅度有限（比電源低 2V左右）;運(yùn)放的開環(huán)電壓增益一般 10000;第19頁/共63頁3. 線性運(yùn)用狀態(tài)時主要特征1. 理想運(yùn)放的同相和反

9、相輸入端電流近似為零 ，稱虛斷。I+=I-02. 理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電位近似相等 ，稱虛短。U+=U-Rid虛斷虛短在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。虛地如將運(yùn)放的同相端接地U+=0，則U-=0,即反相端是一 個不接“地”的“地”，稱為“虛地”。虛地點對地的電阻為“0”由于理想運(yùn)放的輸入電阻非常高，輸入端電流近似為0，在分析處于線性狀態(tài)運(yùn)放時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。U+-U-=Uo/AU0-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)運(yùn)放應(yīng)用電路中，負(fù)反饋是判斷是否線性應(yīng)用的主要電路標(biāo)志。第2

10、0頁/共63頁4. 飽和工作狀態(tài)時特征（非線性工作狀態(tài)）1) 理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電流近似為零2)當(dāng)U+U-時，Uo為正飽和值； 當(dāng)U+UR時，輸出應(yīng)為負(fù)飽和值，Uo為低電平-VOL。UoRoDz當(dāng)UiUR時，輸出為正飽和值， Uo為高電平VOM。-UOLURUoUiUOM輸出電壓被限定在（UZ+UD)原理第49頁/共63頁 t U i 0 (c) 經(jīng) RC 微分電路后的輸出 Uo波形 t Uo 0 (a) 輸入 U i波形 (b) 輸出 Uo波形 Uo 0 t (a) (b) VOH VOL 圖 6 3 1 過 零 比 較 器 R1 過 零 比 較 器 A - + 0 Uo R2 Uo

11、 Ui Ui Uid (a)電 路 (b )傳 輸 特 性 Uo R1 A + Uo Ui DZ (c)帶 輸 出 限 幅 的 過 零 比 較 器 例: 電路如圖 (a)所示，當(dāng)Ui如圖 (b)所示時，試畫出Uo及Uo 的波形。 圖（a) 電路圖(b) 波形圖電路一、單門限比較器（續(xù)）第50頁/共63頁二、遲滯比較器-+R1UiR2URUoRf引入正反饋起加速輸出電壓變化UoUiUomUonU2U1原理: 當(dāng)輸出Uo為高電平Uo=Uom時，同相端受到Uom和UR同時作用f2Rff2om21RRURRRURUU 當(dāng)UiU1時，輸出將由高電平Uom跳變到低電平Uon。U1稱為上門限電壓，也稱正向閾

12、值電壓。遲滯比較器：具有遲滯回環(huán)特性，輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓單調(diào)變化使輸出電壓只躍變一次。第51頁/共63頁二、遲滯比較器（續(xù)）-+R1UiR2URUoRfUoUiUomUonU2U1原理: 當(dāng)輸出Uo為低電平Uo=Uon時，同相端受到Uon和UR同時作用f2Rff2on22RRURRRURUU 當(dāng)UiU2時，輸出將由低電平Uon跳變到高電平Uom 。U2稱為下門限電壓，也稱負(fù)向閾值電壓。U1第52頁/共63頁遲滯比較器上門限電壓：f2Rff2om21RRURRRURU 下門限電壓：f2Rff2on22RRURRRURU 21-UU U 門限寬度：小結(jié)：1. 改變基

13、準(zhǔn)電壓UR可改變上、下門限電壓U1、 U2 ， 但不影響門限寬度U。2. 改變正反饋系數(shù)R2/(R2+Rf),將影響U和 U1、 U2 。3. Uom、Uon運(yùn)放的正負(fù)飽和電壓，可通過加限幅電路限制其值。UoUiUomUonU2U1)-(onomf22UURRR 第53頁/共63頁三、比較器的特點及應(yīng)用1. 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。2.開關(guān)特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。3.非線性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線性關(guān)系。特點：第54頁/共63頁應(yīng)用：比較器主要用來對輸入波形進(jìn)行整形，可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出。正弦波變換為矩形波三、比較器的特點及應(yīng)用

14、（續(xù)）有干擾正弦波變換為方波第55頁/共63頁一、矩形波發(fā)生電路二、三角波發(fā)生電路三、脈沖和鋸齒波發(fā)生電路第56頁/共63頁一、電壓電流變換電路二、RC有源濾波器三、測量放大電路四、單電源供電放大電路五、線性穩(wěn)壓電路第57頁/共63頁小 結(jié) 集成運(yùn)算放大器本質(zhì)上是一種多級高增益直流放大器，在外部反饋網(wǎng)絡(luò)配合下，它的輸出與輸入之間可以靈活地實現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。因而具有對不同信號進(jìn)行組合、運(yùn)算和處理等多種功能，可實現(xiàn)各種功能電路。 采用理想模型分析時要掌握理想運(yùn)放的主要條件： 1. 開環(huán)電壓增益Aud=; 2. 輸入電阻Rid=; 3. 輸出電阻Ro=0; 4.頻帶寬度F=; 5.共模抑制比CMRR=; 6.失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零。第58頁/共63頁小 結(jié) 理想運(yùn)放有兩種工作作態(tài)。線性工作狀態(tài)特點： 1. 理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電流近似為零， I+=I-0。2. 理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電位近似相等， U+=U-飽和工作狀態(tài)特點：1. 理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電流近似為零， I+=I-0 2. 當(dāng)U+U-時，Uo為正飽和值； 當(dāng)U+U-時，Uo為負(fù)飽和值。第59頁/共63頁 閉環(huán)運(yùn)放的兩種基本電路1. 反相放大器：它實質(zhì)上是一個電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器， 主要特點是反相輸入端呈“虛地”。電壓增益: AUf-RfRl式中， Rf是反饋電阻，