模擬電路分析：8.第9章-運放電路及應(yīng)用

1、第9章 理想運算放大電路及其應(yīng)用,5.5 集成運算放的組成及基本特性 5.6 集成運算放大器的主要參數(shù) 9.1 理想運算放大電路 9.2 比例運算電路 9.3 基本運算電路 9.4 電壓比較器 9.5 集成運放的其他應(yīng)用電路,集成運算放的組成及基本特性,一、概述 二、集成電路的基本結(jié)構(gòu) 三、模擬集成運放的典型電路,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,集成運算放大器的組成及基本特性,1

2、. 模擬集成電路分類 按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類,一、 概述,按照電路的功能進(jìn)行分類 1）運算放大器 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),集成運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,1 集成電路的基本結(jié)構(gòu),二 集成電路的基本結(jié)構(gòu),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,組成：運算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,運放組成,差放 輸入級,中間 放大級,低阻 輸出級,恒流源 偏置,

3、U,U,Uo,三、 模擬集成運放的典型電路,運放舊符號,運放國標(biāo)符號,1.輸入級:高性能的差動放大電路。運放有兩個輸入端，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：提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。多為帶有源負(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

4、放組成,集成運放F007的電路原理,集成運算放大器的主要參數(shù),集成運放的性能指標(biāo)-主要參數(shù)如下,1 電源電壓 2 開環(huán)差模電壓增益AUd 3 共模抑制比KCMR 4 差模輸入電阻rid 5 輸入失調(diào)電壓Uos 6 輸入失調(diào)電壓的溫漂dUos/dT 7 輸入失調(diào)電流Ios,8 輸入失調(diào)電流的溫漂dIos/dT 9 輸入偏置電流IB 10 最大共摸輸入電壓Uic,max 11 最大差模輸入電壓Uid,max 12 -3dB帶寬 13 單位增益帶寬BWG-fT 14 轉(zhuǎn)換速率SR(擺率) |duo/dt|max,見書上第5章159頁內(nèi)容,9.1 理想運算放大電路,一、線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用 二、理想運

5、放模型,9.1 理想運算放大電路,運放模型分類,按精度分類,理想模型,非理想模型,運放宏模型,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,9.1 理想運算放大電路（續(xù),運放分析特點：芯片內(nèi)部分析復(fù)雜、外部特征分析簡單,運放分析內(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,1. 線性應(yīng)用：運放輸入輸出成線性關(guān)系的應(yīng)用。閉環(huán)應(yīng)用（反相輸入端與輸出之間有閉環(huán)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)），如“運算電路”、“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：運放輸入輸出成非線性關(guān)系的應(yīng)用。開環(huán)應(yīng)用（開環(huán)或同相輸入端與輸出端之間引入正反饋網(wǎng)絡(luò)）

6、，如比較器,輸入,輸出,輸入,輸出,電壓放大器,電壓比較器,二、理想運放模型,1. 理想運放的性能,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，實際運放同樣基本滿足,條件較難滿足， 可采用專用運放 來近似滿足,二、理想運放模型（續(xù),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AUd(U+-U-) ， 由于輸出電阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U,2.理想運放模型,3. 線性運用狀態(tài)時主要特征,1. 理想運放的同相和反相輸入端電流近似為零 ，稱虛斷,I+

7、=I-0,2. 理想運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/AUd0（ Aud,U,I,U,I,AUd(U+-U,4. 飽和工作狀態(tài)時特征（非線性工作狀態(tài),1) 理想運放的同相和反相輸入端電流近似為零,

8、2)當(dāng)U+U-時，Uo為正飽和值； 當(dāng)U+U-時，Uo為負(fù)飽和值,I+=I-0,飽和狀態(tài)的運放通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，主要用于數(shù)字電路，比較器電路等,二、理想運放模型（續(xù),9.2 比例運算電路,一、反相比例運算電路 二、同相比例運算電路,一、比例運算電路,1. 反相放大電路,平衡電阻 RpR1/Rf,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,由I+=I- 0 （虛斷,I1=If,U+= 0,U+=U-（虛短,U-= 0,v+= -i+Rp,考慮兩輸入端之間的等效電阻,非理想情況下,若v+= v- ，i+= i,克服輸入偏置電流引起的輸入失調(diào)電壓,令 vi= vo =0,平衡電阻,一、比例運算電路（續(xù),1. 反相放大

9、電路（續(xù),小結(jié)：電路的輸出Uo與輸入Ui呈比例關(guān)系，且相位相反，比例因子為 Rf/R1 ，因此，該電路常用于反相比例運算,Auf只與Rf、R1有關(guān)， 而與運放的參數(shù)無關(guān),輸入電阻 rif,R1,輸出電阻 rof= 0,電壓增益,一、比例運算電路（續(xù),2. 同相放大電路,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,I- = I+ 0,U+=U,rif,rid,rof= 0,小結(jié)：同相放大電路輸出Uo與輸入Ui呈比例關(guān)系，且相位相同，比例因子為 1+Rf/R1 ，因此，該電路常用于同相比例運算,I1=If,U+= Ui,Ui,一、比例運算電路（續(xù),2. 同相放大電路（續(xù),電壓跟隨器,rif,rid,rof= 0,當(dāng)Rf=0時

10、,9.3 基本運算電路,一、加法器 二、減法器 三、積分器 四、微分器 五、對數(shù)方大器 六、指數(shù)放大器,一、加法器,1. 反相加法器,I+=I- 0,I1+I2+In=If,U+= 0,U+=U,U-= 0,平衡電阻 RpR1/R2/Rn/Rf,當(dāng)R1=R2=Rn=Rf時，Uo= -(U1+U2+Un,2.同相加法器,I+=I- 0,I1+I2+In=0,U+=U,一、加法器（續(xù),2. 同相加法器（續(xù),一、加法器（續(xù),二、減法器,運放工作在線性放大時，可用疊加原理來推導(dǎo)輸出表達(dá)式。 當(dāng)U2=0時，在輸入信號U1的作用下，產(chǎn)生的輸出為Uo,當(dāng)U1=0時，在輸入信號U2的作用下，產(chǎn)生的輸出為Uo

11、根據(jù)疊加原理：Uo= Uo + Uo,當(dāng)U1單獨作用時,Uo,當(dāng)U2單獨作用時,Uo,當(dāng)U1和U2共同作用時,若R1=R2 R3=Rf,小結(jié)： 當(dāng)R1=R2，R3=Rf時，減法器的輸出電壓為兩個輸入信號 之差乘以放大系數(shù)Rf/R1, 故又稱它為差分放大器。 2)為減小失調(diào)誤差，需 R1/Rf=R2/R3,二、減法器（續(xù),實例： 雙端輸入求和電路,雙端輸入也稱差動輸入，雙端輸入求和運算電路如圖： 其輸出電壓表達(dá)式的推導(dǎo)方法與減法電路相似,雙端輸入求和運算電路,當(dāng)Ui1=Ui2 =0時，用疊加原理分別求出: Ui3和Ui4 時作用時的輸出 電壓Uop。 當(dāng)Ui3 = Ui4 =0時，分別求出: U

12、i1和Ui2作用時的Uon,先求,式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf,再求,于是,三、積分器,I+=I- 0,i1(t) = if(t,U+= 0,可得,積分器的輸出電壓與輸入電壓呈積分 關(guān)系，積分時間常數(shù)為RC。,當(dāng)ui(t)=E時,uo(t)t按負(fù)斜率下降，最終達(dá)到負(fù)飽和值,U+= U-， U- =0,積分器應(yīng)用,數(shù)學(xué)運算,波形變換。如將一方波變換成三角波,實現(xiàn)波形變換，將一方波變換成三角波,積分器應(yīng)用（續(xù),加入直流反饋Rf 的作用：抑制直流漂移，提高控制精度，防止低頻、直流增益過大,積分器應(yīng)用（續(xù),要求輸出電壓的幅值要小于等于Uom， 由此可知，輸出電壓可表示為,例:

13、如圖所示積分器，已知輸入矩形波電壓幅值E=1V，T=10ms，運放最大輸出電壓Uom=10 V，求電路元件R和C的值,解,ui(t,t,uo(t,E,E,Uom,T,Uom,例:畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形,積分器的輸入和輸出波形,四、微分器,I+=I- 0,ic(t) = if(t,U+=U-=0,R1的作用是: 適當(dāng)減小放大器高頻增益; 抑制高頻噪聲,微分器實用電路,微分器應(yīng)用,數(shù)學(xué)運算,波形變換,微分器應(yīng)用,注意：在設(shè)計微分器時，元件RfC的乘積受運放最大輸出電壓的限制，即最大輸出電壓Uom滿足,若在微分器（R=10K，C=0.1）輸入端加入一個三角波信號電壓，其頻率為1 k

14、Hz，峰峰值為2.5V，不計R1的影響，變化率,微分器輸出電壓是一方波信號，它的幅值電壓為,五、對數(shù)放大器,原理:利用PN結(jié)結(jié)電壓與電流 之間的對數(shù)關(guān)系而構(gòu)成的,I+=I- 0,Ii = Ic,U+=U,U+=0,U-=0,由電路可看出,輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系呈對數(shù)關(guān)系； Uo的最大輸出電壓不會超過Ube； 溫度穩(wěn)定性差,六、指數(shù)放大器,輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系; 溫度的穩(wěn)定性差,原理:利用PN結(jié)結(jié)電流與電壓 之間的指數(shù)關(guān)系而構(gòu)成的,求圖所示數(shù)據(jù)放大器的輸出表達(dá)式，并分析R1的作用,解1,顯然調(diào)節(jié)R1可以改變放大器的增益,例,所以,顯然調(diào)節(jié)R1可以改變放大器的增益。 如放大器AD6

15、24等， R1有引線連出，同時有一組R1接成分壓器形式，可選擇連接成多種的R1數(shù)值,解2：vs1和vs2為 差模輸入信號，為此vo1和vo2也是 差模信號，R1的中點為交流零電位。對A3是雙 端輸入放大電路,9.4 電壓比較器,一、單門限比較器 二、遲滯比較器 三、比較器的特點及應(yīng)用,對兩個輸入電壓進(jìn)行比較，比較兩個電壓的大小，將比較結(jié)果以高低電平的形式輸出。此功能的運放通常工作在飽和區(qū)。 通常將一個輸入電壓UR作為參考電壓，另一個輸入電壓Ui與UR比較，結(jié)果由Uo反映,比較器的功能,一、單門限比較器,輸出應(yīng)為負(fù)飽和值，Uo為低電平-VOL,當(dāng)UiUR時，輸出為正飽和值， Uo為高電平VOM,

16、輸出電壓被限定在 （UZ+UD,原理,U-U,U+U,單門限比較器,是指只有一個門限電壓的比較器,一、單門限比較器（續(xù),過零比較器,當(dāng)UR=0時，輸入電壓Ui每次過零時，輸出電壓產(chǎn)生躍變,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),二、遲滯比較器,引入正反饋起加 速輸出電壓變化,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,當(dāng)Ui U1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，

17、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,單門限電壓比較器抗干擾能力差，當(dāng)輸入有波動時，輸出將產(chǎn)生頻繁躍變,上門限電壓,二、遲滯比較器（續(xù),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,當(dāng)Ui U2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,下門限電壓,遲滯比較器,上門限電壓,下門限電壓,門限寬度,7-4,小結(jié)： 1. 改變基準(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運放的正負(fù)飽和電壓

18、，可通過加限幅電路限制其值,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,比較器特點,比較器的應(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（續(xù),有干擾正弦波變換為方波,其他應(yīng)用：過零檢測、越線報警、模數(shù)轉(zhuǎn)換等,9.6 集成運放的其他應(yīng)用電路（自學(xué),一、信號轉(zhuǎn)換電路 二、RC有源濾波器,濾波器的基本概念,利用電路的頻率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇,通頻帶：能夠通過的信號頻率范圍,阻帶：受

19、阻或衰減的信號頻率范圍,低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器,截止頻率：通帶與阻帶的界限頻率,通帶增益：通帶內(nèi)信號所獲得的最大增益,阻帶衰減：阻帶內(nèi)信號所獲得的衰減,中心角頻率：帶通或帶阻濾波器中的頻帶中心點的頻率,Q=0.707,Q 0.707,Q 0.707,Q=0.707時，通帶內(nèi)輸出信號幅度較平坦，通帶外衰減比Q值小于0.707時快速,品質(zhì)因數(shù)Q,1.一階低通有源濾波,根據(jù)反相比例運算電路的分析,頻率特性,截止頻率,濾波增益,A|=R2/R1,RC有源濾波器,特性曲線,2.一階高通有源濾波,據(jù)反相比例運算電路的分析,頻率特性,截止頻率,濾波增益,A|=R2/R1,RC有源濾波器（續(xù),特性曲線,小 結(jié),集成運算放大器本質(zhì)上