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

1、會(huì)計(jì)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 一、一、 概述概述 二、集成電路的基本結(jié)構(gòu)二、集成電路的基本結(jié)構(gòu) 三、三、 模擬集成運(yùn)放的典型電模擬集成運(yùn)放的典型電 路路 第1頁(yè)/共62頁(yè) 1）通用集成電路 2）模擬信號(hào)處理電路 3）控制系統(tǒng)專(zhuān)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(zhuān)用集成電路，如電話(huà)電路、無(wú)線(xiàn)通信電路、交換專(zhuān)用電路等。 5）測(cè)試系統(tǒng)專(zhuān)用集成電路，ATE電路、信號(hào)變換和處理電路等。 6）儀器專(zhuān)用電路等。 9.1 集成運(yùn)算放大器的組成及基本特性 1. 模擬集成電路分類(lèi) 按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類(lèi)： 一、 概述 第2頁(yè)/共62頁(yè) 按照電路的功能進(jìn)行分

2、類(lèi) 1）運(yùn)算放大器 2）模擬乘法器（除法器） 3）對(duì)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(zhuān)用型 按照集成電路分類(lèi) 第3頁(yè)/共62頁(yè) 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4頁(yè)/共62頁(yè) 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(jí)中間級(jí)輸出級(jí) 偏置 電路 第5頁(yè)/共62頁(yè) 組成：組成：運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)放大電路集成制造運(yùn)算放大器

3、是由直接耦合多級(jí)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。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(jí) 中間 放大級(jí) 低阻 輸出級(jí) 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(hào) 運(yùn)放國(guó)標(biāo)符號(hào) 第6頁(yè)/共62頁(yè) 1.輸入級(jí)輸入級(jí):高性能的差動(dòng)放大電高性能的差動(dòng)放大電 路。運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，一個(gè)路。運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，一個(gè) 稱(chēng)為稱(chēng)為同相輸入端同相輸入端，即輸出與該即輸出與該 端輸入信號(hào)相位相同，用符號(hào)端輸入信號(hào)相位相同，用符號(hào) U 表示；另一個(gè)稱(chēng)為 表示；另一個(gè)稱(chēng)為反相輸反相輸 入端入端，即輸出與該端輸入信號(hào)即輸出與該端輸入信號(hào) 相位相反，

4、用符號(hào)相位相反，用符號(hào)U 表示。 表示。 4.恒流源偏置：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(diǎn)。流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。 3.低阻輸出級(jí)：低阻輸出級(jí)：由由PNP和和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組兩種極性的三極管或復(fù)合管組 成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱 功率放大器。功率放大器。 2.中間放大級(jí)：中間放大級(jí)：提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度 。多為差動(dòng)電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。多為差動(dòng)電路和帶有源負(fù)載的高增益

5、放大器。 差放 輸入級(jí) 中間 放大級(jí) 低阻 輸出級(jí) 恒流源 偏置 U- U+ 運(yùn)放組成運(yùn)放組成 第7頁(yè)/共62頁(yè) 圖 64 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 30pF R7 4.5k R8 7.5k T19 T18 Uo R9 25 R10 50 D1 D2 輸出級(jí) 中間級(jí) 偏置電路 輸入級(jí) 外接調(diào)零電位器 集成運(yùn)放集成運(yùn)放F007的的電路原理電路原理 第8頁(yè)/共62頁(yè) 2單極型集

6、成運(yùn)放 +UDD -USS T1 T6 R UI T2 UO T3 T4 T5 C T8 T7 圖 67 C14573 的電路原理圖 第一級(jí)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(jí)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9頁(yè)/共62頁(yè) 第10頁(yè)/共62頁(yè) 集成運(yùn)放的性能指標(biāo)集成運(yùn)放的性能指標(biāo)-主要參數(shù)如下：主要參數(shù)如下： 1電源電壓電源電壓 2開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益AUd 3共模抑制比共模抑制比KCMR 4差模輸入電阻差模輸入電阻rid 5輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓Uos 6輸入失調(diào)電壓的溫漂輸入失調(diào)電壓的溫漂dUos/

7、dT 7輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流Ios 8輸入失調(diào)電流的溫漂輸入失調(diào)電流的溫漂dIos/dT 9輸入偏置電流輸入偏置電流IB 10最大共摸輸入電壓最大共摸輸入電壓Uic,max 11最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Uid,max 12-3dB帶寬帶寬 13單位增益帶寬單位增益帶寬BWG-fT 14轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR(擺率擺率) |duo/dt|max 第11頁(yè)/共62頁(yè) 9.1.3 線(xiàn)性應(yīng)用及理想運(yùn)放模型 一、 線(xiàn)性應(yīng)用和非線(xiàn)性應(yīng)用 二、理想運(yùn)放模型 第12頁(yè)/共62頁(yè) 9.1.3 線(xiàn)性應(yīng)用及理想運(yùn)放模型 運(yùn)放模型分類(lèi)運(yùn)放模型分類(lèi) 按精度分類(lèi)按精度分類(lèi) 理想模型理想模型 非理想模型非理想模型

8、 運(yùn)放宏模型運(yùn)放宏模型 按功能分類(lèi)按功能分類(lèi) 直流模型直流模型 交流小信號(hào)模型交流小信號(hào)模型 大信號(hào)模型大信號(hào)模型 噪聲模型噪聲模型 第13頁(yè)/共62頁(yè) 9.1.3 線(xiàn)性應(yīng)用及理想運(yùn)放模型（續(xù)） 運(yùn)放分析特點(diǎn)運(yùn)放分析特點(diǎn)：芯片內(nèi)部分析復(fù)雜、外部特征特征分析簡(jiǎn)單。：芯片內(nèi)部分析復(fù)雜、外部特征特征分析簡(jiǎn)單。 運(yùn)放分析內(nèi)容運(yùn)放分析內(nèi)容 傳輸特性傳輸特性(輸入與輸出信號(hào)關(guān)系特性輸入與輸出信號(hào)關(guān)系特性) 頻域特性頻域特性 時(shí)域特性時(shí)域特性 溫度特性溫度特性 噪聲特性噪聲特性 主要分析內(nèi)容 第14頁(yè)/共62頁(yè) 1. 線(xiàn)性應(yīng)用：線(xiàn)性應(yīng)用：運(yùn)放輸入輸出運(yùn)放輸入輸出 成線(xiàn)性關(guān)系的應(yīng)用。閉環(huán)應(yīng)成線(xiàn)性關(guān)系的應(yīng)用。閉

9、環(huán)應(yīng) 用，如用，如“運(yùn)算電路運(yùn)算電路”、“有有 源濾波電路源濾波電路”等。等。 一、 線(xiàn)性應(yīng)用和非線(xiàn)性應(yīng)用 2. 非線(xiàn)性應(yīng)用：非線(xiàn)性應(yīng)用：運(yùn)放輸入輸運(yùn)放輸入輸 出成非線(xiàn)性關(guān)系的應(yīng)用。開(kāi)出成非線(xiàn)性關(guān)系的應(yīng)用。開(kāi) 環(huán)應(yīng)用，如比較器。環(huán)應(yīng)用，如比較器。 輸入輸入 輸出輸出 輸入輸入 輸出輸出 電壓放大器電壓放大器 電壓比較器電壓比較器 第15頁(yè)/共62頁(yè) 二、理想運(yùn)放模型 1. 理想運(yùn)放的性能理想運(yùn)放的性能 1) 開(kāi)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。 主要條件主要條件 條件較難滿(mǎn)足，

10、可采用專(zhuān)用運(yùn)放 來(lái)近似滿(mǎn)足。 第16頁(yè)/共62頁(yè) 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(kāi)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(yùn)放模型 第17頁(yè)/共62頁(yè) 1、集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)移特性、集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)移特性: u- - u+ uo uo u- - - - u+ 0 線(xiàn)性工作范圍線(xiàn)性工作范圍 正飽和正飽和 負(fù)飽和負(fù)飽和輸入差模電壓的線(xiàn)性工作范圍很小（一般僅輸入差模電壓的線(xiàn)性工作范圍很?。ㄒ话銉H 十幾毫伏），所以常將特性理想化十幾毫

11、伏），所以常將特性理想化 2、運(yùn)放線(xiàn)性工作的保障、運(yùn)放線(xiàn)性工作的保障: 兩輸入端的兩輸入端的電壓電壓必須非常接近，才能保障運(yùn)放工作在必須非常接近，才能保障運(yùn)放工作在 線(xiàn)性范圍內(nèi)，否則，運(yùn)放將進(jìn)入飽和狀態(tài)。線(xiàn)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(xiàn)性應(yīng)用的主要運(yùn)放應(yīng)用電路中，負(fù)反饋是判斷是否線(xiàn)性應(yīng)用的主要 電路電路標(biāo)志標(biāo)志。 集成運(yùn)算放大器的線(xiàn)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(kāi)環(huán)電壓增益一 般 10000; 第18頁(yè)/共62頁(yè) 3. 線(xiàn)性運(yùn)用狀態(tài)時(shí)主要特征線(xiàn)性運(yùn)用狀態(tài)時(shí)主要特征 1. 理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電流近似為零理想運(yùn)放的同相

12、和反相輸入端電流近似為零 ，稱(chēng)虛斷。，稱(chēng)虛斷。I+=I-0 2. 理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電位近似相等理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電位近似相等 ，稱(chēng)虛短。，稱(chēng)虛短。 U+=U- Rid 虛斷虛斷 虛短虛短 在分析運(yùn)算放大器處于線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，可把在分析運(yùn)算放大器處于線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端兩輸入端 視為等電位視為等電位，這一特性稱(chēng)為虛假短路，簡(jiǎn)稱(chēng)，這一特性稱(chēng)為虛假短路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛短虛短。 虛地虛地 如將運(yùn)放的同相端接地如將運(yùn)放的同相端接地U+=0，則，則U-=0,即反相端是一即反相端是一 個(gè)不接個(gè)不接“地地”的的“地地”，稱(chēng)為，稱(chēng)為“虛地虛地”。 虛地點(diǎn)對(duì)地的電阻為“0” 由于理想運(yùn)放的輸入電阻非常高

13、，輸入端電流近似由于理想運(yùn)放的輸入電阻非常高，輸入端電流近似 為為0，在分析處于線(xiàn)性狀態(tài)運(yùn)放時(shí)，可以把，在分析處于線(xiàn)性狀態(tài)運(yùn)放時(shí)，可以把兩輸入端兩輸入端 視為等效開(kāi)路視為等效開(kāi)路，這一特性稱(chēng)為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛斷。，這一特性稱(chēng)為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiàn)性應(yīng)用的主要電路標(biāo)志。 第19頁(yè)/共62頁(yè) 4. 飽和工作狀態(tài)時(shí)特征（非線(xiàn)性工作狀態(tài)）飽和工作狀態(tài)時(shí)特征（非線(xiàn)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理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電流近似為零 2)當(dāng)當(dāng)U+U-

14、時(shí)，時(shí)，Uo為正飽和值為正飽和值； 當(dāng)當(dāng)U+UR時(shí)，時(shí)， 輸出應(yīng)為負(fù)飽和值，輸出應(yīng)為負(fù)飽和值，Uo為低電平為低電平-VOL。 Uo Ro Dz 當(dāng)當(dāng)UiUR時(shí)，輸出為正飽和值時(shí)，輸出為正飽和值， Uo為高電平為高電平VOM。 -UOL UR Uo Ui UOM 輸出電壓被限定在 （UZ+UD) 原理原理 第48頁(yè)/共62頁(yè) 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 R1 過(guò)零比較器 A - + Uo R2 Ui Uid Uo 例: 電路如圖 (a)所示，當(dāng)Ui如圖

15、(b)所示時(shí)，試畫(huà)出Uo及Uo 的波形。 圖（圖（a) 電路電路 圖圖(b) 波形圖電路波形圖電路 一、單門(mén)限比較器（續(xù)） 第49頁(yè)/共62頁(yè) 二、遲滯比較器 - + R1 Ui R2 UR Uo Rf 引入正反饋起加 速輸出電壓變化 Uo Ui Uom Uon U2U1 原理原理: 當(dāng)輸出當(dāng)輸出Uo為高電平為高電平Uo=Uom時(shí)，同相端受到時(shí)，同相端受到Uom和和UR同時(shí)作用同時(shí)作用 f2 Rf f2 om2 1 RR UR RR UR UU 當(dāng)當(dāng)UiU 1時(shí)，輸出將由高電平時(shí)，輸出將由高電平Uom跳變到低電平跳變到低電平Uon。 U 1稱(chēng)為上門(mén)限電壓，也稱(chēng)正向閾值電壓。稱(chēng)為上門(mén)限電壓，也稱(chēng)

16、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，閾值電壓也不同，但輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化使輸出電壓只躍變一次。 第50頁(yè)/共62頁(yè) 二、遲滯比較器（續(xù)） - + R1 Ui R2 UR Uo Rf Uo Ui Uom Uon U2U1 原理原理: 當(dāng)輸出當(dāng)輸出Uo為低電平為低電平Uo=Uon時(shí)，同相端受到時(shí)，同相端受到Uon和和UR同時(shí)作用同時(shí)作用 f2 Rf f2 on2 2 RR UR RR UR UU 當(dāng)當(dāng)UiU 2時(shí)，輸出將由低電平時(shí)，輸出將由低電平Uon跳變到高電平跳變到高電平Uom 。 U 2稱(chēng)為下門(mén)限電壓，也稱(chēng)負(fù)向閾值電壓。稱(chēng)為下門(mén)限電壓，也稱(chēng)負(fù)向閾值電壓。 U1

17、 第51頁(yè)/共62頁(yè) 遲滯比較器 上門(mén)限電壓：上門(mén)限電壓： f2 Rf f2 om2 1 RR UR RR UR U 下門(mén)限電壓：下門(mén)限電壓： f2 Rf f2 on2 2 RR UR RR UR U 21 - UU U 門(mén)限寬度：門(mén)限寬度： 小結(jié)： 1. 改變基準(zhǔn)電壓UR可改變上、下門(mén)限電壓U1、 U2 ， 但不影響門(mén)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(guò)加限幅電路限制其值。 Uo Ui Uom Uon U2U1 )-( onom f2 2 UU RR R 第52頁(yè)/共62頁(yè) 三、比較器的特點(diǎn)及應(yīng)用

18、1. 工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)。 2.開(kāi)關(guān)特性，因開(kāi)環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。 3.非線(xiàn)性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線(xiàn)性關(guān)系。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 第53頁(yè)/共62頁(yè) 應(yīng)用：應(yīng)用：比較器主要用來(lái)對(duì)輸入波形進(jìn)行比較器主要用來(lái)對(duì)輸入波形進(jìn)行整形整形，可以將，可以將 不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出。不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出。 正弦波變換為矩形正弦波變換為矩形 波波 三、比較器的特點(diǎn)及應(yīng)用（續(xù)） 有干擾正弦波變換為方波 第54頁(yè)/共62頁(yè) 一、矩形波發(fā)生電路一、矩形波發(fā)生電路 二、三角波發(fā)生電路二、三角波發(fā)生電路 三、脈沖和鋸齒波發(fā)生電路三、脈沖和鋸齒波發(fā)生電路 第55

19、頁(yè)/共62頁(yè) 一、電壓一、電壓電流變換電電流變換電 路路 二、二、RC有源濾波器有源濾波器 三、測(cè)量放大電路三、測(cè)量放大電路 四、單電源供電放大電四、單電源供電放大電 路路 五、線(xiàn)性穩(wěn)壓電路五、線(xiàn)性穩(wěn)壓電路 第56頁(yè)/共62頁(yè) 小 結(jié) 集成運(yùn)算放大器本質(zhì)上是一種多級(jí)高增益直流放大器，集成運(yùn)算放大器本質(zhì)上是一種多級(jí)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(shí)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(shí) 現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。因而具有對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行組合、運(yùn)現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。因而具有對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行組合、運(yùn) 算和處理等多種功能，可實(shí)現(xiàn)各種功能電路。算和處理等多種功能，可實(shí)現(xiàn)各種功能電路。 采用理想模型分析時(shí)要掌握理想運(yùn)放的主要條件：采用理想模型分析時(shí)要掌握理想運(yùn)放的主要條件： 1. 開(kāi)環(huán)電壓增益開(kāi)環(huán)電壓增益Aud=; 2. 輸入電阻輸入電阻Rid=; 3. 輸出電阻輸出電阻Ro=0; 4.頻帶寬度頻帶寬度 F=; 5.共模抑制比共模抑制比CMRR=; 6.失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零。失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零。 第57頁(yè)/共62頁(yè) 小 結(jié) 理想運(yùn)放有兩種工作作態(tài)。理想