09zch05、信号运算电路4.ppt

模拟电子技术基础,电子教案 V1.0,陈大钦 主编,华中科技大学电信系 邹韬平,2,章目录,第1章 绪论,第2章 半导体二极管及其应用电路,第3章 半导体三极管及其放大电路基础,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础,第5章 信号运算电路,第6章 负反馈放大电路,第7章 信号处理与产生电路,第8章 场效应管及其放大电路,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,模拟电子技术基础,3,多级放大电路组成及模电发展线索,输入级Ri,中间放大级AV,输出级Ro,共集、共射,共射、共基,共集,第8章 场效应管,第4.3.2节 差分放大电路,2个信号相减,第9章 功率放大电路,直接耦合零漂,Ri,RL特别小,第4.3.1节 电流源,第5、10章 集成运算放大器,性能改善,第6章 反馈技术、方法,第5、7、11章 运算放大器应用 各种功能电路,稳定Q电路,5 信号运算电路,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.4 加减运算电路,5.7 集成运放性能指标对运算误差的影响,5 信号运算电路,5.1 运算放大器的工作原理,5.3 运算电路的三种输入方式,5.5 积分电路和微分电路,5.8 变跨导模拟乘法器及其在运算电路中的应用,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,(只讲1例),重点,不做要求,一般了解,5,5.1 运算放大器的工作原理,5.1.1 原理电路及代表符号,5.1.2 电路模型及传输特性,10.1.3 741运放的组成及工作原理,2.集成运算放大器的代表符号及端子,1.原理电路,6,5.1.1 原理电路及代表符号,in,out,直接耦合多级放大电路,中间放大级复合管共射,输出级 2级共集,镜像电流源输入级偏置,镜像电流源T5的偏置,反相端,同相端,相位？,1.原理电路,读图,差分输入级双入单出,7,(a)原理电路图5.1.1 简单的集成运算放大器,5.1.1 原理电路及代表符号,5.1 运算放大器的工作原理,1.原理电路,高增益直接耦合放大器,输入级:由T1、T2组成双端输入、单端输出差分放大电路。,中间电压放大级:由T3、T4组成复合管共射极电路，,输出级:由T5、T6组成的两级射极跟随器电路,相位关系,(+),(),(+),(),(),(),v0=Aod(vp vN),8,10.1.3 741运放的组成及工作原理,读图,差分放大输入级共集共基组合双入单出,中间放大级复合管共射,共集缓冲前置放大,2个二极管甲乙类功放,相位,9,10.1.3 741运放的组成及工作原理,读图,镜像电流源A静态偏置,电流源B有源负载,微电流源静态偏置,镜像电流源稳定工作点？,T,带缓冲级的比例电流源调零、有源负载？,限流保护T15,T21,io Iomax,vR9 0.5V,T15导通,10,10.1.3 741运放的组成及工作原理,11,LM741集成运放的简化电路,小结：,高增益的直接耦合 多级差分放大电路,集成电路运算放大器,12,2.集成运算放大器的代表符号及端子,5.1.1 原理电路及代表符号,5.1 运算放大器的工作原理,v0=Aod(vP vN),Aod称为集成运算放大器的差模电压增益,vP vN 称为差模输入电压,(b)国家标准规定的符号(c)现阶段国内外普遍使用的符号,高增益的直接耦合多级差分放大电路,13,(a)带公共地的两个直流电源(b)简化画法图5.1.2 运算放大器中的直流电源,5.1.1 原理电路及代表符号,5.1 运算放大器的工作原理,还有两个电源供给端（一般隐含）,2.集成运算放大器的代表符号及端子,14,5.1.2 电路模型及传输特性,5.1 运算放大器的工作原理,1.电路模型,图5.1.3 集成运算放大器的(简化)低频等效电路,15,2.传输特性,运放工作在线性区时，必须满足条件,VOL Aod(vPvN)VOH,当运放工作在饱和区时，则可分别表示为,当Aod(vPvN)VOH，则v0=VOH,5.1.2 电路模型及传输特性,5.1 运算放大器的工作原理,当Aod(vPvN)VOL，则v0=VOL,16,运算放大器外形图,SO8(Plastic Micropackage),5 信号运算电路,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.4 加减运算电路,5.7 集成运放性能指标对运算误差的影响,5 信号运算电路,5.1 运算放大器的工作原理,5.3 运算电路的三种输入方式,5.5 积分电路和微分电路,5.8 变跨导模拟乘法器及其在运算电路中的应用,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,18,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.2.1 输入失调参数,5.2.2 差模特性参数,5.2.4 大信号动态特性,5.2.3 共模特性参数,5.2.5 电源特性参数,极限参数,电特性参数（Ta=25C）,以A741C为例,19,极限参数,电源电压,5V 18V,最大允许功耗,最大差模输入电压,最大共模输入电压,工作温度范围,保存温度范围,军品：-55C 125C,-65C 150C,通用：0C 70C,Vidmax 30V,Vicmax 15V,670mW（DIP）,5.2 集成运算放大器的主要参数,高压型（特殊）HA2645 80VD41 150V,20,5.2.1 输入失调参数,1.输入失调电压VIO,2.输入偏置电流IIB,3.输入失调电流IIO,4.温度漂移,（1）输入失调电压温漂VIO/T,（2）输入失调电流温漂IIO/T,2mV,80nA,20nA,20V/C,高精度(低漂移型）,OP177,0.5nA/C,A741C,精密仪表放大器,21,5.2.2 差模特性参数,1.开环差模电压增益AVO,2.开环带宽BW(fH),3.单位增益带宽 BWG(fT),3dB带宽,BJT 105106 FET 109以上。,无反馈,“高增益型”达140200dB,4.差模输入电阻rid,A741,高速型宽带型,高输入阻抗型,22,5.2.3 共模特性参数,A741典型值为90dB，性能好的高达180dB。,1.共模抑制比 KCMR,2.共模输入电阻ric,5.2.5 电源特性参数,1.电源电压抑制比 PSVR,A741典型值为90dB,2.静态功耗 PD,3.电源电流 IOC,50mW,1.7mA,低功耗型：,空间技术和生物科学研究电源电压较低，电流微弱 OP22：静态功耗PD=36 W。OP290：PD=24 W（0.8 V）CF7612：PD=50 W（5 V）,23,5.2.4 大信号动态特性,转换速率S R（压摆率）,A741典型值为0.5V/s,反映运放对于快速变化的输入大信号的响应能力,24,其它参数,OP37,AD9620,CF357,AD9618,高速型、宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A等高速数据采集测试系统。用于小信号放大时，可注重 fH 或 fT；用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。,最大输出电流Iomax,13V 14V,最大输出电压VOPP,25mA,功率型:LM12,5 信号运算电路,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.4 加减运算电路,5.7 集成运放性能指标对运算误差的影响,5 信号运算电路,5.1 运算放大器的工作原理,5.3 运算电路的三种输入方式,5.5 积分电路和微分电路,5.8 变跨导模拟乘法器及其在运算电路中的应用,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,26,5.3 运算电路的三种输入方式,5.3.1 同相输入放大电路 及虚断概念的引出,5.3.2 反相输入放大电路,5.3.3 差分输入放大电路,集成运放应用概述,27,集成运放应用概述,引言：,集成运放,性能很理想的差分放大电路,但是 3个问题？,1.差模电压增益AVO 2105(106dB),2.输入失调电压温漂VIO/T 20V/C,3.3dB带宽 fH 7Hz,VO/T AVOVIO/T=4V/C,最大输出电压VOPP 14V（Vom）,易引起频率失真,最大输入电压:,如何使用？线性范围小；增益,28,1.应用分类,按功能分类,按工作区域分类,线性应用,非线性应用 电压比较器,集成运放应用概述,29,2.线性应用的条件,必须引入负反馈，用Xf 抵消Xi，使Vid Vim，运放工作在线性区。,由于AVO,为深度负反馈，可用虚短和虚断。,理想运放,虚断,(vP=vN),虚短,增益与负载无关,集成运放应用概述,30,3.分析任务及方法,任务：,（1）求vO 或iO 表达式 电路功能,（2）考虑Ri、RO 等其他指标的要求,方法：,（1）按理想运放（虚短、虚断）进行分析或设计,（2）考虑非理想参数 计算误差,集成运放应用概述,小信号低频等效电路,31,线性应用的条件,vO=Aod(vP vN),=AodvI,必须引入负反馈，用Xf 抵消Xi，使Vid Vim，运放工作在线性区。,无负反馈：,引入反馈：,输出电压vo通过R1和Rf 分压，将输出电压vo在R1上的压降加到运放的反相输入端N，这种信号的反相传输就称为反馈。,vd=vP vN 净输入减小 相互抵消作用（负反馈）,5.3.1 同相输入放大电路及虚断概念的引出,vd=vP,32,vd=vN vP=vI vF 净输入增大（正反馈）,vd=vP vN=vI vF 净输入减小（负反馈）,vd=vP vN=vP=vI,vd=vN vP=vN=vI,规律：单个运放，反馈引回反相输入端为负反馈,33,5.3.1 同相输入放大电路及虚断概念的引出,电压增益,vO=Aod(vP vN),=AodvI,无负反馈：,有负反馈：,vO=Aod(vP vN),代入得：,通常满足(1+AodFv)1时有,由虚短vP=vN直接可得：,34,虚短和虚断,5.3.1 同相输入放大电路及虚断概念的引出,5.3 运算电路的三种输入方式,通常满足(1+AodFv)1时有,故vPvN称为虚短,由于rid，vPvN，故iN=iP0。称为虚断。,Av=vo/vi 1/Fv,通常满足(1+AodFv)1，因此上式可近似为,35,但是 3个问题？,1.差模电压增益AVO 2105(106dB),2.输入失调电压温漂VIO/T 20V/C,3.3dB带宽 fH 7Hz,VO/T AVOVIO/T=4V/C,最大输出电压VOPP 14V（Vom）,易引起频率失真,最大输入电压:,如何使用？线性范围小,集成运放应用概述,2.线性应用的条件,36,5.3.2 反相输入放大电路,(1)反相比例,(2)同相比例,虚短、虚断,(虚地),性能特点,输入电阻小（Ri=R1）,运放共模输入电压 0,有虚地 设计简单,输入电阻大（Ri=）,运放共模输入电压 vi,对运放KCMR 要求较高,平衡电阻 输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入差分级的对称性。,37,误差分析举例：VIO、IIO不为零时的情况,反相比例,*第5.7节,平衡电阻,理想运放,=0,实际上0，误差,38,误差分析举例：VIO、IIO不为零时的情况,反相比例,*第5.7节,=0,平衡电阻,理想运放,=0,39,减小误差的方法,误差分析举例：VIO、IIO不为零时的情况,反相比例,设置平衡电阻 R2=R1/Rf,选用自带调零电路的运放,输入端加补偿（调零）电路,虚短：,虚断：,图8.2.4,40,分析举例1,设计要求：,Ri=1M，AV=-100,解：,R1=Ri=1M,为了用低值电阻实现高电压增益的反相比例运算（习题8.1.9）,i1,R2=R1=Ri=1M,取：,R2 R3,R4(k),R4=99k,R3=1k,41,分析举例2,理想运放构成的电路如图所示，该电路采用了自举扩展的方法提高电路的输入阻抗。,(1)求闭环增益AVF；,(2)当满足(RR1)/R 0.05%时，求电路的输入阻抗Rif？,R1=20k,解:(1)由A1的虚短、虚断得：,(2)由Ri的定义式得：,因A2构成反相比例，所以：,(+),(+),(-),(-),(+),42,5.3.3 差分输入放大电路,5.3 运算电路的三种输入方式,图5.3.4 差分输入放大电路,1.利用叠加原理求输出电压的表达式,分析方法：,2.利用虚短直接求输出电压的表达式,43,5.3.3 差分输入放大电路,图5.3.4 差分输入放大电路,2.利用虚短直接求输出电压表达式,由(1)得:,44,5.4 加减运算电路,5.4.1 加法电路,5.4.2 减法电路,均由2个基本电路变化而得,45,5.4.1 加法电路,反相比例加法,电路(1),电路(2),同相比例加法,反相器,图8.1.1,习题8.1.1,46,分析举例3,(1)求vO 表达式,(2)说明A1,A2各构成什么功能电路。,解:,第一级A1反相比例,第二级A2反相加法,利用反相信号求和 以实现减法运算,图8.1.2,新的电路结构多级运放,47,分析举例4,(1)求vO 表达式,(2)说明A1,A2各构成什么功能电路。,集成运放均是理想的,解:,第一级A1同相比例,第二级A2差分电路,具有高输入电阻的减法电路,48,5.4.2 减法电路,(1)利用反相信号求和,图8.1.2,(2)利用差分式电路,分析方法小结：,(1)基本的虚短、虚断,(2)分解为基本电路（多个运放）,(3)叠加原理,特点：,有虚地、结构简单,输入电阻小,特点：,电阻要配对、无虚地、,输入电阻不等,49,关于差分式电路的讨论,(1)电阻要配对,(2)无虚地,(3)输入电阻不等,为实现,增益调节麻烦,电阻配对精度共模抑制比,串联负反馈和并联负反馈,5.4.2 减法电路,50,分析举例4,求电压增益表达式,解：,A1、A2为电压跟随器，所以,对A3利用虚短、虚断有,A4为反相比例,解得：,习题8.1.7,51,分析举例5,第二级A3差分减法电路,第一级A1、A2,例题8.1.1,52,5.5 积分电路和微分电路,5.5.1 积分电路,5.5.2 微分电路,图1.3.4 RC低通电路,图1.3.6 RC高通电路,53,5.5.1 积分电路,特点：反相比例 Rf C,输出表达式推导：,根据“虚短、虚断”，得,反相积分运算,方法二：C ZC=1/sC,54,分析举例7,习题8.1.12,用方法二较方便,55,积分应用,阶跃响应 产生斜坡电压,积分时限,设Vom=15V,VS=+3V,R=10k,C=1F,=0.05秒,恒流充电!,5.5.1 积分电路,56,方波 三角波,积分应用,阶跃响应 产生斜坡电压,移相,5.5.1 积分电路,57,图5.5.4 例5.5.1波形,例5-5-1,设R=50k，C=0.1F，且t=0时，vo=0，试画出理想情况下输出电压的波形，并标出其幅值。,解:,因此，三角波的正向峰值为+10V，负向峰值为10V。,图5.5.2 反相积分电路,58,5.5.2 微分电路,特点：反相比例 R1 C,输出表达式推导：,根据“虚短、虚断”，得,传递函数：,59,对高频噪声特别敏感，以致输出噪声可能完全淹没微分信号。,输出表达式：,5.5.2 微分电路,60,基本要求,了解集成运算放大器的基本组成和主要参数 了解失调电压和失调电流对实际运放的影响及零漂的消除方法 会利用“虚短”和“虚断”的概念，分析计算反相比例、同相比例、加、减、积分、微分等电路组成的各种运算电路,5 信号运算电路,61,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,5.6.1 对数运算电路,5.6.2 反对数(指数)运算电路,5 信号运算电路,62,(a)简单的对数运算电路(b)用三极管作对数元件的对数电路图5.6.1 对数运算电路,由二极管的伏安特性方程式,设运放是理想的，则有,5.6.1 对数运算电路,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,输出表达式：,在实际应用中，为了扩大对数运算电路的动态范围，常利用三极管T的发射结代替二极管D作为对数元件。,63,图5.6.2 简单的反对数运算电路,5.6.2 反对数(指数)运算电路,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,反对数(即指数)运算电路是对数运算电路的逆运算电路。因此，只要将简单的对数运算电路中的D和R位置互换，便可得到简单的反对数运算电路,64,5.7 集成运放性能指标对运算误差的影响,5.7.1 开环电压增益Aod为有限值引起闭环增益的误差,5.7.2 共模抑制比KCMR为有限值引起闭环增益的误差,5.7.3 输入失调参数VIO、IIO 和输入偏置电流IIB引起输出电压的误差,阅读材料 自学,65,5.8 变跨导模拟乘法器及其在运算电路中的应用,5.8.1 变跨导模拟乘法器简介,5.8.2 模拟乘法器在运算电路中的应用,阅读材料 自学,66,67,5.1.1 原理电路及代表符号,in,out,直接耦合多级放大电路,中间放大级复合管共射,输出级 2级共集,镜像电流源输入级偏置,镜像电流源T5的偏置,反相端,同相端,相位？,1.原理电路,读图,差分输入级双入单出,68,康四版例6.3.1,已知：当vi1=vi2=0时，vo=0；,=100；VBE=0.7V。,（1）放大电路的直流分析,（2）放大电路的输入、输出电阻,（3）放大电路的总增益,69,（1）放大电路的直流分析,已知：当vi1=vi2=0时，vo=0；,=100；VBE=0.7V。,差分输入级,中间放大级,例6.3.1,70,（1）放大电路的直流分析,例6.3.1,已知：当vi1=vi2=0时，vo=0；,=100；VBE=0.7V。,输出级,直流电平移动Vo=VB5-VBE5-VR5-VBE6=VB5-2VBE IC9R5,71,（2）放大电路的输入、输出电阻,例6.3.1,rbe1=rbe2=5.45k，rbe3=262k，rbe4=rbe5=2.8k，rbe6=725,=100,rce=200k,Rid=,Ric=,Ro2=,Ri2=19.9M,Ro1=,=rbe3+(1+)rbe4+(1+)R4,Ri3=10.6M,2rbe1=10.9k,0.5rbe1+(1+)2rce7=20M,R2=14.3k,R3=5.1k,=rbe5+(1+)R5+rce9/rbe6+(1+)R6,72,（3）放大电路的总增益,例6.3.1,Ri2=19.9M R2,Ri3=10.6M,73,10.1.3 741运放的组成及工作原理,读图,镜像电流源A静态偏置,电流源B有源负载,微电流源静态偏置,镜像电流源稳定工作点？,T,带缓冲级的比例电流源调零、有源负载？,限流保护T15,T21,io Iomax,vR9 0.5V,T15导通,74,LM741集成运放的简化电路,=-2,小结：,高增益的直接耦合 多级差分放大电路,集成电路运算放大器,