1248zch05、信号运算电路5.ppt
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1、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,模拟电子技术基础,第1章 绪论2学时,第2章 半导体二极管及其应用电路4学时,第3章 半导体三极管及其放大电路基础 14学时,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础6学时,第5章 信号运算电路4学时,第6章 负反馈放大电路6学时,第7章 信号处理与产生电路4学时,第8章 场效应管及其放大电路4学时,共:44学时,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,2个器件,BJT,FET,二极管,核心内容,1个电路,三极管,放大电路,集成运放,完美的放大电路,核心基础,5 信号运算电路,
2、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,重点,不做要求,一般了解,7 信号处理与产生电路,7.2 开关电容滤波器,7.4 正弦波振荡电路的基本概念,7.7 非正弦波产生电路,7 信号处理与产生电路,7.1 有源滤波器,7.3 电压比较器,7.5 RC正弦波振荡电路,7.8 单片集成函数发生器8038简介,7.6 LC正弦波振荡电路,*,*,5,授
3、课顺序调整,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.4 加减运算电路,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 信号运算电路,7 信号处理与产生电路,7.4 正弦波振荡电路的基本概念,7.7 非正弦波产生电路,7.3 电压比较器,7.5 RC正弦波振荡电路,6,授课顺序调整1,5.4 加减运算电路,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 信号运算电路,7 信号处理与产生电路,7.7 非正弦波产生电路,7.3 电压比较器,集成运放应用概述,7,2.1 集成电路运算放大器,2.2 理想运算放大器,2.3 基本线性运放电路,2
4、.4 同相输入和反相输入 放大电路的其他应用,第2章 运算放大器,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,2.运算放大器的电路模型,2.3.1 同相放大电路,2.3.2 反相放大电路,2.4.1 求差电路,2.4.2 仪用放大器,2.4.3 求和电路,2.4.4 积分电路和微分电路,问题2:什么是理想运放?,问题3:运放常用放大电路有什么结构规律?运放电路的分析方法?,问题1:集成运放具有什么放大特性?放大的线性边界条件?,理想放大 放大外特性,集成运放基本应用-线性部分,第1个元器件,8,2.1 集成电路运算放大器,元件符号,2.运算放大器的电路模型,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,差分
5、的基本概念,晶体管偏置在放大区两个电源端(一般隐含),供电直流电源,更多的端子:集成运放A741,ua741-ti.pdf,9,晶体管偏置在放大区两个电源端(一般隐含),元件符号,2.运算放大器的电路模型,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,差分的基本概念,供电直流电源,2.1 集成电路运算放大器,10,差分的基本概念,-,+,集成运放符号,差分功能:实现2个信号相减,vP(vi1)同相输入端;,vN(vi2)反相输入端,输入端命名,应用背景:电桥测量,线性电路、叠加原理,例如铂电阻测温,但实际输出为,11,-,+,差分功能:实现2个信号相减,vP(vi1)同相输入端;,vN(vi2)反相输
6、入端,输入端命名,应用背景:电桥测量,线性电路、叠加原理,例如铂电阻测温,但实际输出为,差模信号与共模信号,差模,共模,差模电压增益,共模电压增益,误差,共模抑制比,差分的基本概念,12,2.1 集成电路运算放大器,元件符号,2.运算放大器的电路模型,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,差分的基本概念,晶体管偏置在放大区两个电源端(一般隐含),供电直流电源,更多的端子:集成运放A741,ua741-ti.pdf,13,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,图2.1.1 集成运放内部结构框图,问题1:集成运放具有什么特性?,问题1b:多级放大器的总增益是?,问题1a:差分放大是什么功能?,结论
7、:高增益的多级电压放大电路(带差分功能),组成:3个放大器串联 多级放大器。,差模电压增益,差模信号,2.1 集成电路运算放大器,14,2.运算放大器的电路模型,2.1 集成电路运算放大器,差分电压放大电路(高增益),电压放大电路,15,2.运算放大器的电路模型,2.1 集成电路运算放大器,差分电压放大电路(高增益),电压放大电路,电压传输特性,16,2.运算放大器的电路模型,2.1 集成电路运算放大器,差分电压放大电路(高增益),电压传输特性,问题1:集成运放具有什么放大特性?放大的线性边界条件?,具有比较理想的放大特性,实际运放通常有:开环差模电压增益 Aod 105(很高),输入电阻 r
8、i 106(很大),输出电阻 ro 100(很小),线性工作区(放大区),放大的线性边界条件:,-Vom vo Vom,当Aod(vid)V-时 vo Vom V-,非线性工作区,当Aod(vid)V 时 vo Vom V,17,rail-to-rail,18,2.1 集成电路运算放大器,2.2 理想运算放大器,2.3 基本线性运放电路,2.4 同相输入和反相输入 放大电路的其他应用,第2章 运算放大器,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,2.运算放大器的电路模型,2.3.1 同相放大电路,2.3.2 反相放大电路,2.4.1 求差电路,2.4.2 仪用放大器,2.4.3 求和电路,2.4.
9、4 积分电路和微分电路,问题2:什么是理想运放?,问题3:运放常用放大电路有什么结构规律?运放电路的分析方法?,问题1:集成运放具有什么放大特性?放大的线性边界条件?,理想放大 放大外特性,差分电压放大器(性能比较理想)高增益 多级放大电路 线性边界 供电直流电源(Vom),理想运放 运放电路的近似分析方法 理想运放=虚短、虚断 成立条件:运放工作在线性区,集成运放基本应用-线性部分,第1个元器件,19,2.2 理想运算放大器,问题2:集成运放电路的近似分析方法?,工作在线性区 放大(由负反馈保证),工作在非线性区 比较器(9.8.1节),近似分析方法参数理想化(理想运放),(1)输出电阻,(
10、2)输入电阻,(3)线性范围,(5)电压增益,vo饱和极限值=电源电压,可不考虑负载效应,虚断,(6)其他,若 vp vn,则 vo=+Vom=V若 vp vn,则 vo=Vom=V,虚短,20,Ideal Parameters,The Operational Amplifier,Practical Specifications,Analysis Method,可不考虑负载效应,Virtual short,Virtual open,工程近似方法,21,2.1 集成电路运算放大器,2.2 理想运算放大器,2.3 基本线性运放电路,2.4 同相输入和反相输入 放大电路的其他应用,第2章 运算放大器
11、,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,2.运算放大器的电路模型,2.3.1 同相放大电路,2.3.2 反相放大电路,2.4.1 求差电路,2.4.2 仪用放大器,2.4.3 求和电路,2.4.4 积分电路和微分电路,问题2:什么是理想运放?,问题3:运放常用放大电路有什么结构规律?运放电路的分析方法?,问题1:集成运放具有什么放大特性?放大的线性边界条件?,理想放大 放大外特性,差分电压放大器(性能比较理想)高增益 多级放大电路 线性边界 供电直流电源(Vom),理想运放 运放电路的近似分析方法 理想运放=虚短、虚断 成立条件:运放工作在线性区,集成运放基本应用-线性部分,第1个元器件,22
12、,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,23,1.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,24,2.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,
13、(vP=vN),虚短,增益与负载无关,集成运放应用概述,25,3.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,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,授课顺序调整1,5.4 加减运算电路,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 信号运算电路,7 信号处理与产生电
14、路,7.7 非正弦波产生电路,7.3 电压比较器,集成运放应用概述,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,28,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,29,vd=vN vP=vI vF
15、 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,30,5.3.1 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:,31,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
16、虚断。,Av=vo/vi 1/Fv,通常满足(1+AodFv)1,因此上式可近似为,32,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,33,5.3.2 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
17、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。,34,5.3.3 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,35,5.3.3 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:,36,5.4 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,37,5.4.1 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
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