chap2集成电路运算放大器.ppt

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1、1,Chap2 集成电路运算放大器,常熟理工学院物电系http:/10.28.80.882006.9,2,Chap2 集成电路运算放大器,3,Chap2 集成电路运算放大器,了解运放内部结构掌握理想运放模型详细介绍集成运放电路信号发生信号运算加、减、积分、微分集成运放负反馈网络深度反馈的运放有虚短、虚断两个概念信号处理、变换,4,本章内容,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 其它运放电路2.5 PSPICE仿真例题,5,本章要求,掌握基本运算电路的构成及其信号运算关系；掌握运算放大器线性应用与非线性应用的特点。,6,2.1 集成电路运算放大器,1.集

2、成运放内部组成集成电路：把整个电路中的元器件（三极管、电阻、电容等）制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路。集成电路分类：模拟集成电路、数字集成电路常用的模拟集成电路：运算放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源、音像用集成电路等。,7,1.集成运放内部组成,如图：集成运放由输入级、中间放大级、输出级组成（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可提高整个电路的性能；（2）电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成；（3）输出级的作用是降低Ro，提高带负载能力；（4）偏置电路是为各级提供合适的

3、工作电流。,8,1.集成运放内部组成,集成运放符号和表达式,集成运放符号,P：postive（同相端）N：negative（反相端）,9,1.集成运放内部组成,集成运放符号和表达式,10,2.1 集成电路运算放大器,2 运放电路模型（见P24 图2.1.3）开环增益Avo（104）输入电阻ri(106)输出电阻ro(100),11,2.1 集成电路运算放大器,2 运放电路模型电压传输特性曲线线性区非线性区（限幅区）正负电源电压（正饱和、负饱和）,12,2.1 集成电路运算放大器,例2.1.1某运放Avo=2105，ri0.6M，电源电压V+12V，V-12V。（1）试求voVom12V时输入电

4、压的最小幅度vp-vn？（2）输入电流ii？画出传输特性曲线。,13,2.2理想运放,VomV+，VomV-Avo很高，很小的差分信号就可使运放进入饱和区vo处于V+、V-间，运放工作在线性区ri趋于无穷大（ip0,iN0）ro=0理想运放模型P27 图2.2.1,14,2.3 基本线性运放电路,2.3.1同相放大电路1.基本电路电路介绍同相端输入反向端反馈反馈类型电压串联负反馈,15,2.3.1同相放大电路,2.负反馈概念vi vid vovf（vn）vid vo,16,2.3.1同相放大电路,3.虚短、虚断深度负反馈条件下运放的vn自动跟随vp，使vid=vp-vn0（虚短）运放输入电阻很

5、大，因此在虚短情况下同相端、反相端电流ipin 0（虚断）问题：运放有虚短、虚断特性吗？,17,2.3.1同相放大电路,4.运放技术指标（1）电压增益Av 在深度负反馈条件下，利用理想运放的虚短、虚短得：Avvo/vi1+R2/R1 闭环电压增益Av只取决于R1、R2，而与运放本身的开环增益Avo，ri，ro无关,18,2.3.1同相放大电路,4.运放技术指标（以电路2.3.1为例）（2）输入电阻Ri 根据定义Rivi/iivp/ri 0（3）输出电阻Ro 定义：vi=0，从输出端看进去的的电阻值 Roro/(R2+R1/ri)0(ro=0),19,2.3.1同相放大电路,5.电压跟随器反馈类

6、型？利用虚短、虚断得：vovi（输出电压跟随输入电压）,20,2.3.1同相放大电路,5.电压跟随器电压跟随器应用:阻抗匹配器（缓冲器）,引入运放后，当负载变化时，输出电压vo几乎不变，从而可消除负载变化对输出电压的影响,21,2.3.2 反相放大电路,1.基本电路,22,2.3.2 反相放大电路,1.基本电路电路反馈类型电压 并联 负反馈利用虚短和虚断得,23,2.3.2 反相放大电路,例2.3.2如图T型网络中，规定电流向右，向下为正求vof(vi),24,2.3.2 反相放大电路,T型网络优点：可用低电阻网络得到高增益,25,2.3 基本线性运放电路,说明以下电路的反馈类型，并写出输出电

7、压表达式,26,2.4 其它运放应用,加法电路减法电路仪表放大电路积分电路微分电路,27,2.4.3 加法电路（负反馈）,根据虚短、虚断得：,28,2.4.1 减法电路（负反馈）,从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。,29,2.4.1 减法电路（负反馈）,高输入电阻的减法电路,根据虚短、虚断得：,第一级为同相放大电路，电路输入电阻为无穷大,30,2.4.2 仪表放大电路,Ri无穷大,31,2.4.4 积分电路（交流负反馈）,根据虚短、虚断：,32,当vi为阶跃电压时，电容将以恒流的方式进行充电，输出电压vo与时间t成近似线性关系:,1.积分电路,当t=时，-vo=Vi。当t时，

8、vo增大，直到-vo=+Vom，即运放输出电压的最大值Vom受直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，vo保持不变，而停止积分。,33,2.4.4 微分电路（负反馈）,根据虚短、虚断：,34,2.4.4 微分电路,当输入信号vi为图a所示的阶跃信号时，在t=0时，输出电压为一有限值，随着电容器C的充电，输出电压逐渐地衰减，最后趋于零。如图b所示,35,归纳与推广,36,归纳与推广,37,小结,38,Chap2 习题,如图所示电路中，A为理想运放。求Vo与Vi1、Vi2之间的关系式；设计一个利用运算放大器实现Vo=V1-2V2关系的电路。画出电路图，求出各电阻间的阻值关系。,39,Chap2

9、习题,图中的A1、A2、A3均为理想运算放大器，试计算UO1、UO2和UO3的值,40,Chap2 习题,试用集成运算放大器组成一个能实现下述运算功能的电路：vO=10vi1-20vi2+0.2vi3反馈电阻限定为100 k，请画出具体的电路图，并标明元件的数值。,41,Chap2 作业,P46 2.1.32.3.32.4.22.4.42.4.82.4.11,42,作业：811，812，813，823，831，844，851,43,8.1 基本运算电路,比例运算电路,积分电路,微分电路,减法电路,加法电路,44,反相放大电路,两种基本电路:,同相放大电路,电路形式：,反馈类别：,电压并联负反馈

10、,电压串联负反馈,分析要点：,抓住虚断与虚地：,抓住虚断与虚短：,闭环电压增益：,45,1.比例运算电路,电压并联负反馈,（1）反相比例运算电路,利用虚短和虚断得,输出与输入反相,46,1.比例运算电路,电压串联负反馈,（2）同相比例运算电路,利用虚短和虚断得,输出与输入同相,电压跟随器,47,2.加法电路,根据虚短、虚断和N点的KCL得：,若,则有,（加法运算）,输出再接一级反相电路,可得,48,2.加法电路,49,3.减法电路,第一级反相比例,第二级反相加法,（1）利用反相信号求和以实现减法运算,即,当 时,得,（减法运算）,50,从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。,（2

11、）利用差分式电路以实现减法运算,当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：,51,4.积分电路,式中，负号表示vO与vS在相位上是相反的。,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,即,因此,电容器被充电，其充电电流为,设电容器C的初始电压为零，则,（积分运算）,52,当vS为阶跃电压时，电容将以恒流的方式进行充电，输出电压vo与时间t成近似线性关系:,4.积分电路,当t=时，-vo=Vs。当t时，vo增大，直到-vo=+Vom，即运放输出电压的最大值Vom受直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，vo保持不变，而停止积分。,53,5.微分电路,利用虚地、虚断有：,设电容器C初始电

12、压为零，当接入信号电压后，有：,上式表明，输出电压vo正比于输入电压vs对时间的微分。,54,当输入信号vs为图a所示的阶跃信号时，在t=0时，输出电压为一有限值，随着电容器C的充电，输出电压逐渐地衰减，最后趋于零。如图b所示。,55,8.2 实际运放电路的误差分析,共模抑制比KCMR为有限值的情况,输入失调电压VIO、输入失调电流IIO 不为零时的情况,56,1.共模抑制比KCMR为有限值的情况,同相比例运算电路,闭环电压增益,理想情况,越大，误差越小。,57,2.VIO、IIO不为零时的情况,失调电压VIO：输入电压为零时，为使输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫失调电压VIO。,失调电流

13、IIO：当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即：,输入偏置电流IIB：当输出电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即：,若IBNIBP，根据以上两式得出：,58,2.VIO、IIO不为零时的情况,输入为零时的等效电路,59,解得误差电压:,当 时，可以消除偏置电流 引起的误差，此时,引起的误差仍存在。,2.VIO、IIO不为零时的情况,60,减小误差的方法,输入端加补偿电路,利用运放自带的调 零电路,2.VIO、IIO不为零时的情况,61,8.3 对数和反对数运算电路,对数运算电路,反对数运算电路,62,其中，IES 是发射结反向饱和电流，vO是vS的对数运算。,1.对

14、数运算电路,利用PN结的指数特性实现对数运算,BJT的发射结有,注意：vS必须大于零，输出电压的幅值小于0.7伏,利用虚短和虚断，电路有,当 时，,63,vO是vS的反对数运算（指数运算）,2.反对数运算电路,利用虚短和虚断，电路有,要求,以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路,64,8.5 有源滤波电路,8.5.1 基本概念及初步定义,8.5.2 一阶有源滤波电路,高通滤波,低通滤波,基本概念,分类,8.5.3 二阶有源滤波电路,高通滤波,低通滤波,带通滤波,带阻滤波,带阻滤波,带通滤波,65,8.5.1 基本概念及初步定义,1滤波电路的功能,滤波器就是一种选频电路，它是一种能使有

15、用频率信号通过，而同时抑制（或大大衰减）无用频率信号的电子装置。,无源滤波电路：由无源元件（R、L、C）组成。有源滤波电路：用集成运放（有源元件）和RC网络组成。,66,8.5.1 基本概念及初步定义,2有源滤波电路的特点,1）不使用电感，体积小，重量轻，不需要磁屏蔽；2）容易实现将几个低阶滤波电路串接，组成高阶滤波电路。3）增益容易调节。,有源滤波的缺点是：通用型集成运放的通频带较窄，使有源滤波电路的最高工作频率受限制。,67,8.5.1 基本概念及初步定义,3滤波电路的一般结构,滤波电路,滤波电器的一般结构图,对于实际频率，s=j，则有：,传递函数的模,传递函数的相角,通常用幅频响应来表征

16、一个滤波电路的特性。,滤波电路传递函数定义,68,8.5.1 基本概念及初步定义,4滤波电路的分类,对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。,理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带具有无限大的幅度衰减。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可分为以下几类：,69,1）低通滤波电路（LPF）,其幅频响应如图所示，A0为低频增益，由图可知，它的功能是通过从零到某一截止角频率H的低频信号，而对于大于H的所有频率则完全衰减，因此其带宽BWH。,70,2）高通滤波电路（HPF）,其幅频响

17、应如图所示，由图可知，在0L范围内的频率为阻带，高于L为通带，理论上，其BW，但实际上，受有源器件带宽的影响，高通滤波电路的带宽也是有限的。,71,3）带通滤波电路（BPF）,其幅频响应如图所示，由图可知，L为低边截止角频率，H为高边截止角频率，0为中心角频率。它有两个阻带：0H，因此带宽为BW H L。,72,4）带阻滤波电路（BEF）,其幅频响应如图所示，由图可知，它有两个通带：0L，及一个阻带：HL，因此它的功能是衰减L 到H间的信号。,73,5）全通滤波电路（APF）,实际滤波器的幅频特性与理想特性有较大差别，要使幅频特性接近理想，一般可采用高阶滤波器。高于二阶的滤波器都可以由一阶和二

18、阶有源滤波器构成。,其幅频响应如图所示，由图可知，它的通带是从零到无穷大。,74,8.5.2 一阶有源滤波电路,1.低通滤波电路,1)电路组成：,图b:电路不仅有滤波功能，而且能起放大作用。,图a:在一级RC低通电路的输出端再加上一个电压跟随器。,75,2)传递函数：,通带电压增益A0(=0时输出电压vO与vI之比):,1.低通滤波电路,76,2)传递函数：,在0时，,1.低通滤波电路,77,3)幅频响应：,s=j，代入传递函数中可得：,1.低通滤波电路,78,8.5.2 一阶有源滤波电路,2.高通滤波电路,可由低通和高通串联得到,必须满足,3.带通滤波电路,低通特征角频率,高通特征角频率,一

19、阶高通滤波电路：可由R和C交换位置来组成。,79,8.5.2 一阶有源滤波电路,4.带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,80,8.5.3 二阶有源滤波电路,1.压控电压源低通滤波电路,压控电压源电路（VCVS）,得滤波电路传递函数,（二阶）,81,1.压控电压源低通滤波电路,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,用 代入，可得传递函数的频率响应：,82,归一化的幅频响应,相频响应,1.压控电压源低通滤波电路,83,归一化的幅频响应波特图,1.压控电压源低通

20、滤波电路,84,1.压控电压源低通滤波电路,85,8.5.3 二阶有源滤波电路,2.压控电压源高通滤波电路,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,归一化的幅频响应,86,2.压控电压源高通滤波电路,归一化的幅频响应波特图,87,8.5.3 二阶有源滤波电路,3.压控电压源带通滤波电路,可由低通和高通串联得到,88,3.压控电压源带通滤波电路,传递函数,得,89,归一化的幅频响应波特图,3.压控电压源带通滤波电路,90,8.5.3 二阶有源滤波电路,4.双T带阻滤波电路,双T选频网络,91,4.双T带阻滤波电路,频率响应,92,双T带阻滤波电路,4.双T带阻滤波电路,93,作

21、业：811，812，813，823，831，844，851,94,Chap8 习题,有用信号频率高于1000Hz,可选用 滤波器；希望抑制50 Hz的交流电源干扰，可选用 滤波器；如果希望抑制500 Hz以下的信号，可选用 滤波器。积分器的电路形式同比例运算器类似，所不同的是；若将低通滤波器（设其通带截止频率为f1）和高通滤波器（设其通带截止频率为f2）串联起来，可组成，但是需满足频率条件。,95,Chap8 习题,使某一频率范围内的信号能通过，而此频率范围外的信号不能通过的滤波器被称为_，它可通过将低通滤波器和高通滤波器 组合而成。滤波器通常由、等元件组成。,96,Chap8 习题,如图所示电路中，A为理想运放。求Vo与Vi1、Vi2之间的关系式；设计一个利用运算放大器实现Vo=V1-2V2关系的电路。画出电路图，求出各电阻间的阻值关系。,97,Chap8 习题,图中的A1、A2、A3均为理想运算放大器，试计算UO1、UO2和UO3的值,98,Chap8 习题,试用集成运算放大器组成一个能实现下述运算功能的电路：UO=10UI1-20UI2+0.2UI3反馈电阻限定为100 k，请画出具体的电路图，并标明元件的数值。,99,Chap8 习题,如图A为理想运放，写出其传递函数，指出是什么类型的滤波电路。,