概述及集成运放.ppt

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1、主讲 杨永明,模拟电子技术,主讲 杨永明,课程概述,1.2 电子系统与信号,1.1 课程的特点及学习要点,课外作业:教材第1章 习题 1.1,1.3,参考内容:教材第1章,（1）“三基”内容多 本门课程的重点内容是放在电路分析上，以研究信号（模拟信号）的传输、放大、控制等有关的基本单元电路和多级集成电路的应用为主线，涉及到的 基本概念 和专业术语、基本原理和基本分析方法与其它前导课内容相比不但多，而且复杂。同学们在学习开始阶段就会遇到一定困难。因此，学好入门基础知识（1、2、3、4、5、6讲内容）是学好本门课程的关键。,1.1 课程的特点及学习要点,1.本门课程的特点,（2）工程技术性强 由于

2、电子元、器件的参数分散性大，在分析计算电路技术指标时，常采用近似计算法或工程估算法。要求初学者尽快适应和掌握。（3）实践性强 理论研究的的多种放大电路，必须通过实验进行调试和测量，才能应用。因此本门课程的实验内容较多，工程实践性强。通过实验培养学生学会使用常用电子仪器，学会调试、测量电路的基本方法，提高实践动手能力，提高分析问题和处理问题的能力。,1.1 课程的特点及学习要点,1.本门课程的特点,在入门阶段要以听课为线索；建立工程的观念、系统的观念、科学进步的观念、实践的观念；特别注意电路原理在电子电路分析中的应用。,2 学习方法,3 考试方法,平时成绩：20%；期末闭卷：80%,2.学习要点

3、,3.考试方法,教 材：模拟电子技术基础 唐治德主编，科学出版社 学习参考书：模拟电子技术基础第三版 清华大学 童诗白 华成英 主编 电子技术基础（模拟部分)(第五版)康华光主编，高等教育出版社 电子技术基础模拟部分（第五版）习题解析 马谋 董威 主编,第 1 讲 课程概述 重点内容：电子器件、电子电路、电子系统简介，信号与频谱，课程特点与学习要点,第2讲 放大电路基础及集成运算放大电路重点内容：放大电路的概念、放大电路的等效模型、放大电路的主要性能指标；运放的开环传输特性、线性模型、非线性模型及工作状态。,第3讲 负反馈放大电路重点内容：负反馈的基本概念与分类，负反馈放大电路的 4种基本组态

4、及判断方法，负反馈放大电路的方框图，深度负反馈电路的计算，负反馈对放大电路性能的改善。,第4讲 集成运放的线性应用电路重点内容：基本放大及运算电路的电路结构及分析方法（参考教材第 4 章内容）；有源滤波电路的基本原理及分类，传递函数（参考教材中 5.1,5.2 内容）。,第 5 讲 二极管及其基本电路重点内容：半导体基础知识,半导体二极管类型、特性及参数,稳压、限幅等二极管应用电路分析（参考教材中第 6 章 内容）。,第6讲 晶体管及其放大电路 重点内容：晶体管的结构、符号、特性、参数，基本放大电路及分析方法，放大电路的频率响应概念（参考教材中第 7 章内容）。,第7讲 功率放大电路 重点内容

5、：功率放大器的特点、互补对称功率放大电路的分 析与计算（参考教材中 9.4 内容）。,第8讲 集成运放的非线性应用电路 重点内容：电压比较器（参考教材中 10.5 内容）、非正弦波 发 生器的工作原理及电路分析（参考教材中 11.2 内容）。,第 9 讲直流稳压电源重点内容：整流电路，电容滤波电路，串联型直流稳压电路、集成稳压器及其应用（参考教材 12 章内容）。,什么是电子技术 电子技术就是研究电子器件、电子电路、电子系统及其应用的科学技术。电子器件 电子器件是指电真空器件、半导体器件和集成电路等。1）电真空器件：是以电子在高度真空中运动为基础的器件，如电子管、示波管、显象管、雷达荧光屏和大

6、功率发射管等。,1.2 电子系统与信号,2）半导体器件：是以带电粒子（电子和空穴）在半导体中运动为工作基础的器件，如半导体二极管、三极管、场效应管等。3）集成电路：将一定数量的元器件及电路集成在很小的芯片上的固体电路。按集成的元器件数量的多少又分为小规模、中规模、大规模集成电路，它体现了新工艺、新器件、新电路和新技术的综合水准，是一种独具特点的的电子器件。如集成运放、集成乘法器、集成计数器、计算机的中央处理器 CPU 等。电子系统 电子系统是指由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。,1.2 电子系统与信号,电子系统 电子系统是指由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的

7、具有特定功能的电路整体。,例如，有线扩音系统,音频放大器：实现电压和功率放大的电子电路，是扩音系统的核心。,电压（弱）,电压电流（强）,声音（强）,声音（弱）,信号,1.信号：信息的载体,1.2 电子系统与信号,2.电信号源的电路表达形式,1.2 电子系统与信号,3.电信号的时域与频域表示,A.正弦信号,1.2 电子系统与信号,B.方波信号,满足狄利克雷条件，展开成傅里叶级数,1.2 电子系统与信号,C.非周期信号,傅里叶变换：,离散频率函数,连续频率函数,非周期信号包含了所有可能的频率成分,通过快速傅里叶变换（FFT）可迅速求出非周期信号的频谱函数。,1.2 电子系统与信号,模拟信号和数字信

8、号,模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。,数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。,模拟(Analog)电路:处理模拟信号的电路。,数字(Digital)电路：处理数字信号的电路。,1.2 电子系统与信号,2 放大电路的基础及集成运算放大器,2.1 放大电路的基础,2.2 集成运算放大器,课外作业 教材第2章习题 2.1，2.2,2.3,2.5,2.10,2.1 放大电路的基本知识,模拟信号放大及放大电路模型,放大电路的主要性能指标,1.模拟信号的放大,信号送入放大电路放大指的是放大的输出信号除了幅值增大外，应是输入信号的重现，输出信号的任何变形，都被认为是产生了失真。,1.模拟信号的放大

9、,电压增益（电压放大倍数）,电流增益,互阻增益,互导增益,2.放大电路模型,放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。,信号源,负载,输入端口特性可以等效为一个输入电阻,输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式,模型仅对输入小信号,输入信号频率在一定范围内等效,2.放大电路模型,负载开路时的 电压增益,1)电压放大模型,输入电阻,输出电阻,由输出回路得,则电压增益为,由此可见,即负载的大小会影响增益的大小,要想减小负载的影响，则希望？（考虑改变放大电路的参数）,理想情况,2 放大电路模型,另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减,理想,有,要想

10、减小衰减，则希望？,负载短路时的 电流增益,2)电流放大模型,由输出回路得,则电流增益为,由此可见,要想减小负载的影响，则希望？,理想情况,由输入回路得,要想减小对信号源的衰减，则希望？,理想,关心输出电流与输入电流的关系,3)互阻放大模型（自看）,4)互导放大模型（自看）,5)隔离放大电路模型,输入输出回路没有公共端,？复习思考题,1 某放大电路输入信号为10pA,输出为500mV,它的增益是多少？属于那一类放大电路？,2 某电唱机拾音头内阻为 1M,输出为1V（有效值）,如果直接将它与10 扬声器相接，扬声器上的电压为多少？如果在拾音头与扬声器之间接入一个放大电路，它的输入电阻Ri=1M,

11、输出电阻 Ro=10,电压增益为1，试求这时扬声器上的电压。该电路使用那一类电路模型最方便？,1 输入电阻,2 输出电阻,注意：输入、输出电阻为交流电阻,另一方法(测试的方法),3 增益,反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力,其中,“甲放大电路的增益为-20倍”和“乙放大电路的增益为-20dB”，问哪个电路的增益大？,常用分贝（dB）表示,4 频率响应及带宽（频域指标）,A.频率响应及带宽,电压增益可表示为,在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。,或写为,其中,4 频率响应及带宽（频域指标）,A.频率响应及带宽,普通

12、音响系统放大电路的幅频响应,该图称为波特图,纵轴：dB,横轴：对数坐标,4.频率响应及带宽（频域指标）,A.频率响应及带宽,其中,普通音响系统放大电路的幅频响应,高频区,中频区,低频区,直流放大电路的幅频响应与此有何区别？,4 频率响应及带宽（频域指标）,B.频率失真（线性失真）,幅度失真：,对不同频率的信号增益不同，产生的失真。,基波,二次谐波,输入信号,输出信号,基波,二次谐波,相位失真,对不同频率的信号相移不同，产生的失真。,相位失真：,输入信号,二次谐波,二次谐波,基波,基波,输出信号,4 频率响应及带宽（频域指标）,问题:对于具有上图幅频响应的放大电路，若输入50kHz的正弦波，是否

13、会产生频率失真？,5 非线性失真,由元器件非线性特性引起的失真。,最大不失真输出电压幅度,定义为：在负载容许的非线线失真系数的条件下，当输入电压再增大就会使输出电压产生非线性失真时的输出电压幅度。,非线性失真系数,在容许的非线线失真系数的条件下，负载能够获得的最大平均信号功率称为最大输出功率（Pom）。通常，它与最大不失真输出电压幅度的平方成正比。,6 最大输出功率和效率,输出功率源于直流电源发出的平均功率（Pv）。效率定义为最大输出功率与直流电源发出的平均功率之比的百分值，即,2.2 集成运算放大器,2.2.1 运算放大器的基本概念,2.2.2 运算放大器的线性模型,运算放大器的开环增益频率

14、特性,2.2.4 运算放大器的非线性模型,2.2.1 运算放大器的基本概念,集成运算放大器简称为运算放大器（Operational Amplifier）或运放（OP），是一种特殊类型的高增益集成电路放大器。,运算放大器的开环电路,运放LM741的封装图,运放的内部电路主要由半导体元件和电阻元件组成，通常不包含电抗元件，全部元件集成制造在只有针尖大小的硅芯片上，封装后形成电子器件。,电路符号,1 运算放大器的开环电路,运算放大器,同相输入端,反相输入端,输出端,正、负电源端,电位参考节点,输入信号,电源用节点电位表示,理论上，电源不直接产生输出信号,开环：信号只能从输 入端传递到输出端,2 差模

15、信号和共模信号,任意输入信号可分解为差模信号和共模信号：,共模抑制比,3 主要性能指标,在电子系统中，差模信号是有用信号，需要增强；共模信号则是无用信号或误差信号，应该抑制。,所以，运算放大器的差模增益(也即开环增益 Avo)很大，通常可达104（80dB）以上，而共模增益却很小，导致共模抑制比很大，通常可达103（60dB）以上。,4 运算放大器的开环传输特性,运算放大器的输出电压与差模输入电压的函数关系称为开环传输特性。,整体非线性,局部线性,线性区：,饱和区：,线性范围：,饱和电压VOsat+、VOsat-,差模输入电压Vidmax、-Vidmax,例如，运算放大器LM741通常作用的电

16、源电压为15V，开环差模电压增益为105。其VOsat+=15V，VOsat-=-15V，Vidmax=13V，Vidl=0.15mV。所以，实际高增益运算放大器的线性区很窄，开环工作通常处于饱和区（非线性区）。,由于开环增益很大和输出电压有限，实际运放的开环特性抽象为理想的开环特性。,具有理想开环特性的运放称为理想运放。理想运放的开环增益、带宽和输入电阻是无穷大，输出电阻为0，VOsat+=VOsat-=VCC。,应用叠加原理,因此，应用戴维宁定理，可以构造出运算放大器的线性模型（小信号模型），即线性等效电路.,通常，开环电压增益可达104（80dB）以上，共模抑制比可达103（60dB）以

17、上。差模信号和共模信号是同一数量级的量。实际运算放大器的输出电压主要取决于差模输入信号和开环电压增益。,运算放大器的模型选择,进行信号分析时，选择小信号模型：,进行误差分析时，选择小信号误差模型，并令信号为零：,2.2.3 运算放大器的开环增益频率特性,当信号频率很小时，电荷积累效应不明显，可以不考虑它对运算放大器增益的影响。但是，当信号频率足够大时，电荷积累效应将明显地使增益随频率增大而减小。,-20ndB/10倍频程,fH-截止频率或3dB频率fT-单位增益频率或特征频率。,f fH,f fH,2.2.4 运算放大器的非线性模型,VCC=VEE VOsat+=VOsat-=VCC,通常，对运算放大器施加对称的正电源和负电源，即,则,