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1,Chap2 集成电路运算放大器,常熟理工学院物电系 8 2006.9,2,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，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 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 2.1.3 2.3.3 2.4.2 2.4.4 2.4.8 2.4.11,42,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,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）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