模拟电子技术基础第八讲运算放大电路.ppt

电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 1 85 8信号的运算与处理电路 基本要求 1 利用 虚短 和 虚断 的概念 分析基本线性运算电路重点 基本运算电路有源滤波器电压比较器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 2 85 8 1概述 1 集成电路运算放大器的内部组成单元 图2 1 1集成运算放大器的内部结构框图 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 3 85 集成运算放大器 1 集成运算放大器的内部组成单元 图2 1 2运算放大器的代表符号 a 国家标准规定的符号 b 国内外常用符号 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 4 85 2 运算放大器的电路模型 图2 1 3运算放大器的电路模型 通常 开环电压增益Avo的 105 很高 输入电阻ri 106 很大 输出电阻ro 100 很小 vO Avo vP vN V vO V 注意输入输出的相位关系 集成运算放大器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 5 85 2 运算放大器的电路模型 当Avo vP vN V 时vO V 当Avo vP vN V 时vO V 电压传输特性vO f vP vN 线性范围内vO Avo vP vN Avo 斜率 集成电路运算放大器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 6 85 理想运算放大器 1 vO的饱和极限值等于运放的电源电压V 和V 2 运放的开环电压增益很高 3 若V vO V 则 vP vN 0 4 输入电阻ri的阻值很高使iP 0 iN 0 5 输出电阻很小 ro 0 图2 2 1运放的简化电路模型 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 7 85 为了扩大运放的线性区 给运放电路引入深度负反馈 8 1 2运放的线性工作状态 虚短和虚断 运放工作在线性区的分析方法 虚假断路 ii ii 0 因为虚短 同时运放的输入电阻很大 所以输入电流非常小 虚假短路 v v Aod非常大 理想情况下趋于无穷 运放工作在线性区时 vo是有限的 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 8 85 电路开环工作或引入正反馈 运放非线性工作区域 1 无虚短特性 VP VN 2 虚断特性仍满足 因输入电阻近似无穷大 运放工作在非线性区的条件 8 1 3运放的非线性工作状态 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 9 85 1 同相放大电路 a 电路图 b 小信号电路模型图2 3 1同相放大电路 1 基本电路 8 2运算电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 10 85 1 同相放大电路 2 虚假短路 图中输出通过负反馈的作用 使vn自动地跟踪vp 即vp vn 或vid vp vn 0 这种现象称为虚假短路 简称虚短 由于运放的输入电阻ri很大 所以 运放两输入端之间的ip in vp vn ri 0 这种现象称为虚断 由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念 是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器 必须熟练掌握 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 11 85 1 同相放大电路 3 几项技术指标的近似计算 1 电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有vp vn ip in 0 所以 可作为公式直接使用 此电路又称同相比例运算放大电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 12 85 1 同相放大电路 3 几项技术指标的近似计算 2 输入电阻Ri 输入电阻定义 根据虚短和虚断有vi vp ii ip 0 所以 3 输出电阻Ro Ro 0 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 13 85 1 同相放大电路 4 电压跟随器 根据虚短和虚断有 vo vn vp vi 可作为公式直接使用 同相放大电路特点 输入电阻大 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 14 85 电压跟随器的作用 无电压跟随器时 负载上得到的电压 有电压跟随器时 ip 0 vp vs 根据虚短和虚断有 vo vn vp vs 1 同相放大电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 15 85 2反相放大电路 反相比例运算 a 电路图 b 由虚短引出虚地vn 0图2 3 5反相放大电路 1 基本电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 16 85 2 几项技术指标的近似计算 1 电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有vn vp 0 ii 0 所以i1 i2 即 可作为公式 2反相放大电路 为提高精度 一般接入匹配电阻 输出与输入成比例且反相 输入阻抗匹配 同相 反相端对地电阻相等 以抑制零漂 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 17 85 2 几项技术指标的近似计算 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro Ro 0 2反相放大电路 反相比例运算电路特点 输入电阻小 因虚地无共模电压 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 18 85 当R2 R3时 1 试证明VS R3R1 R2 IM 解 1 根据虚断有II 0 所以I2 IS VS R1 例2 3 3直流毫伏表电路 2 R1 R2 150k R3 1k 输入信号电压VS 100mV时 通过毫伏表的最大电流IM max 又根据虚短有VP VN 0 R2和R3相当于并联 所以 当R2 R3时 VS R3R1 R2 IM 2 代入数据计算即可 所以 I2R2 R3 I2 IM 2反相放大电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 19 85 3求差电路 从结构上看 它是反相输入和同相输入相结合的放大电路 当 则 若继续有 则 根据虚短 虚断和n p点的KCL得 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 20 85 3求差电路 从放大器角度看 时 增益为 该电路也称为差分电路或减法电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 21 85 3求差电路 例2 4 1 一种高输入电阻的差分电路 解 第一级同相放大 第二级差分减法放大 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 22 85 4仪用放大器 P250 对共模信号 uO1 uO2则uO 0 对差模信号 R1中点为交流地 电路对称据虚短 虚断 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 23 85 5加法器 根据虚短 虚断和n点的KCL得 若 则有 也称为反相加法电路 若输出再接一级反相电路 vo 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 24 85 根据虚短 虚断和N点的KCL得 若 加法运算 则 例 同相加法电路 在同相比例运算器的同相端再增加一个信号输入端 5加法器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 25 85 第一级反相比例 第二级反相加法 例 利用反相信号求和以实现减法运算 即 当时 得 减法运算 5加法器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 26 85 式中 负号表示vO与vI在相位上是相反的 根据 虚短 得 根据 虚断 得 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 6积分器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 27 85 或利用复变量s 列KCL方程 1 s为积分因子 6积分器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 28 85 当vI为阶跃电压时 有 vO与t成线性关系 6积分器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 29 85 当vI为阶跃电压时 有 vO与t成线性关系 应用 扫描电路 模拟运算 输入方波 输出三角波 6积分器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 30 85 10k 10nF 时间常数 R1Cf 0 1ms 设uC 0 0 5V 5V 应用 输入方波 输出三角波 6积分器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 31 85 虚地 据 虚短 据 虚断 或利用复变量s 列KCL方程 s为微分因子 7微分器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 32 85 应用 波形变换 7微分器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 33 85 例2 1 如图电路是由理想集成运算放大器构成的放大电路试写出VO与Vi或Vi1 Vi2及Vi3之间关系式 解 方法一 根据 两虚 列KCL方程 图一 vP vN ii 0 vP vi1 iR1 iRf 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 34 85 例2 1 如图电路是由理想集成运算放大器构成的放大电路试写出VO与Vi或Vi1 Vi2及Vi3之间关系式 解 方法一 根据 两虚 列KCL方程 图二 vP vN ii 0 vP1 vi1 iR1 iR2 vP2 vi2 iR5 iR6 vP3 vN3 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 35 85 例2 1 如图电路是由理想集成运算放大器构成的放大电路试写出VO与Vi或Vi1 Vi2及Vi3之间关系式 解 方法二 熟悉基本运算单元电路 结合叠加法直接写出单级关系式 图一 当vi1 0时 为反相比例运算 vi2 0时 是同相比例运算 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 36 85 例2 1 如图电路是由理想集成运算放大器构成的放大电路试写出VO与Vi或Vi1 Vi2及Vi3之间关系式 解 方法二 熟悉基本运算单元电路 结合叠加法直接写出单级关系式 图二 A1 A2为同相比例运算 当vi3 0时为同相加法运算 当vo2 0 vo1 0时为反相比例运算 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 37 85 例2 1 如图电路是由理想集成运算放大器构成的放大电路试写出VO与Vi或Vi1 Vi2及Vi3之间关系式 解 方法二 熟悉基本运算单元电路 结合叠加法直接写出单级关系式 图二 A1 A2为同相比例运算 当vi3 0时为同相加法运算 当vo2 0 vo1 0时为反相比例运算 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 38 85 作业 P287 8 2 118 2 13 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 39 85 8 5有源滤波器 基本概念及初步定义 一阶有源滤波电路 高通滤波 低通滤波 基本概念 分类 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 40 85 有源滤波电路的分析方法 1 电路图 电路的传递函数Av s 频率特性Av j 2 根据定义求出主要参数 3 画出电路的幅频特性 性能分析 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 41 85 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分 例如 有一个较低频率的信号 其中包含一些较高频率成分的干扰 滤波过程如图所示 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 42 85 基本概念及初步定义 1 基本概念 滤波器 是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置 有源滤波器 由有源器件构成的滤波器 滤波电路传递函数定义 时 有 其中 模 幅频响应 相位角 相频响应 时延响应为 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 43 85 2 分类 低通 LPF 希望抑制50Hz的干扰信号 应选用哪种类型的滤波电路 高通 HPF 带通 BPF 截止频率 中心频率 带阻 BEF 全通 APF 选择音频信号 应选用哪种类型的滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 44 85 一阶有源滤波电路 1 低通滤波电路 传递函数 其中 叫做特征角频率 故 幅频相应为 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 45 85 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 一阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 46 85 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 一阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 47 85 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 48 85 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 49 85 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 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 50 85 1 压控电压源低通滤波电路 归一化的幅频响应 相频响应 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 51 85 1 压控电压源低通滤波电路 归一化的幅频响应波特图 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 52 85 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 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 53 85 2 压控电压源高通滤波电路 归一化的幅频响应波特图 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 54 85 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 55 85 3 压控电压源带通滤波电路 传递函数 得 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 56 85 二阶有源滤波电路 3 压控电压源带通滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 57 85 4 双T带阻滤波电路 双T选频网络 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 58 85 4 双T带阻滤波电路 双T带阻滤波电路 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 59 85 4 双T带阻滤波电路 双T带阻滤波电路 4 双T带阻滤波电路 二阶有源滤波电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 60 85 在下列几种情况下 应分别采用哪种类型的滤波电路 低通 高通 带通 带阻 1 有用信号频率为100Hz 2 有用信号频率低于400Hz 3 希望抑制50Hz交流电源的干扰 4 希坚抑制500Hz以下的信号 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 61 85 作业 P289 8 5 1 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 62 85 8 6电压比较器 单门限比较器滞回比较器窗口比较器比较器的应用 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路 常用的幅度比较电路有电压幅度比较器 窗口比较器和具有滞回特性的比较器 这些比较器的阈值是固定的 有的只有一个阈值 有的具有两个阈值 8 6 1概述 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 63 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 比较器中运放的工作状态 1 工作在开环或正反馈状态 2 大多数情况下工作在非线性区域 输出与输入不成线性关系 只有在临界情况下才能使用虚短 虚断概念 3 输出电压只有两种可能的状态 开关状态 当UP UN时Uo UOH 正向饱和 UP UN时Uo UOL 反向饱和 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 64 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 特点 8 6 2单门限电压比较器 1 过零比较器 开环 增益A0大于105 UP UN即vi 0时 vOmax VCC UP UN即vi 0时 vOmin VEE 过零比较器 输入为正负对称的正弦波时 输出为正负时间相等的方波 电压传输特性 正饱和电压 负饱和电压 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 65 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 思考 1 若过零比较器如图所示 则它的电压传输特性将是怎样的 2 输入为正负对称的正弦波时 输出波形是怎样的 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 66 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 2 门限电压不为零的比较器 电压传输特性 输入为正负对称的正弦波时 输出波形为正负时间不相等的方波 单门限比较器抗干扰能力差 在阀值附近出现干扰时会误翻转 VP VN即vi VREF时 vOmax VCC VP VN即vi VREF时 vOmin VEE 8 6 2单门限电压比较器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 67 85 单门限比较器的缺点 抗干扰能力差 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 68 85 电路特点 正反馈 Vth与Vo有关 具有上 下2个Vth 1 电路的组成 引入正反馈网络 输入信号从反相端输入 得到上门限电压为 下门限电压为 若 VREF 0 则 VT VT 8 6 3迟滞比较器 双门限比较器 a 反相输入迟滞电压比较器 改教材错 P272式8 6 1 2 门限电压的计算 输入id 0即VP VN时的Vi为门限电压 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 69 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 3 传输特性 VN VP即vi VT 时 vO VOL VP VN即vi VT 时 vO VOH 回差电压为 vi上升时与VT 比较 vI下降时与VT 比较 vi VT 时 vo VOH vi 到vi VT 时翻转 vo VOL vi 到vi VT 时翻转 vo VOH 过程分析 vi VT 时 vO VOL 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 70 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 b 同相输入迟滞电压比较器 1 电路的组成 引入正反馈电路 输入信号从正相端输入 2 门限电压的计算 VP VN时的Vi为门限电压 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 71 85 得到上门限电压为 得到下门限电压为 由上式 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 72 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 3 传输特性 回差电压为 VP VN即vi VT 时 vO VOH VN VP即vi VT 时 vO VOL vi上升时与VT 比较 vI下降时与VT 比较 vi VT 时 vo VOH vi 到vi VT 时翻转 vo VOH vi 到vi VT 时翻转 vo VOL 过程分析 vi VT 时 vO VOL 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 73 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 反相输入迟滞电压比较器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 74 85 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 基本构成 基本原理 通过迟滞