第6章集成运算放大器原理及其应用.ppt

*,第6章,集成运算放大器原理及其应用,*,6.1差分放大器,6.1.1差分放大器的分析,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,6.1.3举例,6.1.4差分放大器的失调和温漂,*,绪论,一.集成电路（IntegratedCircuit简称IC）,采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。,二.摩尔定律,未来10年中芯片上的晶体管数将每年翻一番（1965年）芯片上的晶体管数量每两年将翻一番（1975年）,*,绪论,三.集成电路的特点（同分立器件电路相比）：,1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用；,集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积，不利于集成；集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。,*,绪论,2.两者的设计思想正好相反,3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路。,分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。,*,6.1差分放大器,引子：为什么引入差分放大器？,1.直流信号的放大,在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的信号进行放大。,例如生物电的放大，或某些自动控制中的控制信号。,把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为直流信号。,直流放大器是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大交流信号）。,直流信号不同于直流电。,*,引子：为什么引入差分放大器？,2.直流放大器面临的问题,电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓变信号。,直流放大器常常采用直接耦合方式。,两个问题：,1）级与级之间的直流工作状态互相影响,2）零点漂移,*,引子：为什么引入差分放大器？,1）级与级之间的直流工作状态互相影响,调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。,*,引子：为什么引入差分放大器？,现象：输入电压为零，输出端电压表指针偏离零点或起始值，出现忽大忽小的不规则摆动。,2）零点漂移,定义：输入电压为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏离起始值而上下波动，使输出端产生缓慢变化的电压。零点漂移简称零漂。引起零漂的外界因素：时间漂移：由于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电路设计无关。温度漂移：由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。电源电压变化引起的漂移：当电源电压变化时，电路的直流电平配制受到某种破坏而导致输出零点的变动。,*,引子：为什么引入差分放大器？,为什么是矛盾？,为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压也加大。,为了减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力也减弱了。,寻求新方法解决矛盾！,抵消,采用特殊形式的电路使漂移电压互相抵消。,引入特殊的负反馈,对零点漂移有很强的负反馈，对有用直流信号无负反馈。,例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负载上，偶次谐波互相抵消了。,高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。,矛盾！,调制型直流放大器（框图）,*,6.1.1差分放大器的分析,1.电路形式基本形式（长尾电路）,两个性能完全相同的共发射极电路拼接而成。,如何消除零漂？,输入信号为零，电路对称,某种因素产生零漂，如温度升高，,电路对称，晶体管参数相同，,靠电路对称消除零漂！,*,6.1.1差分放大器的分析,1.电路形式射极电阻的几种不同形式,输入信号分别加到两管基极，输出两种取法：,从单管集电极取单端输出,从两管集电极之间取双端输出,*,6.1.1差分放大器的分析,1.电路形式差分式放大电路的组态,基于不同的应用场合，有双、单端输入和双、单端输出的情况。,单端输入时，另一端接地。,双入双出,双入单出,单入双出,单入单出,*,6.1.1差分放大器的分析,2.工作原理输入信号的分析,1）差模输入信号：,即两管输入信号大小相等、相位相反，称为差模输入信号，记为,2）共模输入信号：,即两管输入信号大小相等、相位相同，称为共模输入信号，记为,零漂引起的就是共模信号，为有害信号。,*,6.1.1差分放大器的分析,2.工作原理输入信号的分析,问题：,差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信号，一般，即，非差模也非共模，该怎样分析？,解决方法：,对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信号分解为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输入信号作用下的性能指标。,*,6.1.1差分放大器的分析,2.工作原理输入信号的分析,令,具体分解方法：,*,6.1.1差分放大器的分析,2.工作原理输入信号的分析,例子：,差模输入信号（任一端都不接地）,共模输入信号,*,6.1.1差分放大器的分析,2.工作原理电阻的分析,1）差模信号作用下：,相同,VT1：,VT2：,流过的信号电流彼此抵消，在上无信号电压,两管均为共射放大器，完成放大差模信号的作用。,反之亦然。,两管各极电流的变化正好相反，当,*,6.1.1差分放大器的分析,2.工作原理电阻的分析,2）共模信号作用下：,两管相应电流始终相等，,流过的信号电流为，产生的电压为,引入了电流串连负反馈，使得从每个管子集电极输出时的共模电压大大减小了。,*,6.1.1差分放大器的分析,2.工作原理结论,共模等效,差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。差模输入信号正是要放大的有用输入信号，而共模输入信号则是有害的输入信号（零点漂移）。,结论,差模等效,*,6.1.1差分放大器的分析,3.差模电压放大倍数和差模输入电阻,1）差模电压放大倍数,单端输出差模电压放大倍数,*,6.1.1差分放大器的分析,双端输出差模电压放大倍数,双端输出,只要输入电压有差别，输出就变动！,*,6.1.1差分放大器的分析,3.差模电压放大倍数和差模输入电阻,2）差模输入电阻,*,6.1.1差分放大器的分析,4.共模电压放大倍数和共模输入电阻,1）共模电压放大倍数,单端输出共模电压放大倍数,和成反比，越大，越小。,*,6.1.1差分放大器的分析,单端输出共模电压放大倍数,双端输出共模电压放大倍数,单端输出时，射极电阻引入了电流串联负反馈，使得共模输出电压大大减小；双端输出、电路对称时，则共模输出电压为零，即共模输入电压完全被抑制。,*,6.1.1差分放大器的分析,4.共模电压放大倍数和共模输入电阻,2）共模输入电阻,*,6.1.1差分放大器的分析,5.输出电阻,无论是差模输入还是共模输入，输出端是一样的，输出电阻统一用表示。,*,6.1.1差分放大器的分析,共模抑制比衡量差分放大器放大差模信号和抑制共模信号的能力,定义：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。,CommonModeRejectionRatio,越大，表示差分放大器对共模信号的抑制能力越强。,*,6.1.1差分放大器的分析,共模抑制比,1，双端输出时，使电路尽可能对称；,增大发射极电阻，受到发射极电源电压的限制。寻找一种电阻：它对直流呈现很小的阻值，而对交流呈现非常大的阻值；,减小共模输出电压提高共模抑制比的方法：,单端输出时，,恒流源电路,3，引入共模负反馈。,2，,*,6.1.1差分放大器的分析,共模抑制比提高方法，电路举例,1）恒流源电路,2）引入级间共模负反馈,*,6.1.1差分放大器的分析（往后）,7.几种放大器方式性能参数比较,射极电阻或射极电流源内阻,以上对应电路均未接基极电阻或信号源内阻忽略不计。,*,6.1.1差分放大器的分析,8.差分放大器的组合形式,1）共集-共基差分放大器,分析：双端输入、单端输出；VT5、VT6构成基本电流源，作为VT4的有源负载；,CC组态,CB组态,*,6.1.1差分放大器的分析,8.差分放大器的组合形式,1）共集-共基差分放大器,*,6.1.1差分放大器的分析,8.差分放大器的组合形式,2）共集-共射差分放大器,分析：双端输入、单端输出；VT5、VT6构成基本电流源，作为VT4的有源负载；,CE组态,CC组态,*,6.1.1差分放大器的分析,8.差分放大器的组合形式,2）共集-共射差分放大器,*,6.1.1差分放大器的分析,例6-1某差分放大器已知，dB，已知为负值，求输出电压。,9.例题分析,解：,*,6.1.1差分放大器的分析,9.例题分析,例6-2某差分放大器两个输入端的信号分别为和，输出电压，三者的关系是。试求该差分放大器的差模电压放大倍数和共模电压放大倍数及共模抑制比。,解：,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,1.双极型晶体管差分放大器的传输特性,考虑大信号的输入特性，晶体管的小信号电路已不适用，要从晶体管特性基本关系式出发，结合电路进行研究。,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,1.双极型晶体管差分放大器的传输特性,双曲正切函数,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,1.双极型晶体管差分放大器的传输特性,差分放大器传输特性,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,从传输特性得到的结论：,1）当差模输入电压时，差动放大器处于平衡状态，即,2）在平衡状态的工作点附近范围内，与呈线性关系,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,怎样扩大差分放大器的线性范围？,引入负反馈射极电阻,射极电阻增大，线性工作范围改善程度越好。,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,从传输特性得到的结论：,3）当差模输入电压超过时，输出电压基本不变，这表明差动放大器在大信号输入时，具有良好的限幅特性。,差分型限幅器,4）定义：差分放大器跨导为,mV,改变恒流源电流就可以改变跨导，从而改变差模电压增益，所以带有恒流源的差分放大器可以用来实现自动增益控制。,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,例6-3电路如图所示，已知，VT1、VT2参数相同，求差模电压放大倍数。,解：,直接利用,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,2.场效应管差分放大器的传输特性,目的：提高差分放大器的输入电阻,电路对称，双端输出,*,6.1.2差分放大器大信号输入时的传输特性,2.场效应管差分放大器的传输特性,传输特性,*,6.1.3例题分析,例6-4电路如图所示，已知，VT1、VT2参数相同，且设，毫安表内阻，求：（1）静态时的和；（2）当时，流过毫安表的电流。,分析：静态时，即输入为零，放大器处于平衡状态，毫安表无电流流过；输入为2V时，VT1工作在限幅区，VT2工作在截止状态。,*,6.1.3例题分析,解：（1）静态,（2）,流过毫安表的电流,*,6.1.3例题分析,例6-5差动放大器如图所示，假设电路完全对称，电路参数为：，管子参数为：。求：,（1）电路静态时的；,（2）双端输出差模电压放大倍数；,（3）双端输出共模电压放大倍数及共模抑制比；,（4）差模输入电阻和共模输入电阻；,（5）输出电阻。,*,6.1.3例题分析,解：,分析：双端输入、双端输出；负载上无直流电流流过，显然对直流状态无影响；负载的中间点电位始终不变，相当于差模信号的零电位；差模信号输入时的等效负载为。,（1）,（2）,*,6.1.3例题分析,由于电路对称，有,（3）,（4）,（5）,*,6.1.3例题分析,例6-6差动放大器如图所示，VT1、VT2特性、参数相同，对交流呈现的内阻为,（1）差模输入电阻；,（2）；,（3）若电阻精度为1%，求最坏情况下的共模抑制比；,（4）共模输入电阻；,*,6.1.3例题分析,解：（1）,*,6.1.3例题分析,（2）,注意输出电压极性的规定,（3）,*,6.1.3例题分析,（4）,*,6.1.3例题分析,例6-7差动放大器如图所示，VT1、VT2特性、参数相同，要求,（1）和；,（2）和；,*,6.1.3例题分析,解：（1）,*,6.1.3例题分析,*,6.1.3例题分析,（2）,*,6.1.3例题分析,例6-8如图电路，求,分析：做出交流等效电路，整理得到下图。,*,6.1.3例题分析,解：,管子参数均相同,*,6.1.3例题分析,解：,两点结论：同相；电压增益增大（公式中分母没有2）。,*,6.1.4差分放大器的失调和温漂,现象和定义,失调：差分放大器在理想状态下，当输入信号为零时，其双端输出电压也为零。但对实际差分放大器而言，由于电路不完全对称，因而零输入时，对应的输出电压并不为零。,分为电压失调和电流失调,失调漂移：差分放大器的失调往往是随着时间、温度、电源电压等外界因素的变化而变化。,降低了放大器的灵敏度,*,6.1.4差分放大器的失调和温漂,1.输入失调电压及其温度漂移,输出失调电压折算到输入端的电压,显然要使输出电压为零，就必须在输入端加入一能抵消输入失调电压的补偿电压。,引起输入失调电压的原因：（1）晶体管的不对称性；（2）集电极电阻的相对误差。输入失调电压漂移是由不对称性和集电极电阻的漂移引起的。,*,2.输入失调电流及其温度漂移,假如差分放大器两管的基极偏置电流不相等，两信号源的内阻相等，则会在输入端产生一个输入误差电压，,输入失调电流：静态输出电压为零时，两管基极偏置电流之差。,由管子的和集电极电阻的相对误差引起。,6.1.4差分放大器的失调和温漂,*,结论：差动放大器的失调是由于电路中管子参数和电阻等的不对称而引起的。失调电压和失调电流都随着温度的变化而变化。为了尽可能地减小失调和漂移，要求电路尽可能地对称。,方法：常用差动对管(它是在一个基片上制作两个相同的管子，这样容易使参数一致)来构成差动放大器。,6.1.4差分放大器的失调和温漂,*,6.2集成运算放大器典型电路介绍,6.2.1双极型集成运算放大器F741,6.2.2MOS集成运算放大器的组成,*,6.2集成运算放大器典型电路介绍,6.2.1双极型集成运放F741,高增益，高输入阻抗的第二代集成运放,F741由输入级、中间级和输出级三级组成。,*,6.2集成运算放大器典型电路介绍,6.2.1双极型集成运放F741,输入级：VT1-VT9，采用有源负载的共集-共基（VT1-VT4）电路,提高放大器的差模输入电阻和差模输入电压范围。,VT5、VT6和VT7组成小电流源改进电路，作为差分放大器集电极的有源负载，并将双端输入信号转变成单端输出信号。,这一级可以获得较高的电压增益。,*,6.2集成运算放大器典型电路介绍,6.2.1双极型集成运放F741,中间级：有VT16、VT17组成复合管的单级共射放大器，并由VT13作为它的有源负载。,高的输入电阻保证输入级有较高的电压增益。,提高中间级的电压增益。,30pF补偿电容，可以保证闭环稳定工作。,*,6.2集成运算放大器典型电路介绍,6.2.1双极型集成运放F741,输出级：VT14和互补复合管VT18、VT19组成准互补输出级。,消除交越失真,输出级二极管保护电路,*,6.2.2MOS集成运放的组成,1.CMOS集成运放组成CC14573为例,CC14573是一个四可编程运算放大器，它用P沟道和N沟道增强型MOS场效应管以单片结构组成低功耗运算放大器。,偏置电路：由P沟道增强型MOS场效应管VT5、VT6和外接偏置电阻组成。VT5、VT6构成基本电流源。,输入级:由VT1、VT2、VT3、VT4和VT6组成。VT1、VT2组成差分放大器，VT3、VT4作为它的有源负载，VT6提供工作电流。,输出级:由VT7、VT8构成一共源放大器。,*,6.2.2MOS集成运放的组成,2.NMOS集成运放,1）NMOS的单级共源放大器或差分放大器与CMOS放大器相比，其电压增益较低。为了提高NMOS放大器的电压增益，采用一些特殊电路，使电路结构较为复杂。,2）为了保证零输入时零输出，NMOS运放一定要有电平位移电路。而CMOS运放的电平位移靠器件的互补性能来实现，没有专门的电平位移电路。,3）为提高NMOS运放的输出性能，输出级采用特殊的电路形式，它比CMOS互补输出电路复杂。,NMOS运放与CMOS运放相比，它有下列不同之处：,*,6.3集成运算放大器的性能参数和模型,6.3.1性能参数,6.3.2模型,*,6.3集成运放的性能参数和模型,6.3.1性能参数,1）输入偏置电流()：当运算放大器的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，即,双极型管1pA1A左右场效应管：一般小于1nA,2）输入失调电流：其值范围一般为1nA10A。偏置电流越大，其输入失调电流也越大。,*,6.3.1性能参数,3）输入失调电压：一般为mV数量级。对于高精度、低漂移类型的运算放大器，可以做到小于1V。,双极型管作为输入级场效应管作为输入级,4）差模开环电压增益即线性区域的斜率。,*,6.3.1性能参数,5）共模电压增益：当共模信号输入时，运放输出电压的变化量与输入电压变化量的比值，即,6）共模抑制比：,频率的函数,7）差模输入阻抗：差模输入电阻和差模输入电容构成，在低频时仅指差模输入电阻。,双极型管：几十千欧到几兆欧场效应管：通常大于109,*,6.3.1性能参数,8）共模输入阻抗：输入共模信号时，共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模输入电阻。,9）输出阻抗：在低频时，它即为运放的输出电阻，一般为几十至几百欧。,10）最大差模输入电压：运放两输入端所允许加的最大电压差。,11）最大共模输入电压：在线性区共模输入电压的最大值。,*,6.3.1性能参数,12）额定输出电压：指在特定的负载条件下，运放能输出的最大不失真电压幅度。通常与电源电压相差12V。,13）-3dB带宽和单位增益带宽：,直流电压增益,*,6.3.1性能参数,14）转换速率：在额定负载条件下，当输入阶跃大信号时，运放在线性区输出电压的最大变化速率称为转换速率，即,图中输出电压上升部分的斜率最大值就是转换速率。,*,6.3.1性能参数,14）转换速率：,转换速率也可以用频率范围来表示，定义全功率带宽为在正弦输入电压作用下，把运放接成单位增益情况下，不失真输出电压振幅达到额定值的最高频率。,上图画出了由于转换速率太小，而造成输出波形产生非线性失真的情况。图(a)是输入信号电压的频率稍大于全功率带宽，输出电压已经来不及跟随激励电压而变化，使正弦波产生明显失真；图(b)是当时，使得输出电压根本来不及达到额定输出电压值，致使正弦波变成了三角波。,*,15）静态功率：运放在空载和没有输入信号情况下要求电源供给的直流功率。,6.3集成运放的性能参数和模型,等于全部电源电压(正电源与负电源绝对值之和)与静态电流的乘积。,6.3.2模型,*,6.4理想运放及其基本组态,6.4.1理想集成运算放大器,6.4.2集成运放的基本组态,*,6.4理想运放及其基本组态,6.4.1理想集成运算放大器,特点：,输入失调电压,开环电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,频带无限宽,输入失调电流,共模抑制比,干扰和噪声都不存在,*,6.4.1理想集成运算放大器,理想运放模型,符号,传输特性,线性放大区等效电路,正向饱和区等效电路,负向饱和区等效电路,比电源电压小12V,*,6.4.1理想集成运算放大器,分析方法：,1）线性放大区,两个输入端无电流，两个输入端之间开路；两个输入端“虚短路”。,理想运放特性（线性区）,*,6.4.1理想集成运算放大器,分析方法：,2）饱和区,两个输入端无电流，两个输入端之间开路；比较两个输入端电压大小。,高电平输出,低电平输出,理想运放特性（饱和区）,*,6.4.2集成运放的基本组态,1.反相放大组态,存在负反馈，运放工作在线性区,输入电压在一定范围内时，输出电压和输入电压相位相反，大小仅取决于反馈回路电阻比。,虚地：反相输入端没有真正接地，而具有地电位,虚地,*,6.4.2集成运放的基本组态,1.反相放大组态,传输特性,反相跟随器,输入电阻：,反相放大组态的实质是电压并联负反馈，具有低的输入阻抗和输出阻抗。,*,6.4.2集成运放的基本组态,例题分析,例6-9已知，试画出输出波形。,解：,受的限制,*,6.4.2集成运放的基本组态,例题分析,例6-10求输出的表达式。,解：,利用叠加原理,*,6.4.2集成运放的基本组态,2.同相放大组态,存在负反馈，运放工作在线性区,输入电压在一定范围内时，输出电压和输入电压同相，大小仅取决于反馈回路电阻比。,*,6.4.2集成运放的基本组态,2.同相放大组态,同相跟随器,同相放大组态的实质是电压串联负反馈，输入电阻很大，理想运放为无穷大。,*,6.4.2集成运放的基本组态,例题分析,例6-11求。,解：,无电流。,*,6.4.2集成运放的基本组态,3.差分放大组态,反相放大组态和同相放大组态二者结合,输入信号可以认为是，利用叠加原理，分别计算对输出的贡献和，然后合成，即,*,6.4.2集成运放的基本组态,3.差分放大组态,结论：运放特性理想且外接元件参数满足特定条件差分运算放大器只对差模输入信号实现运算，输出无共模分量，且闭环增益仅取决于外接电阻比。,作用：抑制共模成分,*,6.4.2集成运放的基本组态,3.差分放大组态,虚短路,差模输入电阻,共模输入电阻,对于理想运放，共模输出电压为零，输出端相当于接地，所以(R1+R2)与(R3+R4)是并联关系。,*,6.5集成运算放大器的应用,6.5.1信号放大及检测电路,6.5.2信号运算电路,6.5.3信号处理电路,*,6.5集成运算放大器的应用,6.5.1信号放大及检测电路,1.高输入阻抗放大器,1）输入电阻自举扩展电路,A1：主放大器A2：正反馈，提供电流,反相比例放大器,*,6.5.1信号放大及检测电路,1）输入电阻自举扩展电路,实际上，两者之间阻值总有一定的偏差，同时为了放大器稳定工作，防止电路自激振荡，也必须人为地使略大于保证为正值。,*,6.5.1信号放大及检测电路,2）同相串联差分式高输入阻抗放大器,输入信号加于两个运放的同相输入端，差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电阻之和，提高了输入电阻。,利用迭加原理，分别作用于输入端,*,6.5.1信号放大及检测电路,2）同相串联差分式高输入阻抗放大器,双端输入，输入电阻为无穷大。,*,6.5.1信号放大及检测电路,2.可编程增益放大器,若S1接通，则,同相跟随器,若S2接通，则,同相放大器,若S3接通，则,*,6.5.1信号放大及检测电路,2.可编程增益放大器,若S4接通，则,结论：放大器有4种增益水平，其大小取决于外电阻R1-R4，改变电阻大小即可改变增益。,如果在电路中接入译码器B对开关进行控制，则可以减少控制位数。,*,6.5.1信号放大及检测电路,码控四段转换可编程增益放大器,为数字选通信号，译码输出后控制开关的选通。,*,6.5.1信号放大及检测电路,3.测量放大器,均为同相输入，具有双端输入、双端输出形式。为差分组态，实现减法运算。,*,6.5.1信号放大及检测电路,3.测量放大器,输出与输入之间成线性放大关系。调节电位器即可方便地改善增益。,电路特点：输入电阻极高。共模抑制比极高。增益调节方便。,*,6.5.2信号运算电路,1.全加器能进行加法和减法运算的电路,利用线性叠加原理，得到：,结论：对输出的贡献只决定于而与无关，或者说不参与运算。,*,6.5.2信号运算电路,1.全加器,将电路加以推广，可以得到进行加法运算和减法运算的全加器。,如果所有输入网络与反馈网络的元件都是纯电阻，且满足,则,*,6.5.2信号运算电路,例题分析,例6-12试用一个运算放大器构成如下运算关系,且要求每路输入电阻不小于。,解：,电路设计如右图，,选择,则,*,6.5.2信号运算电路,2.积分器和微分器,1）积分器,结论：输出电压与输入电压的积分成正比。利用积分器可以构成线性良好的扫描电路。,*,6.5.2信号运算电路,例题分析,例6-13电路如下图所示，求输出电压表达式。,解：,*,6.5.2信号运算电路,例6-14电路如下图所示，输入电压波形如下图所示，设时，电容C上的初始电压为零，试画出波形。,解：,输入信号是方波，采用分段积分。,输出波形,*,6.5.2信号运算电路,2.积分器和微分器,2）微分器,将积分器电路中电容和电阻的位置调换，就构成微分器。,输出电压与输入电压的微分成正比。,*,6.5.2信号运算电路,例6-15设电路和、波形如图所示。试画出波形（提示：JFET导通时的电阻可忽略不计）。,解：,场效应管夹断，运放组成全加器电路,场效应管导通，,*,6.5.2信号运算电路,例6-16电路及输入电压波形如图所示，1）说明场效应管VT和二极管VD的作用；2）画出的波形，并标出其幅值。,解：,VD截止，VT导通，短路线,VD导通，VT夹断，积分功能,VD控制VT的工作状态，VT控制电路的工作状态,输出波形,*,6.5.2信号运算电路,3.对数和反对数放大器,1）对数放大器,二极管伏安特性,输出电压与输入电压的对数成正比。,图中二极管常用三极管连接而成。,*,6.5.2信号运算电路,2）反对数（指数）放大器,输出电压与输入电压的反对数（指数）成正比。,将对数放大器电路中二极管和电阻的位置调换，构成反对数放大器。,二极管伏安特性,图中二极管常用三极管连接而成。,*,6.5.2信号运算电路,4.乘法和除法运算,由对数和反对数放大器不难构成乘法和除法运算电路，原理如下图，,*,6.5.3信号处理电路,1.电压比较器,作用：判断输入信号电压之间的相对大小。,输出只有两种稳定工作状态：,高电平输出,低电平输出,1）单限比较器,参考电平,*,6.5.3信号处理电路,专用集成电压比较器,LM139/339系列集成电压比较器，由4个独立的精密电压电压比较器组成，具有低功耗、低失调的特点，输入失调电压2mV，失调电流3nA，可在单双电源下工作。,*,6.5.3信号处理电路,2）迟滞比较器,带有正反馈的比较器，又称施密特触发器,正反馈支路,工作原理,当从很负逐渐增大时，,假设初始状态,由于很负，使得，运放输出为正向最大值，即,此时是参考电平和输出电压共同作用的叠加，,上门限电压,*,6.5.3信号处理电路,2）迟滞比较器,当从很负逐渐增大到时，,由于强正反馈，输出将跳变到负向最大值，即,此时,下门限电压,减小，,输出电压仍维持在。,直到时，,才又跳变到正向最大值，即,*,6.5.3信号处理电路,2）迟滞比较器,传输特性,输入由小变大时的传输特性,输入由大变小时的传输特性,完整的传输特性,*,6.5.3信号处理电路,2）迟滞比较器,迟滞比较器存在两个比较门限，,两者之差为：,上门限电压,下门限电压,门限宽度,迟滞比较器又称为双限比较器,*,6.5.3信号处理电路,例题分析,例6-17已知的输出，为理想二极管。试分析电路的工作原理，画出传输特性曲线。,分析：,只要中任有一个为高电平，输出即为高电平；,只有均为低电平，输出才为低电平。,两个单限比较器构成的或门电路,*,6.5.3信号处理电路,解：,结论：,只有当取值介于3-6V间时，电路输出为低电平，；,否则，电路输出为高电平，,*,6.5.3信号处理电路,2.波形产生电路,1）正弦波文氏桥振荡器,桥形RC网络接在输出端与同相输入端之间，则起振条件是相移等于零。,零相移桥式振荡器,*,6.5.3信号处理电路,1）正弦波文氏桥振荡器,要求和之间相移在某个频率上为零，则虚部为零，,振荡频率,满足幅度平衡条件的运放的闭环增益应等于3。,*,6.5.3信号处理电路,2）方波发生器,脉冲和数字系统的信号源,运放以比较器方式工作。,利用电容两端电压和相比较，来决定输出是高电平还是低电平。,如果为高电平，则对电容C充电，使增加；,如果为高电平，则对电容C放电，使减小。,电容两端电压的变化又使输出不断翻转，得到方波。,*,6.5.3信号处理电路,2）方波发生器,瞬态电路三要素公式,*,6.5.3信号处理电路,2）方波发生器,*,6.5.3信号处理电路,对称的方波和三角波发生器电路,A1为迟滞比较器，A2为反相积分器，共同组成正反馈电路，形成自激振荡，由A1输出方波，A2输出三角波。,*,6.5.3信号处理电路,3.波形变换电路,1）半波整流电路,运放与二极管配合，可组成波形变换电路。,反相型运放电路,正极性,负极性,截止,导通,零,负极性,正极性,导通,截止,*,6.5.3信号处理电路,1）半波整流电路,输入,输出,传输特性,0,*,6.5.3信号处理电路,全波整流电路,将VD1、VD2放入到负反馈环内，以改善性能。,传输特性,实际电路,原理图,*,例题分析,例6-18试画出下图所示电路的传输特性。,解：,6.5.3信号处理电路,VD2导通，VD1截止,VD2截止，VD1导通,传输特性,*,6.5.3信号处理电路,3.波形变换电路,2）峰值检波电路,同相跟随器,二极管导通，运放构成同相跟随器，电容充电时间常数很小，充电速率很快；,二极管截止，电容电压值保持不变。,输出电压跟随信号的峰值而变，并保持信号的最大值。,*,6.5.3信号处理电路,3.波形变换电路,3）限幅电路,特点：当输入信号进入限幅区后，输出信号不再跟随输入信号变化，而保持在某个固定值上。,单限限幅器,*,6.5.3信号处理电路,3）限幅电路,二极管的接法决定了对输出电压的正向进行限幅。如果要进行负向限幅，只要将图中的二极管和稳压管都反接一下即可。若想获得双向限幅效果，只要将二极管换成稳压管，背靠背串接即可。,传输特性,*,6.5.3信号处理电路,4.有源滤波电路,1）低通滤波器,功能：使低于某一频率(如f0)的信号能通过，而高于f0信号不能通过。,一阶有源低通滤波器（反相型）,*,6.5.3信号处理电路,1）低通滤波器,归一化的幅频特性,*,6.5.3信号处理电路,1）低通滤波器,目的：提高增益和带负载能力,方法：可将RC无源网络接到运放的同相输入端,缺点：滤波效果不够好。理想的低通滤波器,其幅频特性应该呈矩形。,*,6.5.3信号处理电路,1）低通滤波器,上图所示低通滤波器的幅频特性，在时有3dB衰减；而当时，以20dB/10倍频程的速率下降，衰减不够快。,*,6.5.3信号处理电路,二阶有源低通滤波器电路,A,B,节点A：,节点B：,*,6.5.3信号处理电路,二阶有源低通滤波器电路,A,B,类似谐振回路的品质因素,为不同值时对幅频特性的影响,需要指出:当时，将趋于无穷大，意味着电路将产生自激振荡，因此必须小于，且要求元器件性能稳定。,*,6.5.3信号处理电路,4.有源滤波电路,2）高通滤波器,将低通滤波器中起滤波作用的电阻、电容互换即可变成高通滤波器。两者是“镜像”关系。,*,6.5.3信号处理电路,4.有源滤波电路,3）带通滤波器,功能：允许某一频带内的信号通过，而处于该频带外的信号都不能通过。可以由低通和高通电路结合而成。,优点：改变和的比例就可改变频带宽度而不影响中心频率。,中心角频率,频带宽度,品质因数,若只能让某一频率的信号通过，则称为选频放大器。,*,6.5.3信号处理电路,4.有源滤波电路,4）带阻滤波器,功能：在规定的频带内信号不能通过(或受到很大衰减)，而在其余频率范围，则信号能顺利通过。,原理方框图,*,6.5.3信号处理电路,4.有源滤波电路,若是阻止某一频率分量通过，称这种带阻滤波器为陷波器。,*,6.5.3信号处理电路,4.有源滤波电路,陷波器电路,*,6.5.3信号处理电路,5.取样保持电路,方框图,原理电路,波形图,实际电路,*,6.5.3信号处理电路,6.其他应用举例,1）模拟电感电路,求下图所示电路的输入阻抗，并说明其性质。,虚短,*,6.5.3信号处理电路,1）模拟电感电路,此电路实质上是一模拟电感电路,*,6.5.3信号处理电路,2）恒流源电路,求证：当满足时，与负载电阻无关。,证明：,恒流源,*,6.6实际集成运放电路的误差分析,实际工程简化应注意的几点:,对输入为交流信号的运放电路，可以将模型中电压源短路，电流源开路。对反相输入的运放，共模抑制比可忽略不计。对同相输入的运放，共模抑制比引入的误差就不可忽略。可以将失调误差和增益误差分别考虑，然后叠加组合，得到总误差。如果讨论某个(些)参数的影响，则其它参数可视为理想的。,*,例6-19下图所示的反相放大器电路中，设运放的开环电压增益，求与理想运放比较，它的闭环电压增益是多少？相对误差是多少？,由于输入为低频信号，和均可不予考虑，可认为开路，可认为为零。,6.6实际集成运放电路的误差分析,*,解：,由输入和输出共同作用产生，利用叠加原理,6.6实际集成运放电路的误差分析,*,解：,增益的相对误差：,6.6实际集成运放电路的误差分析,*,例6-20如图所示的同相放大器电路，设开路电压增益、共模抑制比为有限值，其他参数均为理想值，试推导的表达式。,解：,6.6实际集成运放电路的误差分析,*,解：,式中,6.6实际集成运放电路的误差分析,*,解：,6.6实际集成运放电路的误差分析,例6-21分析参数失调引起的误差。,令并考虑为无穷大，则,*,解：,6.6实际集成运放电路的误差分析,减小输出失调电压，,令,即运算放大器反相输入端和同相输入端的直流电阻相等时，输出失调电压最小。,结论：设计运算放大器电路时，一定要使反相输入端和同相输入端直流电阻平衡，即满足,*,解：,6.6实际集成运放电路的误差分析,例6-22若同时考虑增益误差和失调误差，试写出总的误差的表达式。,同时考虑增益误差和失调误差,是仅仅考虑增益误差时的闭环电压增益。,总的误差,表示增益误差，表示失调误差,*,6.7在系统可编程模拟器件ispPAC,6.7.1概述,6.7.2在系统可编程模拟器件ispPAC10的电路结构,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,*,6.7.1概述,In-systemProgrammable（Lattice公司）ispPAC10及ispPAC20可提供的三种编程性能：可对设计功能进行编程，以适应对信号的放大、转换、滤波等不同功能；可对设计性能进行编程，从而可很容易地调整电路的增益、带宽和阀值；可对器件中功能块的互连进行编程，以实现电路重构。,*,6.7.1概述,在计算机中利用PACDesigner软件对ispPAC10及ispPAC20进行电路设计模拟及方案下载后，ispPAC10、ispPAC20可实现如下功能：,信号调整:如信号的放大、衰减、滤波等；信号处理:如信号的求和、求差、积分运算等；信号变换:指信号的D/A变换。,*,6.7.2在系统可编程模拟器件ispPAC10的电路结构,ispPAC10的内部结构框图,PAC是该器件最基本的组成单元，它由两个仪用放大器和一个输出放大器构成差分输入差分输出电路，电路中配有必要的电阻电容。,*,6.7.2在系统可编程模拟器件ispPAC10的电路结构,ispPAC10中PAC的电路结构图,每个PAC有两个输入，两个输出端，输入阻抗109，共模抑制比为69dB，可编程增益调整范围为-1010。,*,6.7.2在系统可编程模拟器件ispPAC10的电路结构,PAC可以单独使用，独立地构成电路工作，也可以通过编程以不同的方式连接起来，这时ispPAC10器件可实现更为复杂的电路功能，如110000倍的放大、求和、积分、滤波等。下图表示4个PAC级联使用的情况。,单独使用,级联使用,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,1.ispPAC10的输入接口电路,根据输入信号的不同，分为三种：直接相连：适用于输入信号中含有电压值接近的直流成分；,外加直流偏置：当输入信号中不含直流成分时，需采用这种外部电路。,带直流偏置的交流耦合,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,接口电路,外加直流偏置,带直流偏置的交流耦合,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,2.ispPAC10的增益调整,（1）通用增益设置,增益为20的PAC设置,输入信号直接加在PAC两个输入放大器IA1、IA2的输入端，构成加法电路，整个电路的增益为IA1、IA2增益之和。（1020；1020）,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,（1）通用增益设置,将多个PAC编程级联，可得到增益大于20的放大电路。,增益为47的三种PAC配置,总增益,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,（2）分数增益设置,配合适当的外接电阻，可以得到任意分数倍增益的放大电路。,增益为5.7的一种PAC配置,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,（3）整数比增益设置,ispPAC10提供了一种无需外接器件而获得整数比增益的方法，即整数比增益技术。,输出放大器OA1的电阻反馈回路必须开路，输入仪用放大器IA2作为整个电路的反馈单元，其增益需设置为负值。,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,3.ispPAC10电路设计及应用,利用ispPAC10可以实现信号放大、滤波、和差、积分、转换等多种功能。下面讨论用ispPAC10实现低通滤波。,假设低通滤波器的转移函数为：,低通滤波器实现框图,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,3.ispPAC10电路设计及应用,二阶低通滤波器用ispPAC10中的两个PAC块就可以实现。下图中PAC1、PAC2的各输入仪用放大器的可编程增益分别设置k11=k21=k22=1，k21=-1，PAC1的输出放大器反馈电阻支路通过编程设置为“通”，PAC2的输出放大器反馈电阻支路通过编程设置为“断”。,*,6.7.3在系统可编程模拟器件ispPAC10的设计应用,3.ispPAC10电路设计及应用,OA1实现有损耗积分，积分输入信号为，OA2实现积分，积分输入信号为，即:,*,6.8单电源供电运放电路,双电源供电,单电源供电,实质区别：电位基准不同电位基准发生了变化，集成运放的允许工作条件也将跟着变化。,*,6.8单电源供电运放电路,例6-23采用双电源供电时，已知共模电压输入范围为-107V，输出电压范围为-1111V，试问：,（1）该电路能工作吗？,解：(1),用24V单电源供电压时，其共模输入电压范围和输出电压范围均应提高12V，即共模输入电压范围为219V；输出电压范围为123V。,当，即此时共模输入电压为0V，超出了允许范围219V。该电路无法工作。,（2）若，求的表达式；,（3）求的允许范围。,*,6.8单电源供电运放电路,（2）,当时，,在允许的共模输入电压219V范围内，电路能正常工作。,叠加原理,（3）,*,6.8单电源供电运放电路,解：,例6-24下图所示的是单电源供电的交流放大器。试分析其工作原理，并求出。,直流通路,电路中的直流电压为，为保证共模输入电压和输出电压落在正常范围内，引入了深度负反馈，以稳定直流输出电压。,交流通路,*,6.9电流模式运算放大器,6.9.1电流模式电路的主要特点,6.9.2跨导线性电路,6.9.3电流反馈运算放大器,*,6.9.1电流模式电路的主要特点,定义,电流模式电路以电流而不是电压作为电路中信号的变量，完成对电流信号的处理。,电路模式电路的主要特点,对信号源内阻和输入电阻、输出电阻要求不同：信号源内阻要高；零输入电阻和无穷大的输出电阻。频带宽，速度高。电源电压低，功耗小。,*,6.9.2跨导线性电路,1.跨导线性原理,由第1章可知，,跨导线性原理：双极型晶体管的跨导是集电极静态工作电流的线性函数。,结论,*,6.9.2跨导线性电路,2.跨导线性环原理（简称TL原理）,包含n个（n为偶数）晶体管正向偏置发射结的闭合环路（TL环路）中，发射结电压之和应等于零。,反向饱和电流,第j个发射结的发射区面积,与几何结构无关的反向饱和电流密度,*,6.9.2跨导线性电路,等式两边相等,跨导线性环原理,在一个含有偶数个正向偏置发射结、且排列成顺时针方向结的数目和逆时针方向结的数目相等的闭合环路中，顺时针方向发射结电流密度之积等于逆时针方向发射结电流密度之积。,*,6.9.2跨导线性电路,3.跨导线性环电路举例,例6-25在下图所示的互补推挽电路中，试用TL原理分析该电路工作原理。,解：,VT1、VT2、VD1和VD2组成一个跨导线性环。,设各个发射区面积相等，则,分两种情况讨论：,1）,*,6.9.2跨导线性电路,解：,2）,若,或,电路工作在甲类状态,或,若,电路工作在乙类状态,*,6.9.2跨导线性电路,例6-26电路如图所示，试分析该电路的功能。,解：,环1：VT2，VT3发射结组成,环2：VT1，VT2，VT4，VT5发射结组成,电路完成矢量差运算,*,6.9.3电流反馈运算放大器,CurrentFeedbackAmplifier（CFA）,1.CFA的方框图和符号,输入缓冲级：具有高输入电阻低输出电阻的单位电压增益级互阻放大级输出缓冲级：具有低输出电阻的单位电压增益级,CFA简化方框图,CFA符号,*,6.9.3电流反馈运算放大器,2.电流模运放的典型电路,*,6.9.3电流反馈运算放大器,3.CFA电路模型及模型参数,输出级和输入级：分别用具有单位电压增益的电压缓冲级等效。中间级：即互阻增益级，接在输入缓冲器之后，经无源元件把缓冲级输出电流