模电第2章(4学时)

1、1南通大学南通大学南通大学2南通大学南通大学南通大学集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.12.1理想运算放大器理想运算放大器2.22.2基本线性运放电路基本线性运放电路2.32.3基本运算电路基本运算电路2.42.4本章重点本章重点实例仿真实例仿真3南通大学南通大学南通大学第二章运算放大器第二章运算放大器2.1 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 功能强、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等。功能强、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等。 可分可分和和。 可分可分和和。 4南通大学南通大学南通大学1集成运放的特点和符号集成运放的特点和符号 主要是由主要是由直接耦合高放大倍数放大器直接

2、耦合高放大倍数放大器组成。组成。 运放运放种类多、用途广，功能及性能指标差异大。种类多、用途广，功能及性能指标差异大。 电压放大倍数大（高增益）、输入电阻高、电压放大倍数大（高增益）、输入电阻高、 输出电阻低、抗共模信号能力强。输出电阻低、抗共模信号能力强。 2.1 2.1 集成电路运算放大集成电路运算放大器器惯用：惯用：国标：国标：国标：国标：(理想理想)- -+ +vovNvPvovNvP- -+ +A+ +vovNvP- -+ + +5南通大学南通大学南通大学1集成运放的特点和符号集成运放的特点和符号2.1 2.1 集成电路运算放大集成电路运算放大器器惯用：惯用：- -+ +vovNvP

3、反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端vO 15V：开环增：开环增益；很高益；很高6南通大学南通大学南通大学1集成运放的特点和符号集成运放的特点和符号2.1 2.1 集成电路运算放大集成电路运算放大器器： 若以同相端为参考点，信号从反相端输入，则输出若以同相端为参考点，信号从反相端输入，则输出信号与输入信号相位相反；信号与输入信号相位相反； ： 若以反相端为参考点，信号从同相端输入，则输出若以反相端为参考点，信号从同相端输入，则输出信号与输入信号相位相同。信号与输入信号相位相同。同相输入端同相输入端输出端输出端vO 15V：开环增：开环增益；很高益；很高反相输入端反相输入端7南通

4、大学南通大学南通大学2.1 2.1 集成电路运算放大集成电路运算放大器器2集成运放的电路结构和模型集成运放的电路结构和模型（1 1）电路结构）电路结构直流偏置电路直流偏置电路电压中间电压中间放大级放大级 特点：特点：输入级一般均采输入级一般均采用用电路、电路、且且为为方式等。方式等。差差放放输输入入级级vNvPvo功放输出级功放输出级8南通大学南通大学南通大学2.1 2.1 集成电路运算放大集成电路运算放大器器2集成运放的电路结构和模型集成运放的电路结构和模型（2）电路模型电路模型RiRoAvo(vP-vN)PvPvovNNV+V- - 运放的电运放的电压传输特性压传输特性曲线？曲线？9南通大

5、学南通大学南通大学2.1 2.1 集成电路运算放大集成电路运算放大器器电压传递函数：电压传递函数：NPoioVAvvvvv 通常：通常：V- -vo V+ 当当AV(vP - - vN)v AV(vP - - vN)v 电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：线性范围线性范围0voviV+V- -非线性范围非线性范围非线性范围非线性范围 非线性区又称为非线性区又称为限幅区限幅区。3运放的电压传输特性曲线：运放的电压传输特性曲线：10南通大学南通大学南通大学2.2 2.2 理想运算放大器理想运算放大器 几个重要假设几个重要假设 开环差模电压增益开环差模电压增益AVo=； 差模输入电阻差模输入电阻Ri

6、d=； 输出电阻输出电阻Ro=0； 另有：另有： 开环带宽开环带宽BW=； 共模抑制比共模抑制比KCMR=（即（即vN= vP时，时，vo= 0）；）； 转换速率转换速率SR=； 失调参数失调参数VIo、IIo、及其温漂系数均为零。、及其温漂系数均为零。11南通大学南通大学南通大学2.2 2.2 理想运算放大器理想运算放大器（1） 由假设，由假设，运放可视为理想器件，运放可视为理想器件，且理想运放工作在线性状态。且理想运放工作在线性状态。（2）由此可引申出由此可引申出。便于分析、运算。便于分析、运算。此概念只能在线性状态下使用，此概念只能在线性状态下使用，例：例：设：设：AVO=100dB（1

7、05）、）、Rid=1M，当，当vO = 10V时：时： vid= vo /AVO=10V/ 105=0.0001V很小，很小，； iid = vid /Rid =0.0001V/1M = 1010A 很小，很小，。（3）当运放当运放同相端接地同相端接地时，反相端称为时，反相端称为“虚地虚地”。AVo=Rid=12南通大学南通大学南通大学2.3 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路基本应用：基本应用：信号运算信号运算和处理和处理。 运算：运算：比例、加减、乘除、积分、比例、加减、乘除、积分、 微分、对数反对数（指数）等。微分、对数反对数（指数）等。 信号处理信号处理：有源滤波、精密二极管整

8、流、电压比较器、有源滤波、精密二极管整流、电压比较器、 采样保持电路等。采样保持电路等。13南通大学南通大学南通大学2.3 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路运算电路的两种基本形式运算电路的两种基本形式： 输入输入信号由运放的同相端进入。信号由运放的同相端进入。同相放大电路同相放大电路- -+ +vivoAZ1Zf反相放大电路反相放大电路- -+ +vivoAZ1Zf输入输入信号由运放的反相端进入。信号由运放的反相端进入。14南通大学南通大学南通大学2.4 2.4 基本运算电路基本运算电路2.4.1 2.4.1 比例电路比例电路1反相比例电路反相比例电路ifi1 虚地虚地: vN vP

9、= 0； 虚断虚断: 有有i1if，所以：，所以：foPPiRRvvvv 1输入、输出符合输入、输出符合“比例比例”关系，其系数为关系，其系数为Rf /R1（可（可1，=1）；）；输出反相输出反相（负号特征）；（负号特征）； Ri小小。 若若R1=Rf ，电路称为，电路称为“反相器反相器”或或“反号器反号器”。ifoRRvv1 - -+ +vivoAR1Rf电压放大倍数就是电路的比例系数。电压放大倍数就是电路的比例系数。ifoRRvv1 foiRRvv 115南通大学南通大学南通大学2.4 2.4 基本运算电路基本运算电路2.4.1 2.4.1 比例电路比例电路1反相比例电路反相比例电路2同相

10、比例电路同相比例电路 虚短，虚短，vi = vPvN 虚断，有虚断，有i1if ，所以：，所以：- -+ +vivoAR1Rfi1if- -+ +vivoAR1RfifoRRvv1 ifi1vffNivvv ifoRRvv)(11 ofRRRv 1116南通大学南通大学南通大学2.4 2.4 基本运算电路基本运算电路2.4.1 2.4.1 比例电路比例电路1反相比例电路反相比例电路2同相比例电路同相比例电路 虚短，虚短，vi = vPvN 虚断，有虚断，有i1if ，所以：，所以：fPoPRRv-vv 1输入输出电压符合输入输出电压符合“比例比例”关系，比例系数为：关系，比例系数为： 1+Rf

11、 /R1（1），输出同相。），输出同相。ifoRRvv)(11 - -+ +vivoAR1Rfi1if- -+ +vivoAR1RfifoRRvv1 ifi1vfifoRRvv)(11 fioiRRv-vv 1fiifoRRRvvv 117南通大学南通大学南通大学2.4 2.4 基本运算电路基本运算电路2.4.1 2.4.1 比例电路比例电路1反相比例电路反相比例电路2同相比例电路同相比例电路- -+ +vivoAR1Rfi1if- -+ +vivoAR1RfifoRRvv1 ifi1vfifoRRvv)(11 若若R1，则：，则： 电路称为电路称为“电压跟随器电压跟随器”。 （Rf 也可为零

12、）也可为零）- -+ +vivoARf 电压跟随器为深度（全）负电压跟随器为深度（全）负反馈反馈Ri和和 Ro0， 作用：作用：或或。18南通大学南通大学南通大学2.4 2.4 基本运算电路基本运算电路2.4.1 2.4.1 比例电路比例电路1反相比例电路反相比例电路2同相比例电路同相比例电路若若R1，则：，则： 电路称为电路称为“电压跟随器电压跟随器”。 （Rf 也可为零）也可为零） 电压跟随器为深度（全）负电压跟随器为深度（全）负反馈反馈Ri和和 Ro0， 作用：作用：或或。10VvS+RS99kRL 1k+vO0.1V- -+ +vivoA10V输出很小输出很小 插入电压跟随插入电压跟随

13、器后：器后：vo=vs19南通大学南通大学南通大学 可使两个输入回路的参数对称，提高运算精度，即：可使两个输入回路的参数对称，提高运算精度，即：由运放输入两端向输入方向看，对地的等效直流电阻应由运放输入两端向输入方向看，对地的等效直流电阻应尽量相等尽量相等。平衡电阻的数值为：平衡电阻的数值为：RP= RN 。RN的计算方法：的计算方法：将输入端各支路中的输入电压置零，将输入端各支路中的输入电压置零，求求等效直流电阻等效直流电阻。- -+ +vivoAZ1ZfRPvi2.4 2.4 基本运算电路基本运算电路2.4.1 2.4.1 比例电路比例电路3平衡电阻平衡电阻20南通大学南通大学南通大学3平

14、衡电阻平衡电阻2.4 2.4 基本运算电路基本运算电路2.4.1 2.4.1 比例电路比例电路例：反相电路：例：反相电路：RP= R1 /Rf 同相电路：同相电路：RP= R1 /Rf （1）平衡电阻的接入基本）平衡电阻的接入基本不会影响电路的动态指标不会影响电路的动态指标。（2）平衡电阻并非一定要接，主要看对电路的要求。）平衡电阻并非一定要接，主要看对电路的要求。 通常，通常，要求不高要求不高或或高阻型的运放电路可不接高阻型的运放电路可不接。- -+ +vivoAR1Rf- -+ +vivoAR1Rf21南通大学南通大学南通大学2.4.2 2.4.2 加法电路加法电路1反相加法电路反相加法电

15、路 特点特点： 反相多端输入。反相多端输入。 由虚地、虚断得：由虚地、虚断得：i1+i2= if ，即：，即：fo22s11sRvRvRv ）（整理得：整理得：2211RvRvRvssfo 当当R1=R2=Rf 时，上式为：时，上式为：输入输出电压实现了输入输出电压实现了“加法加法”关系；关系；输出反相输出反相 。 若要去除负号，可在输出再加一级反相器；若若要去除负号，可在输出再加一级反相器；若输入输入信号中有一负值，则电路实现的是信号中有一负值，则电路实现的是“减法减法”。 平衡电阻平衡电阻：RP=R1 /R2 /Rf 。- -+ +voAR2Rfvs1R1vs2ifi1i222南通大学南通

16、大学南通大学2.4.2 2.4.2 加法电路加法电路1反相加法电路反相加法电路 特点特点： 反相多端输入。反相多端输入。 由虚地、虚断得：由虚地、虚断得：i1+i2= if ，fo22s11sRvRvRv ）（整理得：整理得：2211RvRvRvssfo - -+ +voAR2Rfvs1R1vs2ifi1i2 如要实现如要实现，由于虚地的作用，只需并上一，由于虚地的作用，只需并上一条输入支路即可：条输入支路即可： vo=- -(vs1+vs2+vs3) （当（当R1=R2=R3=Rf 时）时） 多项加法以此类推。多项加法以此类推。 if 不能过大，以防电路进入非线性状态。不能过大，以防电路进入

17、非线性状态。vs3R3i323南通大学南通大学南通大学2.4.3 2.4.3 减法电路减法电路1利用反相信号求和来实现减法运算利用反相信号求和来实现减法运算 原理原理由反相器、反相加法器实现减法。由反相器、反相加法器实现减法。 例：例：求求vO= vS1- -vS2 . vo= - -(vs2- -vs1) = - -vs2+(- -vs1)， 实现电路如下：实现电路如下： 电路中，电路中，A1构成反相器，构成反相器，vO1= - -vS1，A2构成反相构成反相加法器。加法器。- -+ +A1R2R1vS1R1vS2vO1- -+ +vOA2R2R224南通大学南通大学南通大学 反相输入和同相

18、输入反相输入和同相输入相结合相结合的放大电路。的放大电路。4on1ni1RvvRvv 30RvRvvp2pi2 i114i2323141ovRRvRRRRRRv )( 根据根据和和的的KCL得：得：pn= vv+AvoR1R4R2R3vi2vi1i2i3i1i42.4.3 2.4.3 减法电路减法电路2差动电路实现减法差动电路实现减法 电路构成：电路构成： 电路工作在线性状态，电路工作在线性状态，可用可用: 方法一：方法一： KL定律定律 方法二：叠加定理方法二：叠加定理方法一：方法一： KL定律定律25南通大学南通大学南通大学+AvoR1R4R2R3vi2vi1i2i3i1i42.4.3 2

19、.4.3 减法电路减法电路2差动电路实现减法差动电路实现减法当当: :,2RRRR314 则则: :)(i1i214ovvRRv 当当: :4321RRRR 14i1i2odvRRvvvA 放大器的增益为放大器的增益为: :则则: :i1i2ovvv 该电路也称为该电路也称为或或电路电路i114i22323141o)/1/)(vRRvRRRRRRRv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(26南通大学南通大学南通大学1140iVRRv 0vvi1单独作用：单独作用：vi2单独作用：单独作用：（放大）放大） +AR1R4R2R3vi2vi1i2i3i1i42.4.3 2.4.3

20、减法电路减法电路2差动电路实现减法差动电路实现减法或或电路电路i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(方法二：叠加定理方法二：叠加定理27南通大学南通大学南通大学+AR1R4R2R3vi2vi1i2i3i1i4 0v23231410ivRRRRRRv)( 000vvv 结果相同结果相同（放大）放大） 2.4.3 2.4.3 减法电路减法电路方法二：叠加定理方法二：叠加定理vi1单独作用：单独作用：（放大）放大） 2差动电路实现减法差动电路实现减法1140iVRRv 或或电路电路vi2单独作用：单独作用：2323iPvRRRv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(

21、28南通大学南通大学南通大学3加减混合运算电路加减混合运算电路 当表达式为当表达式为加减混合运算加减混合运算时，用以上的加法、时，用以上的加法、减法运算电路减法运算电路结合运用结合运用即可。即可。 前提：设计方便、器件允许、电路工作在前提：设计方便、器件允许、电路工作在线性线性状态状态。2.4.3 2.4.3 减法电路减法电路29南通大学南通大学南通大学- -+ +- -+ +vo1R1R1R2R2RWA2A1vs2vo12s1oW2s1s2o2sRvvRvvRvv 例例2-1.2-1.电路如图示。试证明：电路如图示。试证明：).)(1s2sW212ovvRR2RR1v i1iWi2i3i4解

22、：解：用用KL解（设电流如图）解（设电流如图）整理得：整理得： 对于对于A2，有，有，即：，即：1121222121osWsWovRRvRRvRRRRv ）（30南通大学南通大学南通大学- -+ +- -+ +vo1R1R1R2R2RWA2A1vs2vo例例2-1.2-1.电路如图示。试证明：电路如图示。试证明：).)(1s2sW212ovvRR2RR1v i1iWi2i3i4解：解：用用KL解（设电流如图）解（设电流如图）1121222121osWsWovRRvRRvRRRRv ）（整理得：整理得：11o1sW2s1s21sRvvRvvRv0 A1，有，有，即：，即：1121211)1(sW

23、sWovRRRRvRRv 31南通大学南通大学南通大学- -+ +- -+ +vo1R1R1R2R2RWA2A1vs2vo例例2-1.2-1.电路如图示。试证明：电路如图示。试证明：).)(1s2sW212ovvRR2RR1v i1iWi2i3i4解：解：用用KL解（设电流如图）解（设电流如图）1121222121osWsWovRRvRRvRRRRv ）（1121211)1(sWsWovRRRRvRRv 将将vo1代入代入vo ：)(1sW1212sW1121sW22sW212ovRRRR1vRRRRvRRvRRRR1v ）（得证。得证。)(1s2sW212vvRR2RR1 ）（vo132南通

24、大学南通大学南通大学例例2-22-2在图中，反馈电阻在图中，反馈电阻Rf 由由T型网络代替，设运放为型网络代替，设运放为理想器件，试：理想器件，试： （1）求）求AVF ；- -+ +voR2R3R1AvsR4（2）若）若R1=R2=R3=10K，求使，求使 vo=- -100vs 时的时的R4 之值之值？（3）如不用）如不用T型网络，而直接用型网络，而直接用Rf 作反馈电阻，当作反馈电阻，当AVF= - -100 时，时，Rf =？由此可看出此由此可看出此电电路有什么特点路有什么特点？33南通大学南通大学南通大学i1i2i3i4解解：（设电流如图）（设电流如图）34222oRiiRiv)(

25、)(432322RRRRRi )(432321sRRRRRRv （1）利用虚地、虚断的概念，有：）利用虚地、虚断的概念，有： i2R2= R4 ，i1= soVFvvA 143232RRRRRR 例例2-22-2在图中，反馈电阻在图中，反馈电阻Rf 由由T型网络代替，设运放为型网络代替，设运放为理想器件，试：理想器件，试： （1）求）求AVF ；- -+ +voR2R3R1AvsR434南通大学南通大学南通大学soVFvvA 143232RRRRRR 例例2-22-2在图中，反馈电阻在图中，反馈电阻Rf 由由T型网络代替，设运放为型网络代替，设运放为理想器件，试：理想器件，试： （1）求）求A

26、VF ；- -+ +voR2R3R1AvsR4解解：（2）AVF= - -100，则由上式可得：则由上式可得：R4=0.102k （3）AVF=100时，用时，用Rf 代代T网络，网络， 即反相比例电路：即反相比例电路： AVF= - -100=- -Rf /R1= - -Rf /10k 解得：解得：Rf = 1M （2）若）若R1=R2=R3=10K，求使，求使 vo=- -100vs 时的时的R4 之值之值？（3）如不用）如不用T型网络，而直接用型网络，而直接用Rf 作反馈作反馈电阻，当电阻，当AVF= - -100 时，时，Rf =？由此可看出此电由此可看出此电路有什么路有什么特点？特点

27、？ 特点：用特点：用T型网络代替型网络代替Rf ，可用低值电阻（可用低值电阻（R2、R3、R4）得到高的得到高的AV 。 i1i2i3i435南通大学南通大学南通大学例例2-32-3设设RS1=1k， 设计电路完成运算：设计电路完成运算： 。 解：解： 根据反相和同相电路根据反相和同相电路的特点，采用反相加法的特点，采用反相加法器的形式（器的形式（A2组成反相组成反相器）器）.由电路，写出表达式：由电路，写出表达式：)(2s2Sf1s1Sf1ovRRvRRv - -+ +vo1RfRRA1vs1- -+ +A2vovs2RS1RS2RP2RP1解题思路：解题思路： 根据表达式，先确定根据表达式

28、，先确定电路形式；再由各项系电路形式；再由各项系数确定电路元件参数。数确定电路元件参数。36南通大学南通大学南通大学例例2-32-3设设RS1=1k， 设计电路完成运算：设计电路完成运算： 。 解：解：由电路，写出表达式：由电路，写出表达式：- -+ +vo1RfRRA1vs1- -+ +A2vovs2RS1RS2RP2RP1令：令：Rf /RS1= 4.5 、Rf /RS2= 0.5 ，且已知，且已知RS1=1k， Rf = 4.5k，RS2= 9k。 A1平衡电阻：平衡电阻：RP1=RS1 /RS2 /Rf = 0.75k。 R取取5k，则，则A2的平衡电阻：的平衡电阻：RP2=R/R =

29、 2.5k。 )(2s2Sf1s1Sf1ovRRvRRv 37南通大学南通大学南通大学2.4.4 2.4.4 积分电路积分电路1基本电路：基本电路： 将将反相比例电路中的反相比例电路中的Rf 换成换成C基本积分电路。电容基本积分电路。电容C，具有密，具有密勒效应，故称为勒效应，故称为“密勒积分器密勒积分器”。特点：特点：线性度好线性度好。iCi1 设电流如图示。由虚地、虚断，有：设电流如图示。由虚地、虚断，有：dtdvCiCCdtvdCo)( dtdvCo 1i 1sRv dtvCR1vs1o dtv1s ，=R1C是是积分时间常数。积分时间常数。- -+ +CAvovsR1RP38南通大学南

30、通大学南通大学2.4.4 2.4.4 积分电路积分电路1基本电路：基本电路：iCi1 dtvCR1vs1o dtv1s - -+ +CAvovsR1RP 若电路输入电若电路输入电压压vs为阶跃函数，为阶跃函数，则有：则有：00vsvottVs-Vom-VS dtvCR1vs1o dVCR1t0S1 tCRV1S tVS 可看出，当输入电压为阶跃函数时，在电路线性可看出，当输入电压为阶跃函数时，在电路线性范围内，范围内，输出电压输出电压vo与时间成线性关系与时间成线性关系。39南通大学南通大学南通大学2.4.4 2.4.4 积分电路积分电路1基本电路：基本电路：iCi1 dtvCR1vs1o dtv1s - -+ +CAvovsR1RP 若电路