天津大学模电运算放大器学习教案

1、天津大学天津大学(tin jn d xu)模电运算放大器模电运算放大器第一页，共50页。在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制作在一块硅基片上，构成作在一块硅基片上，构成(guchng)(guchng)特定功能的电子特定功能的电子电路，称为集成电路。简单来说，集成电路是把元器件电路，称为集成电路。简单来说，集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路。和连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器

2、、宽频带电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。集成电路等。引引 言言第1页/共50页第二页，共50页。l模拟模拟(mn)集成电路的集成电路的特点：特点：电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；几十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代； 电容利用电容利用PN结结电容，一般不超过几十结结电容，一般不

3、超过几十pF。需要大。需要大电容时，通常在集成电路电容时，通常在集成电路(jchng-dinl)外部连接。外部连接。不能制电感，级与级之间用直接耦合；不能制电感，级与级之间用直接耦合； 二极管用三极管的发射结代。比如由二极管用三极管的发射结代。比如由NPN型三极管型三极管短路其中一个短路其中一个PN结构成。结构成。第2页/共50页第三页，共50页。运算运算(yn sun)放大器外放大器外形图形图第3页/共50页第四页，共50页。2.1 集成电路集成电路(jchng-dinl)运算放大器运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成集成电路运算放大器的内部组成(z chn)单元单元图图2.1.1

4、集成运算集成运算(yn sun)放大器的内部结构框图放大器的内部结构框图,PNOV V v v v第4页/共50页第五页，共50页。 运算(yn sun)放大器方框图1. 输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响，提高整个电路共模影响，提高整个电路共模(n m)抑制比。抑制比。2. 2. 中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复合管可提高电压增益。载及复合管可提高电压增益。3. 3. 输出级：互补对称功放。输出级：互补对称功放。4. 4. 偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由

5、各种电流偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路组成。源电路组成。第5页/共50页第六页，共50页。表示信表示信号从号从左左( (输输入入(shr)(shr)端端) )向右向右( (输输出端出端) )传输传输的方向。的方向。vNvPvOvNvPvOvN或或v：反相输入：反相输入(shr)端，信号从此端输入端，信号从此端输入(shr)(vP=0)，输出信号和输入输出信号和输入(shr)信号反相。信号反相。vP或或v+：同相输入端同相输入端，信号从此端输入信号从此端输入(vN=0) ，输出信，输出信号和输入信号同相。号和输入信号同相。vO：输出端输出端。图图2.1.2 运算放大器的代表

6、符号运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号）国内外常用符号第6页/共50页第七页，共50页。2. 运算运算(yn sun)放大器的电路模型放大器的电路模型图图2.1.3 运算放大器的电路运算放大器的电路(dinl)模型模型通常：通常： 开环电压开环电压(diny)增益增益 Avo的的105 （很高）（很高） 输入电阻输入电阻 ri 106 （很大）（很大） 输出电阻输出电阻 ro 100 （很小）（很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意输入输出的相位关注意输入输出的相位关系系第7页/共50页第八页，共50页。2. 运算放大器的

7、电路运算放大器的电路(dinl)模型模型当当Avo(vPvN) V 时时 vO V 当当Avo(vPvN) V- -时时 vO V- -电压传输电压传输(chun sh)特特性性 vO f (vPvN)线性范围线性范围(fnwi)内内 vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率第8页/共50页第九页，共50页。输出电压与其两个输入端的电压输出电压与其两个输入端的电压之间存在之间存在(cnzi)线性放大关系，线性放大关系，即即)(odONPuuAu集成运放的工作集成运放的工作(gngzu)区域区域线性区域线性区域(qy)：Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大倍数非线性区域：非线性区域：输出电压只有两

8、种可能的情况：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。uOuP-uN+UOM-UOM第9页/共50页第十页，共50页。例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻输入电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅时输入电压的最小幅(xio f)值值vP-vN=?输入电流输入电流ii=?(2)画出传输特性曲线画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。说明运放的两个区域。

9、图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型第10页/共50页第十一页，共50页。例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益(zngy)Avo=2105,输入电阻输入电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值时输入电压的最小幅值vP-vN=? 输入电流输入电流ii=?图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型解：由解：由/PNOvovvvA当当vo=Vom=12V时时512/(2 10 )60VA PNvv()/iPNiivvr660/

10、(0.6 10 )A 100pA 第11页/共50页第十二页，共50页。例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输输入电阻入电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。 (2)画出传输画出传输(chun sh)特性曲线特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个。说明运放的两个区域。区域。 解：取解：取a点（点（+60V,+12V），）， b点（点（-60V,-12V），连接），连接a、b两点得两点得ab线线段段(xindun)，其斜率，其斜率Avo=2105, vP-vN 60 V，则运放进，则运

11、放进入非线性区。运放的电压传输特性如入非线性区。运放的电压传输特性如图所示。图所示。Avo=2105(+60V,+12V)(-60V,-12V)第12页/共50页第十三页，共50页。2.2 理想理想(lxing)运算放大器运算放大器1. vo的饱和极限值等于的饱和极限值等于(dngy)运放的电源电压运放的电源电压V和和V 2. 运放的开环电压运放的开环电压(diny)增增益很高益很高 若（若（vPvN）0 则则 vO= +Vom=V 若（若（vPvN）0 则则 vO= Vom=V 3. 若若V vO R3时，时，（1）试证明）试证明(zhngmng)Vs( R3R1/R2 ) Im 解（解（1

12、）根据）根据(gnj)虚断有虚断有 I1 =0所以所以(suy) I2 = Is = Vs / R1 例例2.3.3直流毫伏表电路直流毫伏表电路（2）R1R2150k ，R31k ，输，输入信号电压入信号电压Vs100mV时，通过毫时，通过毫伏表的最大电流伏表的最大电流Im(max)？ 又又根据虚短有根据虚短有 Vp = Vn =0R2和和R3相当于并联，所以相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - - Im )所以所以1s332mRVRRRI)( 当当R2 R3时，时，Vs( R3R1/R2 ) Im （2）代入数据计算即可）代入数据计算即可第33页/共50页第三十四页，共50页。2

13、.4 同相输入和反相输入放同相输入和反相输入放大大(fngd)电路的其他应用电路的其他应用2.4.1 求差电路求差电路(dinl)2.4.2 仪用放大器仪用放大器2.4.3 求和求和(qi h)电路电路2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路第34页/共50页第三十五页，共50页。2.4.1 求差电路求差电路(dinl) 从结构上看，它是反相输入从结构上看，它是反相输入(shr)(shr)和同相输入和同相输入(shr)(shr)相结合的放大电路。相结合的放大电路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(当当,2314R

14、RRR 则则)(i1i214ovvRRv 若继续有若继续有,14RR 则则i1i2ovvv 根据根据(gnj)(gnj)虚短、虚断虚短、虚断和和N N、P P点的点的KCLKCL得：得：pnvv 第35页/共50页第三十六页，共50页。2.4.1 求差电路求差电路(dinl)从放大器角度看从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 时，时，2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益增益(zngy)(zngy)为为（该电路也称为（该电路也称为(chn wi)差分电路或减法差分电路或减法电路）电路）第36页/共50页第三十七页，共50页。2.4.1 求差电路求差电路(dinl)一种一种

15、(y zhn(y zhn) )高输入电阻的差分电高输入电阻的差分电路路第37页/共50页第三十八页，共50页。2.4.2 仪用放大器仪用放大器)21(123421ORRRRA vvvv第38页/共50页第三十九页，共50页。2.4.3 求和求和(qi h)电路电路1ni1-Rvv3on-Rvv 根据根据(gnj)(gnj)虚短、虚虚短、虚断和断和N N点的点的KCLKCL得：得：2i231 i13o-vRRvRRv 321RRR 若若0pn vv2ni2-Rvv 则有则有2i1 io-vvv （该电路也称为（该电路也称为(chn wi)加加法电路）法电路）第39页/共50页第四十页，共50页。

16、2.4.3 求和求和(qi h)电路的进一步电路的进一步讨论讨论Vi3-+ARfRVoIfR3I3IdVi2R2I2Vi1I1R18.1.1 求和(qi h)电路00_VVId虚短、虚断)(332211RVRVRVRViiifofIIII321特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出(shch) 的比例关系； 称为支路增益，一般11. 求和电路/fnRR第40页/共50页第四十一页，共50页。2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1. 积分电路积分电路式中，负号式中，负号(f ho)表示表示vO与与vI在相位上是相反在相位上是相反的。的。根据根据(gnj)“(gnj)“虚

17、虚短短”，得，得根据根据(gnj)“(gnj)“虚虚断断”，得，得0NP vv0i i因此因此12ii IvRsC1Ov tRCd1IOvv（积分运算）（积分运算）即即RvvsCvvNIoN1相当于微分相当于积分，其中Ss1第41页/共50页第四十二页，共50页。2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1. 积分电路积分电路根据根据(gnj)“(gnj)“虚虚短短”，得，得根据根据(gnj)“(gnj)“虚虚断断”，得，得0NP vv0i i因此因此21ii 即即cNIiRvvdtdVCiCc又又即即dtdVCdtdVCRvOCI tRCd1IOvv第42页/共50页第四十三页，共50

18、页。2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路当当vI I为阶跃电压时，有为阶跃电压时，有vO与与 t 成线性关系成线性关系 tRCd1IOvvtRCVi tV i 1. 积分电路积分电路第43页/共50页第四十四页，共50页。第44页/共50页第四十五页，共50页。将三角(snjio)波变为正弦波第45页/共50页第四十六页，共50页。tUu sinmI tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可见，输出电压的相位可见，输出电压的相位(xingwi)比输入电压的比输入电压的相位相位(xingwi)领先领先 90 。因此，此时积分电。因此，此时积分电路的作用是移相。路的作用是移相。 tuIOUm 2 3图图 7.2.17第46页/共50页第四十七页，共50页。2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2. 微分电路微分电路tRCddIOvv 根据根据( g n j ) “( g n j ) “ 虚虚短短”，得，得根据根据(gnj)“(gnj)“虚虚断断”，得，得0NP vv0i i因此因此ii 1IRsCvOv即即RvvsCvvoNNI1相当于微分相当于积分，其中Ss1第47页/共50页第四十八页，共50页。uit0