理想运算放大器的分析与应用学习教案

1、会计学1理想运算放大器的分析理想运算放大器的分析(fnx)与应用与应用第一页，共64页。9.1 集成(j chn)运算放的组成及基本特性9.2 运放的线性应用及理想运放模型9.3 基本运算电路9.4 电压比较器9.5 波形发生器(略)9.6 集成(j chn)运放的其他应用电路（略） 小结第1页/共63页第二页，共64页。一、 概述二、集成(j chn)电路的基本结构三、 模拟集成(j chn)运放的典型电路第2页/共63页第三页，共64页。1）通用集成电路 2）模拟信号处理电路3）控制系统(kn zh x tn)专用集成电路，如电机控制电路、可控硅控制电路等.4）通信系统专用集成电路，如电话

2、电路、无线通信电路、交换专用电路等。5）测试系统专用集成电路，ATE电路、信号变换和处理电路等。6）仪器专用电路等。 9.1 集成运算放大器的组成及基本(jbn)特性1. 模拟集成电路(jchng-dinl)分类按照应用领域进行分类：一、 概述第3页/共63页第四页，共64页。按照电路(dinl)的功能进行分类1）运算放大器2）模拟乘法器（除法器）3）对数放大器4）函数发生器5）滤波器6）压控振荡器 7）集成功率放大器8）集成 稳压电源一 、 概 述 ( i sh)(续）9.1 集成运算(yn sun)放大器的组成及基本特性集成电路通用型专用型按照集成电路分类第4页/共63页第五页，共64页。

3、1 集成电路的基本(jbn)结构图 61 集成电路的基本组成结构 输入模块 功能模块 输出模块 电源模块 控制/补偿 模块 保护模块 二 集成电路(jchng-dinl)的基本结构第5页/共63页第六页，共64页。二 集成电路(jchng-dinl)的基本结构(续）2 模拟集成电路(jchng-dinl)组成输入(shr)级中间级输出级偏置电路第6页/共63页第七页，共64页。组成：运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成(j chn)制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。运放(yn fn)组成差放输入(shr)级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U+U-Uo三、 模拟集成运放的典型电路运放旧符

4、号运放国标符号第7页/共63页第八页，共64页。1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个(lin )输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U 表示；另一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U表示。 4.恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流(dinli)，以稳定工作点。 3.低阻输出级：由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负(zhn f)两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。差放输入级中间放大级低阻输出级恒流

5、源偏置U-U+运放组成第8页/共63页第九页，共64页。F007 的电路原理图 +UCC -UCC T3 _ + Ui T1 T2 T4 T9 T8 T7 T6 R1 T5 R2 R3 1k 1k RW R4 T11 T10 R5 39k T13 T12 3k 50k T16 T17 T15 T14 C 30pFR7 4.5k R8 7.5k T19 T18 Uo R9 25 R10 50 D1 D2 输出级 中间级 偏置电路 输入级 外接调零电位器 集成运放F007的电路(dinl)原理第9页/共63页第十页，共64页。2单极型集成(j chn)运放 +UDD -USS T1 T6 R UI

6、 T2 UO T3 T4 T5 C T8 T7 C14573 的电路原理图 第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成(guchng)的电流源为有源负载。 第二级是共源放大电路，以N沟道(u do)管T8为放大管，漏极带有源负载。 第10页/共63页第十一页，共64页。第11页/共63页第十二页，共64页。集成(j chn)运放的性能指标-主要参数如下： 1电源电压2开环差模电压增益AUd3共模(n m)抑制比KCMR4差模输入电阻rid5输入失调电压Uos6输入失调电压的温漂dUos/dT7输入失调电流Ios8输入失调电流的温漂dIos/dT9输入偏置电流IB10最大共

7、摸输入电压Uic,max11最大差模输入电压Uid,max12-3dB带宽13单位增益带宽BWG-fT14转换速率SR(摆率) |duo/dt|max第12页/共63页第十三页，共64页。9.1.3 线性应用及理想(lxing)运放模型一、 线性应用和非线性应用二、理想运放(yn fn)模型第13页/共63页第十四页，共64页。9.1.3 线性应用及理想运放(yn fn)模型运放(yn fn)模型分类按精度(jn d)分类理想模型非理想模型运放宏模型按功能分类直流模型交流小信号模型大信号模型噪声模型第14页/共63页第十五页，共64页。9.1.3 线性应用(yngyng)及理想运放模型（续）运

8、放分析特点：芯片内部分析复杂、外部(wib)特征特征分析简单。运放分析(fnx)内容传输特性(输入与输出信号关系特性)频域特性时域特性温度特性噪声特性主要分析内容第15页/共63页第十六页，共64页。1. 线性应用：运放(yn fn)输入输出成线性关系的应用。闭环应用，如“运算电路”、“有源滤波电路”等。一、 线性应用(yngyng)和非线性应用(yngyng)2. 非线性应用：运放(yn fn)输入输出成非线性关系的应用。开环应用，如比较器。输入输出输入输出电压放大器电压比较器第16页/共63页第十七页，共64页。二、理想(lxing)运放模型1. 理想(lxing)运放的性能1) 开环电压

9、(diny)增益Aud=;2) 输入电阻Rid=;3)输出电阻Ro=0;4)频带宽度F=;5)共模抑制比CMRR=;6)失调、漂移和内部噪声为零。主要条件条件较难满足，可采用专用运放来近似满足。第17页/共63页第十八页，共64页。二、理想运放(yn fn)模型（续）-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)1） 同相端与反相端呈开路状态。2）输出回路(hul)为一受控电压源AUd(U+-U-) ， 由于输出电阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U-)。2.理想运放(yn fn)模型第18页/共63页第十九页，共64页。1、集成(j chn)运算放大器的转移特性:u-u+uouou- -

10、 u+0线性工作范围正饱和负饱和输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），所以(suy)常将特性理想化2、运放线性工作(gngzu)的保障:两输入端的电压必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。集成运算放大器的线性应用运放的输出幅度有限（比电源低 2V左右）;运放的开环电压增益一般 10000;第19页/共63页第二十页，共64页。3. 线性运用状态时主要(zhyo)特征1. 理想运放的同相和反相(fn xin)输入端电流近似为零 ，称虚断。I+=I-02. 理想运放的同相和反相输入端电位近似(jn

11、s)相等 ，称虚短。U+=U-Rid虚断虚短在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。虚地如将运放的同相端接地U+=0，则U-=0,即反相端是一 个不接“地”的“地”，称为“虚地”。虚地点对地的电阻为“0”由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为0，在分析处于线性状态运放时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。U+-U-=Uo/AU0-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。第20页/共63页第二十一页，共64页。4. 饱和(boh)工作状态时特征（非线性工

12、作状态）1) 理想运放(yn fn)的同相和反相输入端电流近似为零2)当U+U-时，Uo为正饱和(boh)值； 当U+UR时，输出(shch)应为负饱和值，Uo为低电平-VOL。UoRoDz当UiUR时，输出(shch)为正饱和值， Uo为高电平VOM。-UOLURUoUiUOM输出电压被限定在（UZ+UD)原理第49页/共63页第五十页，共64页。 t U i 0 (c) 经 RC 微分电路后的输出 Uo波形 t Uo 0 (a) 输入 U i波形 (b) 输出 Uo波形 Uo 0 t (a) (b) VOH VOL 图 6 3 1 过 零 比 较 器 R1 过 零 比 较 器 A - +

13、0 Uo R2 Uo Ui Ui Uid (a)电 路 (b )传 输 特 性 Uo R1 A + Uo Ui DZ (c)带 输 出 限 幅 的 过 零 比 较 器 例: 电路(dinl)如图 (a)所示，当Ui如图 (b)所示时，试画出Uo及Uo 的波形。 图（a) 电路(dinl)图(b) 波形图电路(dinl)一、单门限比较器（续）第50页/共63页第五十一页，共64页。二、迟滞(chzh)比较器-+R1UiR2URUoRf引入正反馈起加速输出电压(diny)变化UoUiUomUonU2U1原理(yunl): 当输出Uo为高电平Uo=Uom时，同相端受到Uom和UR同时作用f2Rff2

14、om21RRURRRURUU 当UiU1时，输出将由高电平Uom跳变到低电平Uon。U1称为上门限电压，也称正向阈值电压。迟滞比较器：具有迟滞回环特性，输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。第51页/共63页第五十二页，共64页。二、迟滞(chzh)比较器（续）-+R1UiR2URUoRfUoUiUomUonU2U1原理(yunl): 当输出Uo为低电平Uo=Uon时，同相端受到Uon和UR同时作用f2Rff2on22RRURRRURUU 当UiU2时，输出将由低电平Uon跳变(tio bin)到高电平Uom 。U2称为下门限电压，也称负向阈值电压。U

15、1第52页/共63页第五十三页，共64页。迟滞(chzh)比较器上门限(mnxin)电压：f2Rff2om21RRURRRURU 下门限(mnxin)电压：f2Rff2on22RRURRRURU 21-UU U 门限宽度：小结：1. 改变基准电压UR可改变上、下门限电压U1、 U2 ， 但不影响门限宽度U。2. 改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响U和 U1、 U2 。3. Uom、Uon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。UoUiUomUonU2U1)-(onomf22UURRR 第53页/共63页第五十四页，共64页。三、比较(bjio)器的特点及应用1. 工作在开环或正反

16、馈状态(zhungti)。2.开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态(zhungti)。3.非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。特点(tdin)：第54页/共63页第五十五页，共64页。应用：比较器主要(zhyo)用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。正弦波变换(binhun)为矩形波三、比较器的特点(tdin)及应用（续）有干扰正弦波变换为方波第55页/共63页第五十六页，共64页。一、矩形波发生电路二、三角波发生电路三、脉冲(michng)和锯齿波发生电路第56页/共63页第五十七页，共64页。一、电压电流变换电路二、RC有源

17、滤波器三、测量放大电路四、单电源(dinyun)供电放大电路五、线性稳压电路第57页/共63页第五十八页，共64页。小 结 集成(j chn)运算放大器本质上是一种多级高增益直流放大器，在外部反馈网络配合下，它的输出与输入之间可以灵活地实现各种特定的函数关系。因而具有对不同信号进行组合、运算和处理等多种功能，可实现各种功能电路。 采用理想模型分析时要掌握理想运放的主要条件： 1. 开环电压增益Aud=; 2. 输入电阻Rid=; 3. 输出电阻Ro=0; 4.频带宽度F=; 5.共模抑制比CMRR=; 6.失调、漂移和内部噪声为零。第58页/共63页第五十九页，共64页。小 结 理想运放有两种

18、工作作态。线性工作状态特点： 1. 理想运放的同相和反相输入(shr)端电流近似为零， I+=I-0。2. 理想运放的同相和反相输入(shr)端电位近似相等， U+=U-饱和工作状态特点：1. 理想运放的同相和反相输入(shr)端电流近似为零， I+=I-0 2. 当U+U-时，Uo为正饱和值； 当U+U-时，Uo为负饱和值。第59页/共63页第六十页，共64页。 闭环运放的两种基本电路1. 反相放大器：它实质上是一个电压并联负反馈放大器， 主要特点(tdin)是反相输入端呈“虚地”。电压增益: AUf-RfRl式中， Rf是反馈电阻，R1是反相输入端电阻。反相放大器的输入电阻rif = R1，输出电阻rof=0。2. 同相放大器：它实质上是一个电压串联负反馈放大器，电压增益: AUf1+RfRl注意：式中Rl是反相端电阻， Rf是反馈电阻。同相放大器的输入电阻rif = ，输出电阻rof=0。小 结第60页/共63页第六十一页，共64页。重点难点重点：运放构成的电路系统分析。难点：理解虚短、虚断和虚地的概念； 理解迟滞(chzh)比较器的工作原理； 理解方波和三角波发生器的