第2章信号运算与处理

1、第第2章章 运算放大器运算放大器2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.2 理想运算放大器理想运算放大器2.3 基本线性运算电路基本线性运算电路(2)1.集成电路：是利用氧化、光刻、扩散、外延、蒸集成电路：是利用氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等集成工艺，将整个电路的各个元件及导线集中铝等集成工艺，将整个电路的各个元件及导线集中制做在一小块半导体基片上，成为不可分割的整体。制做在一小块半导体基片上，成为不可分割的整体。一、集成电路：一、集成电路： 集成电路集成电路是相对是相对分立电路分立电路而言的。而言的。分立电路：分立电路：是由单个元件联接起来的电路。是由单个元件联接起来的电路。2.1

2、集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述(3)工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。按集成度按集成度分为小、中、大、超大规模集成电路（在几分为小、中、大、超大规模集成电路（在几十平方毫米的芯片上制有上百万个元件）十平方毫米的芯片上制有上百万个元件）按功能按功能分为模拟集成电路、数字集成电路。分为模拟集成电路、数字集成电路。2. 集成电路的集成电路的优点优点:3. 集成电路的集成电路的分类分类:模拟集成电路：模拟集成电路：分为分为 集成运算放大器、集成功集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源率放大器、集成稳压电源(4)双列直插式双列直插式圆

3、壳式圆壳式4.4.集成电路成品外形集成电路成品外形(5) 集成运算放大器（运放）是一个高增益的直接集成运算放大器（运放）是一个高增益的直接耦合的多级放大电路。耦合的多级放大电路。输输入入极极中间极中间极输输出出极极偏置电路偏置电路uoui二、集成运算放大器的组成二、集成运算放大器的组成(6) 内部结构内部结构输入级输入级中间级中间级输出级输出级-UEE+UCC u uu uo o u u反相端反相端同相端同相端T3T3T4T4T5T5T1T2IS零点漂移小、零点漂移小、KCMRRKCMRR大、大、 输入阻抗输入阻抗 r ri i大。大。足够大的足够大的电压放大电压放大倍数倍数带负载带负载能力强

4、能力强，输出，输出电流电流i io o足够大足够大，输出，输出阻抗阻抗 r ro o小。小。(7)三、运放的符号三、运放的符号- u u+ uo A0 uiR1RfR2u u：表示同相输入端：表示同相输入端u u：表示反相输入端：表示反相输入端Rf ：反馈电阻构成反馈回路：反馈电阻构成反馈回路R1、R2：输入回路电阻构成辅助电路：输入回路电阻构成辅助电路A0：表示开环电压放大倍数：表示开环电压放大倍数u-u+ uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：(8)四、运放的主要技术指标四、运放的主要技术指标1. 输入失调电压输入失调电压UOS 当输入信号为零时，为使输出为零在输入端加的补偿电压。当

5、输入信号为零时，为使输出为零在输入端加的补偿电压。一般一般0.55mV。2.输入偏置电流输入偏置电流IB=1/2（IB1+IB2） 两个输入端静态基极电流的平均值。两个输入端静态基极电流的平均值。1nA100A3.输入失调电流输入失调电流IOS=IB1-IB2 两输入端静态基极偏流之差的绝对值。两输入端静态基极偏流之差的绝对值。1nA10A4.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 反相与同相输入端之间所能承受的最大电压。反相与同相输入端之间所能承受的最大电压。(9)5.最大共模输入电压最大共模输入电压uicmax 输入端所能承受的最大共模输入电压。若超过它输入端所能承受的最大共模输入电

6、压。若超过它KCMRR显著显著下降，输出不稳定，甚至损坏。下降，输出不稳定，甚至损坏。6.开环电压放大倍数开环电压放大倍数A0=uo/ui=uo/（u+-u-） 运放无反馈时测出的差模电压放大倍数。运放无反馈时测出的差模电压放大倍数。A0越大越好电路越越大越好电路越稳定，运算精度高。稳定，运算精度高。1031067. 额定输出电压额定输出电压Uomax 在不出现非线性失真时，在额定输出电流的条件下的最大输在不出现非线性失真时，在额定输出电流的条件下的最大输出电压。出电压。8.额定输出电流额定输出电流Iomax 在额定电压时，运放能提供的最大输出电流。在额定电压时，运放能提供的最大输出电流。(1

7、0)五、电压传输特五、电压传输特性性uiuo+UOM-UOM AoAo越大，线性越大，线性范围越小，必范围越小，必须加负反馈才须加负反馈才能使其工作于能使其工作于线性区。线性区。)(0uuAuo指输出电压与输入电压的关系曲线指输出电压与输入电压的关系曲线1. 线性区线性区：uo与与ui的函数关系是的函数关系是线性的。线性的。2. 饱和区饱和区正饱和区：正饱和区：uo=UOM+UCC负饱和区：负饱和区：uo=UOMUEE2.2 理想运放的特性理想运放的特性u：表示同相输入端表示同相输入端u：表示反相输入端表示反相输入端Rf ：反馈电阻构成反馈回路反馈电阻构成反馈回路R1、R2：输入回路电阻构成辅

8、助电路输入回路电阻构成辅助电路A0：表示开环电压放大倍数表示开环电压放大倍数一、电路符号一、电路符号二、理想运放主要性能指标二、理想运放主要性能指标 u u+ roA riA（u+-u-）实际运放模型实际运放模型1. 开环输入电阻开环输入电阻 ri 2. 共模抑制比共模抑制比KCMRR 3. 开环输出电阻开环输出电阻ro 04. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 A uu+ uo uiR1RfR2A运放符号运放符号 u u+ roA riA（u+-u-）实际运放模型实际运放模型三、理想运放的特性三、理想运放的特性1.运放的输入电压为零运放的输入电压为零2. 运放的输入电流为零运放的输入电流为零

9、 在深度负反馈的条件下，运放工作在线性区，并具有以下两个特点：在深度负反馈的条件下，运放工作在线性区，并具有以下两个特点：00iiiiiuuu u u+A0（u+-u-）理想运放模型理想运放模型iiii四、虚短虚断的概念四、虚短虚断的概念 0Air0ro000Auuuuiduu0ii输出电压与负载无关，可以分开分析输出电压与负载无关，可以分开分析。虚短路虚短路虚开路虚开路分析依据分析依据 u u+ 反馈电路反馈电路uiduoiiiiOCOLLOLUrRRu(14)uo unup inip理论依据理论依据 un =up in= ip=0 运放分析的理论依据运放分析的理论依据解题依据：解题依据：基

10、尔霍夫定律：基尔霍夫定律：KCL、KVL2.3 基本线性运算电路基本线性运算电路2.3.1 比例运算电路比例运算电路1. 反相比例电路反相比例电路平衡电阻平衡电阻( (使输入端对地的静使输入端对地的静态电阻相等态电阻相等):):R RP P= =R R1 1/R RF F u=u+=0iFoFoiFoiuRRuRuRuRuuRuu111电压放大倍数电压放大倍数:10RRuuAFifii- =0 i1=iFiFuo_+RFR1RPuii1ii-ii+若：若：RF=R1，则：则：Af=1 uo=-ui称为称为反相器反相器ri=R1 （小）小）ro=0u-= u+= uiii+ =0ii- =0Fo

11、iRuuRui10iFouRRu)1 (12.2.同相比例电路同相比例电路输入电阻输入电阻(高高) rif 一般大于一般大于10M输出电阻输出电阻：rof=0R RP P=R=Rf f/R/RF Fuo_+RFR1RPuii1ii-ii+iFFii 111RRuuAFiof当当RF=0时时,Af=1，uo=ui电压跟随器电压跟随器uo_+ui1. 反相求和运算反相求和运算0uuii+ =0ii- =0,虚地虚地i1 + i2= iFuo =-(ui1 R1 RF +ui2 R2 RF )若：若：R1 =R2 =R=RF, 取取RP= R1/ R2/RF2.3.2 加法电路加法电路_+RFR1R

12、2ui2uoRPui1i1i2iFFoiiRuRuRu221121iiouuu则：2. 同相求和运算同相求和运算相当于同相比例运放相当于同相比例运放利用叠加定理求利用叠加定理求当当ui1单独作用时，单独作用时，ui2置零置零1212112121ifFoiuRRRRRuuRRRuuRRufFo11uoRfRFu i1R1R2ui2-u+ +RfRFu i1R1R2u+ uo1+-当当ui2单独作用时，单独作用时，ui1置零置零21221121oooifFouuuuRRRRRu221112121iifFouRRRuRRRRRu当当RF=Rf=R1=R2时时21iiouuuRfRFuo2R1R2ui

13、2+-差动输入方式差动输入方式)(1212iiouuRRuii+ =0ii- =0ui2R2 R1 + R2 u+ =u- = u+ ui2R2 R1 + R2 u- =201121RuuRuuiii22122121221RuRRRuRRRRuuoiii2.3.3 减法电路减法电路_+R2R1R1ui2uoR2ui1i1i2 已知：已知：R1=10k , R2=20k , , ui 1=-1V=-1V，ui 2=1V =1V 。求求: :uo uo1= ui1=-1Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3V例题例题1VuuRRuooo8) 1(310201212uoR2R1R1R2ui1ui2

14、R2R1RP_+_+_+A1A3A2求电压放大倍数求电压放大倍数Af=uo/ui ii+ =0ii- =0,u-= u+=0i1 =iF = i2 +i3uiR1-uFRF=-uFRFuF -uoR2uFR3+uo = - ui R1RF + R2 +RF R2R3R1RF + R2 +RF R2R3A f= 例题例题2_+RFR1RPuiuoi1iFii-ii+R2R3i2 i3uFRP=R1/(RF + R2 /R3)例例3_+ + 10k 20k +5V5k ui20k uo1uo_+ + 20k 20k 10k uo1=-(10/20)(ui+5)=- (ui+5)/2uo=-(20/

15、20)uo1=- uo1 =(ui+5)/2求图示电路输出电压与输入信号的关系求图示电路输出电压与输入信号的关系Ruii1dtduCioFdtuRCuio1Fii 1u-= u+= 0uc = -uoii+ =0ii- =0,iF =Cducdt-CduodtuiR=2.3.4 积分电路积分电路i1iFu i+RRPCuouc 如果如果u i=直流电压直流电压U,输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。toUdtRCu01tui0UMomUTRCU1URCUTomMtuo0-UomTM积分时限积分时限dtuRCuio1= t URC设：设：Uom=1

16、5V ,U=3V , R=10k ,C=1 ,C=1 F F=0.05秒秒电路如图所示，已知：电路如图所示，已知：R=100k，C=10F。当当t=0t1(1s)时，开关时，开关S接接a点；当点；当t=t1(1s)t2(3s)时，开关时，开关S接接b点；点；而当而当tt2(3s)后，开关后，开关S接接c点。已知运算放大器电源电点。已知运算放大器电源电压压UCC=|-UEE|=15V，初始电压初始电压uC(0)=0,试画出输出电压试画出输出电压uC(0)的波形图。的波形图。 R15V15VC10100kuoSabcE12VE23V例例4解解(1)因为初始电压为零因为初始电压为零(uC(0)=0)

17、，在在t=01s间，开关间，开关S接地，接地，所以所以uo=0。 (2)在在t=13s间，开关间，开关S接接b点，电容点，电容C充电充电,充电电流充电电流 mkVREiC02. 010021 输出电压从零开始线性下降。输出电压从零开始线性下降。当当t=3s时时:VsFVttRCEdtERCtutto421010102)(1)(65121121R15V15VC10100kuoSabcE12VE23V (3) 在在t3s后，后，S接接c点，电容点，电容C放电后被反充电，放电后被反充电，uo从从-4V开开始线性上升，一直升至电源电压始线性上升，一直升至电源电压UCC就不再上升了。那么升就不再上升了。那么升到电源电压到电源电压(+15V)所对应的时间所对应的时间tx是多