模電第2章(4學時)

1、1南通大學南通大學南通大學2南通大學南通大學南通大學集成電路運算放大器集成電路運算放大器2.12.1理想運算放大器理想運算放大器2.22.2基本線性運放電路基本線性運放電路2.32.3基本運算電路基本運算電路2.42.4本章重點本章重點實例仿真實例仿真3南通大學南通大學南通大學第二章運算放大器第二章運算放大器2.1 2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器 功能強、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等。功能強、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等。 可分可分和和。 可分可分和和。 4南通大學南通大學南通大學1集成運放的特點和符號集成運放的特點和符號 主要是由主要是由直接耦合高放大倍數(shù)放大器直接

2、耦合高放大倍數(shù)放大器組成。組成。 運放運放種類多、用途廣，功能及性能指標差異大。種類多、用途廣，功能及性能指標差異大。 電壓放大倍數(shù)大（高增益）、輸入電阻高、電壓放大倍數(shù)大（高增益）、輸入電阻高、 輸出電阻低、抗共模信號能力強。輸出電阻低、抗共模信號能力強。 2.1 2.1 集成電路運算放大集成電路運算放大器器慣用：慣用：國標：國標：國標：國標：(理想理想)- -+ +vovNvPvovNvP- -+ +A+ +vovNvP- -+ + +5南通大學南通大學南通大學1集成運放的特點和符號集成運放的特點和符號2.1 2.1 集成電路運算放大集成電路運算放大器器慣用：慣用：- -+ +vovNvP

3、反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端vO 15V：開環(huán)增：開環(huán)增益；很高益；很高6南通大學南通大學南通大學1集成運放的特點和符號集成運放的特點和符號2.1 2.1 集成電路運算放大集成電路運算放大器器： 若以同相端為參考點，信號從反相端輸入，則輸出若以同相端為參考點，信號從反相端輸入，則輸出信號與輸入信號相位相反；信號與輸入信號相位相反； ： 若以反相端為參考點，信號從同相端輸入，則輸出若以反相端為參考點，信號從同相端輸入，則輸出信號與輸入信號相位相同。信號與輸入信號相位相同。同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端vO 15V：開環(huán)增：開環(huán)增益；很高益；很高反相輸入端反相輸入端7南通

4、大學南通大學南通大學2.1 2.1 集成電路運算放大集成電路運算放大器器2集成運放的電路結(jié)構(gòu)和模型集成運放的電路結(jié)構(gòu)和模型（1 1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)直流偏置電路直流偏置電路電壓中間電壓中間放大級放大級 特點：特點：輸入級一般均采輸入級一般均采用用電路、電路、且且為為方式等。方式等。差差放放輸輸入入級級vNvPvo功放輸出級功放輸出級8南通大學南通大學南通大學2.1 2.1 集成電路運算放大集成電路運算放大器器2集成運放的電路結(jié)構(gòu)和模型集成運放的電路結(jié)構(gòu)和模型（2）電路模型電路模型RiRoAvo(vP-vN)PvPvovNNV+V- - 運放的電運放的電壓傳輸特性壓傳輸特性曲線？曲線？9南通大

5、學南通大學南通大學2.1 2.1 集成電路運算放大集成電路運算放大器器電壓傳遞函數(shù)：電壓傳遞函數(shù)：NPoioVAvvvvv 通常：通常：V- -vo V+ 當當AV(vP - - vN)v AV(vP - - vN)v 電壓傳輸特性曲線：電壓傳輸特性曲線：線性范圍線性范圍0voviV+V- -非線性范圍非線性范圍非線性范圍非線性范圍 非線性區(qū)又稱為非線性區(qū)又稱為限幅區(qū)限幅區(qū)。3運放的電壓傳輸特性曲線：運放的電壓傳輸特性曲線：10南通大學南通大學南通大學2.2 2.2 理想運算放大器理想運算放大器 幾個重要假設(shè)幾個重要假設(shè) 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益AVo=； 差模輸入電阻差模輸入電阻Ri

6、d=； 輸出電阻輸出電阻Ro=0； 另有：另有： 開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬BW=； 共模抑制比共模抑制比KCMR=（即（即vN= vP時，時，vo= 0）；）； 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR=； 失調(diào)參數(shù)失調(diào)參數(shù)VIo、IIo、及其溫漂系數(shù)均為零。、及其溫漂系數(shù)均為零。11南通大學南通大學南通大學2.2 2.2 理想運算放大器理想運算放大器（1） 由假設(shè)，由假設(shè)，運放可視為理想器件，運放可視為理想器件，且理想運放工作在線性狀態(tài)。且理想運放工作在線性狀態(tài)。（2）由此可引申出由此可引申出。便于分析、運算。便于分析、運算。此概念只能在線性狀態(tài)下使用，此概念只能在線性狀態(tài)下使用，例：例：設(shè)：設(shè)：AVO=100dB（1

7、05）、）、Rid=1M，當，當vO = 10V時：時： vid= vo /AVO=10V/ 105=0.0001V很小，很小，； iid = vid /Rid =0.0001V/1M = 1010A 很小，很小，。（3）當運放當運放同相端接地同相端接地時，反相端稱為時，反相端稱為“虛地虛地”。AVo=Rid=12南通大學南通大學南通大學2.3 2.3 基本線性運放電路基本線性運放電路基本應用：基本應用：信號運算信號運算和處理和處理。 運算：運算：比例、加減、乘除、積分、比例、加減、乘除、積分、 微分、對數(shù)反對數(shù)（指數(shù)）等。微分、對數(shù)反對數(shù)（指數(shù)）等。 信號處理信號處理：有源濾波、精密二極管整

8、流、電壓比較器、有源濾波、精密二極管整流、電壓比較器、 采樣保持電路等。采樣保持電路等。13南通大學南通大學南通大學2.3 2.3 基本線性運放電路基本線性運放電路運算電路的兩種基本形式運算電路的兩種基本形式： 輸入輸入信號由運放的同相端進入。信號由運放的同相端進入。同相放大電路同相放大電路- -+ +vivoAZ1Zf反相放大電路反相放大電路- -+ +vivoAZ1Zf輸入輸入信號由運放的反相端進入。信號由運放的反相端進入。14南通大學南通大學南通大學2.4 2.4 基本運算電路基本運算電路2.4.1 2.4.1 比例電路比例電路1反相比例電路反相比例電路ifi1 虛地虛地: vN vP

9、= 0； 虛斷虛斷: 有有i1if，所以：，所以：foPPiRRvvvv 1輸入、輸出符合輸入、輸出符合“比例比例”關(guān)系，其系數(shù)為關(guān)系，其系數(shù)為Rf /R1（可（可1，=1）；）；輸出反相輸出反相（負號特征）；（負號特征）； Ri小小。 若若R1=Rf ，電路稱為，電路稱為“反相器反相器”或或“反號器反號器”。ifoRRvv1 - -+ +vivoAR1Rf電壓放大倍數(shù)就是電路的比例系數(shù)。電壓放大倍數(shù)就是電路的比例系數(shù)。ifoRRvv1 foiRRvv 115南通大學南通大學南通大學2.4 2.4 基本運算電路基本運算電路2.4.1 2.4.1 比例電路比例電路1反相比例電路反相比例電路2同相

10、比例電路同相比例電路 虛短，虛短，vi = vPvN 虛斷，有虛斷，有i1if ，所以：，所以：- -+ +vivoAR1Rfi1if- -+ +vivoAR1RfifoRRvv1 ifi1vffNivvv ifoRRvv)(11 ofRRRv 1116南通大學南通大學南通大學2.4 2.4 基本運算電路基本運算電路2.4.1 2.4.1 比例電路比例電路1反相比例電路反相比例電路2同相比例電路同相比例電路 虛短，虛短，vi = vPvN 虛斷，有虛斷，有i1if ，所以：，所以：fPoPRRv-vv 1輸入輸出電壓符合輸入輸出電壓符合“比例比例”關(guān)系，比例系數(shù)為：關(guān)系，比例系數(shù)為： 1+Rf

11、 /R1（1），輸出同相。），輸出同相。ifoRRvv)(11 - -+ +vivoAR1Rfi1if- -+ +vivoAR1RfifoRRvv1 ifi1vfifoRRvv)(11 fioiRRv-vv 1fiifoRRRvvv 117南通大學南通大學南通大學2.4 2.4 基本運算電路基本運算電路2.4.1 2.4.1 比例電路比例電路1反相比例電路反相比例電路2同相比例電路同相比例電路- -+ +vivoAR1Rfi1if- -+ +vivoAR1RfifoRRvv1 ifi1vfifoRRvv)(11 若若R1，則：，則： 電路稱為電路稱為“電壓跟隨器電壓跟隨器”。 （Rf 也可為零

12、）也可為零）- -+ +vivoARf 電壓跟隨器為深度（全）負電壓跟隨器為深度（全）負反饋反饋Ri和和 Ro0， 作用：作用：或或。18南通大學南通大學南通大學2.4 2.4 基本運算電路基本運算電路2.4.1 2.4.1 比例電路比例電路1反相比例電路反相比例電路2同相比例電路同相比例電路若若R1，則：，則： 電路稱為電路稱為“電壓跟隨器電壓跟隨器”。 （Rf 也可為零）也可為零） 電壓跟隨器為深度（全）負電壓跟隨器為深度（全）負反饋反饋Ri和和 Ro0， 作用：作用：或或。10VvS+RS99kRL 1k+vO0.1V- -+ +vivoA10V輸出很小輸出很小 插入電壓跟隨插入電壓跟隨

13、器后：器后：vo=vs19南通大學南通大學南通大學 可使兩個輸入回路的參數(shù)對稱，提高運算精度，即：可使兩個輸入回路的參數(shù)對稱，提高運算精度，即：由運放輸入兩端向輸入方向看，對地的等效直流電阻應由運放輸入兩端向輸入方向看，對地的等效直流電阻應盡量相等盡量相等。平衡電阻的數(shù)值為：平衡電阻的數(shù)值為：RP= RN 。RN的計算方法：的計算方法：將輸入端各支路中的輸入電壓置零，將輸入端各支路中的輸入電壓置零，求求等效直流電阻等效直流電阻。- -+ +vivoAZ1ZfRPvi2.4 2.4 基本運算電路基本運算電路2.4.1 2.4.1 比例電路比例電路3平衡電阻平衡電阻20南通大學南通大學南通大學3平

14、衡電阻平衡電阻2.4 2.4 基本運算電路基本運算電路2.4.1 2.4.1 比例電路比例電路例：反相電路：例：反相電路：RP= R1 /Rf 同相電路：同相電路：RP= R1 /Rf （1）平衡電阻的接入基本）平衡電阻的接入基本不會影響電路的動態(tài)指標不會影響電路的動態(tài)指標。（2）平衡電阻并非一定要接，主要看對電路的要求。）平衡電阻并非一定要接，主要看對電路的要求。 通常，通常，要求不高要求不高或或高阻型的運放電路可不接高阻型的運放電路可不接。- -+ +vivoAR1Rf- -+ +vivoAR1Rf21南通大學南通大學南通大學2.4.2 2.4.2 加法電路加法電路1反相加法電路反相加法電

15、路 特點特點： 反相多端輸入。反相多端輸入。 由虛地、虛斷得：由虛地、虛斷得：i1+i2= if ，即：，即：fo22s11sRvRvRv ）（整理得：整理得：2211RvRvRvssfo 當當R1=R2=Rf 時，上式為：時，上式為：輸入輸出電壓實現(xiàn)了輸入輸出電壓實現(xiàn)了“加法加法”關(guān)系；關(guān)系；輸出反相輸出反相 。 若要去除負號，可在輸出再加一級反相器；若若要去除負號，可在輸出再加一級反相器；若輸入輸入信號中有一負值，則電路實現(xiàn)的是信號中有一負值，則電路實現(xiàn)的是“減法減法”。 平衡電阻平衡電阻：RP=R1 /R2 /Rf 。- -+ +voAR2Rfvs1R1vs2ifi1i222南通大學南通

16、大學南通大學2.4.2 2.4.2 加法電路加法電路1反相加法電路反相加法電路 特點特點： 反相多端輸入。反相多端輸入。 由虛地、虛斷得：由虛地、虛斷得：i1+i2= if ，fo22s11sRvRvRv ）（整理得：整理得：2211RvRvRvssfo - -+ +voAR2Rfvs1R1vs2ifi1i2 如要實現(xiàn)如要實現(xiàn)，由于虛地的作用，只需并上一，由于虛地的作用，只需并上一條輸入支路即可：條輸入支路即可： vo=- -(vs1+vs2+vs3) （當（當R1=R2=R3=Rf 時）時） 多項加法以此類推。多項加法以此類推。 if 不能過大，以防電路進入非線性狀態(tài)。不能過大，以防電路進入

17、非線性狀態(tài)。vs3R3i323南通大學南通大學南通大學2.4.3 2.4.3 減法電路減法電路1利用反相信號求和來實現(xiàn)減法運算利用反相信號求和來實現(xiàn)減法運算 原理原理由反相器、反相加法器實現(xiàn)減法。由反相器、反相加法器實現(xiàn)減法。 例：例：求求vO= vS1- -vS2 . vo= - -(vs2- -vs1) = - -vs2+(- -vs1)， 實現(xiàn)電路如下：實現(xiàn)電路如下： 電路中，電路中，A1構(gòu)成反相器，構(gòu)成反相器，vO1= - -vS1，A2構(gòu)成反相構(gòu)成反相加法器。加法器。- -+ +A1R2R1vS1R1vS2vO1- -+ +vOA2R2R224南通大學南通大學南通大學 反相輸入和同相

18、輸入反相輸入和同相輸入相結(jié)合相結(jié)合的放大電路。的放大電路。4on1ni1RvvRvv 30RvRvvp2pi2 i114i2323141ovRRvRRRRRRv )( 根據(jù)根據(jù)和和的的KCL得：得：pn= vv+AvoR1R4R2R3vi2vi1i2i3i1i42.4.3 2.4.3 減法電路減法電路2差動電路實現(xiàn)減法差動電路實現(xiàn)減法 電路構(gòu)成：電路構(gòu)成： 電路工作在線性狀態(tài)，電路工作在線性狀態(tài)，可用可用: 方法一：方法一： KL定律定律 方法二：疊加定理方法二：疊加定理方法一：方法一： KL定律定律25南通大學南通大學南通大學+AvoR1R4R2R3vi2vi1i2i3i1i42.4.3 2

19、.4.3 減法電路減法電路2差動電路實現(xiàn)減法差動電路實現(xiàn)減法當當: :,2RRRR314 則則: :)(i1i214ovvRRv 當當: :4321RRRR 14i1i2odvRRvvvA 放大器的增益為放大器的增益為: :則則: :i1i2ovvv 該電路也稱為該電路也稱為或或電路電路i114i22323141o)/1/)(vRRvRRRRRRRv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(26南通大學南通大學南通大學1140iVRRv 0vvi1單獨作用：單獨作用：vi2單獨作用：單獨作用：（放大）放大） +AR1R4R2R3vi2vi1i2i3i1i42.4.3 2.4.3

20、減法電路減法電路2差動電路實現(xiàn)減法差動電路實現(xiàn)減法或或電路電路i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(方法二：疊加定理方法二：疊加定理27南通大學南通大學南通大學+AR1R4R2R3vi2vi1i2i3i1i4 0v23231410ivRRRRRRv)( 000vvv 結(jié)果相同結(jié)果相同（放大）放大） 2.4.3 2.4.3 減法電路減法電路方法二：疊加定理方法二：疊加定理vi1單獨作用：單獨作用：（放大）放大） 2差動電路實現(xiàn)減法差動電路實現(xiàn)減法1140iVRRv 或或電路電路vi2單獨作用：單獨作用：2323iPvRRRv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(

21、28南通大學南通大學南通大學3加減混合運算電路加減混合運算電路 當表達式為當表達式為加減混合運算加減混合運算時，用以上的加法、時，用以上的加法、減法運算電路減法運算電路結(jié)合運用結(jié)合運用即可。即可。 前提：設(shè)計方便、器件允許、電路工作在前提：設(shè)計方便、器件允許、電路工作在線性線性狀態(tài)狀態(tài)。2.4.3 2.4.3 減法電路減法電路29南通大學南通大學南通大學- -+ +- -+ +vo1R1R1R2R2RWA2A1vs2vo12s1oW2s1s2o2sRvvRvvRvv 例例2-1.2-1.電路如圖示。試證明：電路如圖示。試證明：).)(1s2sW212ovvRR2RR1v i1iWi2i3i4解

22、：解：用用KL解（設(shè)電流如圖）解（設(shè)電流如圖）整理得：整理得： 對于對于A2，有，有，即：，即：1121222121osWsWovRRvRRvRRRRv ）（30南通大學南通大學南通大學- -+ +- -+ +vo1R1R1R2R2RWA2A1vs2vo例例2-1.2-1.電路如圖示。試證明：電路如圖示。試證明：).)(1s2sW212ovvRR2RR1v i1iWi2i3i4解：解：用用KL解（設(shè)電流如圖）解（設(shè)電流如圖）1121222121osWsWovRRvRRvRRRRv ）（整理得：整理得：11o1sW2s1s21sRvvRvvRv0 A1，有，有，即：，即：1121211)1(sW

23、sWovRRRRvRRv 31南通大學南通大學南通大學- -+ +- -+ +vo1R1R1R2R2RWA2A1vs2vo例例2-1.2-1.電路如圖示。試證明：電路如圖示。試證明：).)(1s2sW212ovvRR2RR1v i1iWi2i3i4解：解：用用KL解（設(shè)電流如圖）解（設(shè)電流如圖）1121222121osWsWovRRvRRvRRRRv ）（1121211)1(sWsWovRRRRvRRv 將將vo1代入代入vo ：)(1sW1212sW1121sW22sW212ovRRRR1vRRRRvRRvRRRR1v ）（得證。得證。)(1s2sW212vvRR2RR1 ）（vo132南通

24、大學南通大學南通大學例例2-22-2在圖中，反饋電阻在圖中，反饋電阻Rf 由由T型網(wǎng)絡代替，設(shè)運放為型網(wǎng)絡代替，設(shè)運放為理想器件，試：理想器件，試： （1）求）求AVF ；- -+ +voR2R3R1AvsR4（2）若）若R1=R2=R3=10K，求使，求使 vo=- -100vs 時的時的R4 之值之值？（3）如不用）如不用T型網(wǎng)絡，而直接用型網(wǎng)絡，而直接用Rf 作反饋電阻，當作反饋電阻，當AVF= - -100 時，時，Rf =？由此可看出此由此可看出此電電路有什么特點路有什么特點？33南通大學南通大學南通大學i1i2i3i4解解：（設(shè)電流如圖）（設(shè)電流如圖）34222oRiiRiv)(

25、)(432322RRRRRi )(432321sRRRRRRv （1）利用虛地、虛斷的概念，有：）利用虛地、虛斷的概念，有： i2R2= R4 ，i1= soVFvvA 143232RRRRRR 例例2-22-2在圖中，反饋電阻在圖中，反饋電阻Rf 由由T型網(wǎng)絡代替，設(shè)運放為型網(wǎng)絡代替，設(shè)運放為理想器件，試：理想器件，試： （1）求）求AVF ；- -+ +voR2R3R1AvsR434南通大學南通大學南通大學soVFvvA 143232RRRRRR 例例2-22-2在圖中，反饋電阻在圖中，反饋電阻Rf 由由T型網(wǎng)絡代替，設(shè)運放為型網(wǎng)絡代替，設(shè)運放為理想器件，試：理想器件，試： （1）求）求A

26、VF ；- -+ +voR2R3R1AvsR4解解：（2）AVF= - -100，則由上式可得：則由上式可得：R4=0.102k （3）AVF=100時，用時，用Rf 代代T網(wǎng)絡，網(wǎng)絡， 即反相比例電路：即反相比例電路： 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 時的時的R4 之值之值？（3）如不用）如不用T型網(wǎng)絡，而直接用型網(wǎng)絡，而直接用Rf 作反饋作反饋電阻，當電阻，當AVF= - -100 時，時，Rf =？由此可看出此電由此可看出此電路有什么路有什么特點？特點

27、？ 特點：用特點：用T型網(wǎng)絡代替型網(wǎng)絡代替Rf ，可用低值電阻（可用低值電阻（R2、R3、R4）得到高的得到高的AV 。 i1i2i3i435南通大學南通大學南通大學例例2-32-3設(shè)設(shè)RS1=1k， 設(shè)計電路完成運算：設(shè)計電路完成運算： 。 解：解： 根據(jù)反相和同相電路根據(jù)反相和同相電路的特點，采用反相加法的特點，采用反相加法器的形式（器的形式（A2組成反相組成反相器）器）.由電路，寫出表達式：由電路，寫出表達式：)(2s2Sf1s1Sf1ovRRvRRv - -+ +vo1RfRRA1vs1- -+ +A2vovs2RS1RS2RP2RP1解題思路：解題思路： 根據(jù)表達式，先確定根據(jù)表達式

28、，先確定電路形式；再由各項系電路形式；再由各項系數(shù)確定電路元件參數(shù)。數(shù)確定電路元件參數(shù)。36南通大學南通大學南通大學例例2-32-3設(shè)設(shè)RS1=1k， 設(shè)計電路完成運算：設(shè)計電路完成運算： 。 解：解：由電路，寫出表達式：由電路，寫出表達式：- -+ +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平衡電阻：平衡電阻：RP1=RS1 /RS2 /Rf = 0.75k。 R取取5k，則，則A2的平衡電阻：的平衡電阻：RP2=R/R =

29、 2.5k。 )(2s2Sf1s1Sf1ovRRvRRv 37南通大學南通大學南通大學2.4.4 2.4.4 積分電路積分電路1基本電路：基本電路： 將將反相比例電路中的反相比例電路中的Rf 換成換成C基本積分電路。電容基本積分電路。電容C，具有密，具有密勒效應，故稱為勒效應，故稱為“密勒積分器密勒積分器”。特點：特點：線性度好線性度好。iCi1 設(shè)電流如圖示。由虛地、虛斷，有：設(shè)電流如圖示。由虛地、虛斷，有：dtdvCiCCdtvdCo)( dtdvCo 1i 1sRv dtvCR1vs1o dtv1s ，=R1C是是積分時間常數(shù)。積分時間常數(shù)。- -+ +CAvovsR1RP38南通大學南

30、通大學南通大學2.4.4 2.4.4 積分電路積分電路1基本電路：基本電路：iCi1 dtvCR1vs1o dtv1s - -+ +CAvovsR1RP 若電路輸入電若電路輸入電壓壓vs為階躍函數(shù)，為階躍函數(shù)，則有：則有：00vsvottVs-Vom-VS dtvCR1vs1o dVCR1t0S1 tCRV1S tVS 可看出，當輸入電壓為階躍函數(shù)時，在電路線性可看出，當輸入電壓為階躍函數(shù)時，在電路線性范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，輸出電壓輸出電壓vo與時間成線性關(guān)系與時間成線性關(guān)系。39南通大學南通大學南通大學2.4.4 2.4.4 積分電路積分電路1基本電路：基本電路：iCi1 dtvCR1vs1o dtv1s - -+ +CAvovsR1RP 若電路