第2章 理想運算放大器及其運算電路

1、整理ppt第二章第二章 理想運算放大器及其運算電路理想運算放大器及其運算電路2.1 2.1 比例電路比例電路2.2 2.2 基本運算電路基本運算電路2.3 2.3 對數(shù)和反對數(shù)電路對數(shù)和反對數(shù)電路2.4 2.4 集成模擬乘法器集成模擬乘法器2.5 2.5 有源濾波器有源濾波器整理pptu-u+ uo同相輸入端同相輸入端反相輸入端反相輸入端輸出端輸出端VVVo+A+-uuu預(yù)備知識預(yù)備知識整理ppt+_+_+vNvPAvovIdrori理想運算放大器的等效電路iIvo整理ppt1. 運放的電壓傳輸特性：運放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運放的運放的Aod=104Ui1

2、mV時，運放處于線性區(qū)。時，運放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當當Aod 時，線性區(qū)時，線性區(qū)0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui集成運放的兩種工作狀態(tài)集成運放的兩種工作狀態(tài)整理ppt2.理想運算放大器：理想運算放大器：開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod=差摸輸入電阻差摸輸入電阻 Rid=輸出電阻輸出電阻 Ro=0為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：理想運放工作在線性區(qū)的條件：理想運放工

3、作在線性區(qū)的條件： 電路中有負反饋！電路中有負反饋！運放工作在線性區(qū)的分析方法：運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（虛短（u+=u-）虛斷（虛斷（ii+=ii-=0）3. 線性區(qū)線性區(qū)uu+A+RiiRuu+ffoi11整理ppt4. 非線性區(qū)（正、負飽和狀態(tài)）非線性區(qū)（正、負飽和狀態(tài)）運放工作在非線性區(qū)的條件：運放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！電路開環(huán)工作或引入正反饋！VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui整理ppt2.1 比例運算電路比例運算電路一一. 反相比例運算反相比例運算虛地點虛地點i1=if （虛斷）（虛斷）因為有負反饋，因為有負反饋，利用虛短和

4、虛斷利用虛短和虛斷u+ =0 u=u+=0（虛地）（虛地）反饋方式：反饋方式：電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋uu+A+RiiRuu+ffoi11電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù):1fioRRuuAfo1iRuRu 整理ppt例題例題1. R1=10k , Rf=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo 、Ri。說明說明R0的作用，的作用， R0應(yīng)為多大？應(yīng)為多大？特點：特點：共模輸入電壓共模輸入電壓=0（u=u+=0）缺點：缺點：輸入電阻?。ㄝ斎腚娮栊。?Ri=R1） R0為平衡電阻為平衡電阻(使輸使輸入端對地的靜態(tài)電阻入端對地的靜態(tài)電阻相等相等):R0=R1/Rfuu+A+RiiRuu

5、+ffoi110R210201fuRRAV2) 1)(2(iuouAu1iRR 整理ppt采用采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路目的：在高比例系數(shù)時，避免目的：在高比例系數(shù)時，避免R1阻阻值太小，使輸入電阻太小。值太小，使輸入電阻太小。112Ruiii 3322RiRi 又又1322323RuRRiRRii 44220RiRiu )/1(342142RRRRRRAu 分析：分析：u+=u-=0（虛短）（虛短） i1=i2 （虛斷）（虛斷）uu+A+oi1R2R4RR31ii24ii343221)(RiiRRui 4132121)(RRuRRRuRRuiii 整理ppt二二.

6、 同相比例運算電路同相比例運算電路u-= u+= uii1=if （虛斷）虛斷）平衡電阻平衡電阻R=Rf/R1foi1i0RuuRu 因為有負反饋，因為有負反饋，利用虛短和虛斷利用虛短和虛斷反饋方式：反饋方式：電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋uu+A+ouu+fiRf1iR1Ri特點：特點：輸入電阻高輸入電阻高缺點：缺點：共模輸入電壓共模輸入電壓0（u=u+=ui）電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù):1fio1RRuuA整理pptAu=1三三.電壓跟隨器電壓跟隨器此電路是同相比此電路是同相比例運算的特殊情況，例運算的特殊情況，輸入電阻大，輸出輸入電阻大，輸出電阻小。電阻小。在電路中在電路中作用與分立元件的作

7、用與分立元件的射極輸出器相同，射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能但是電壓跟隨性能好。好。uuo+uA+uiui=u+= u-= uo因為有負反饋，因為有負反饋，利用虛短和虛斷：利用虛短和虛斷：整理ppt1. 反相加法器：反相加法器：若若R1 =R2 =R, 平衡電阻平衡電阻R0= R1/ R2/Rf0 uui1 + i2= if2.2 基本運算電路基本運算電路一一. 加法運算電路加法運算電路uuu0u2RAfofRi2+i+i2uR+i1Ri11虛地虛地fo2i21i1RuRuRu )(i22fi11fouRRuRRu )(i2i1fouuRRu 整理ppt2. 同相求和運算：同相求和運算：當當

8、R1 = R2 = Rf = R時時, uuuuRi1RRf+i1A+ofiu+i2R12uu+A+ouu+fifRRRii112i2111i212)()(uRRRuRRRu )()(1(2i2111i212fouRRRuRRRRRuAuu 2ioi1uuu 同相比例運算同相比例運算:ifo)1 (uRRu整理ppt二二. 減法運算電路減法運算電路1、利用加法器和反相比例器、利用加法器和反相比例器)(i22fi11fuRRuRRuo i11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo uuu0fuuRi1RRoiA+1+R2fAR+uu+Ri2uO A/2R整理ppt疊加原理疊加

9、原理2、差動減法器、差動減法器 ui1作用作用i11fuRRuo ui2作用作用i22331f)1(uRRRRRuo 綜合：綜合：i22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo 231fRRRR 若若uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2uuuu3Rf+i1+12RRoARuuuR+ufA+o1RR2i2R+3uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2)(i1i21fuuRRuo則有：則有：整理pptRuii 虛虛地地tiCuud1CCO 1. 積分電路積分電路三三. 積分和微分電路積分和微分電路tuRCd1i uu+oiiAC+iR1RCuC整理ppt反相積分器：反相積分器：如果

10、如果u i=直流電壓直流電壓,輸出將反相積分，經(jīng)輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。過一定的時間后輸出飽和。tui0tuo0-UomTM積分時間積分時間設(shè)設(shè)Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1 FtuRCud1io tuRCi1 求積到飽和值的時間：求積到飽和值的時間：MiOM1TuRCU s05. 0iOMM uRCUT整理ppt練習(xí)練習(xí): : 畫出在給定輸畫出在給定輸入波形作用下積分器入波形作用下積分器的輸出波形。的輸出波形。uu+oiA+iR1RCiCCutui0212345tuo0-2-4-6整理ppt應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三

11、角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCu整理ppt2. 微分電路：微分電路：u-= u+= 0Riu OdtduCiiC Cii dtduRCuio uuo1CRAi+R+iiC整理ppt)90sin( tRC tRCuo cos tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio 90uuo1CRAi+R+iiC整理pptDOuu Ruiii dTD/SDeuuIi SdTDlnIiuu 一一. 對數(shù)電路對數(shù)電路2.3 對數(shù)和反對數(shù)運算電路對數(shù)和反對數(shù)運算電路SiTSdTlnlnRIuuIiu 利用利用PN結(jié)的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算結(jié)的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算uuD

12、+A+idRi1ioR整理pptBJT的發(fā)射結(jié)有的發(fā)射結(jié)有BEOuu 注意：注意：ui必須大于必須大于零，電路的輸出電零，電路的輸出電壓小于壓小于0.7V利用虛短和虛斷，有利用虛短和虛斷，有RuiiiC TBETBEe)e (SSECuuuuIIii RIuuSiTln 用三極管實現(xiàn)對數(shù)運算用三極管實現(xiàn)對數(shù)運算SCTBElnIiuu SCTlnIiu uu+1+AoTiRiic整理pptRiiRudO 二二. 反對數(shù)（反對數(shù)（指數(shù)指數(shù)）電路）電路T/SieuuRI Ti1SlnuuRI uuD+A+iRRdoii整理pptuO是是ui的反對數(shù)運算（指數(shù)運算）的反對數(shù)運算（指數(shù)運算）用三極管實現(xiàn)

13、反對數(shù)運算電路用三極管實現(xiàn)反對數(shù)運算電路BEiuu 利用虛短和虛斷，電路有利用虛短和虛斷，電路有要求要求V7 . 0BEi uuTieSOuuRIu RiuFO TBEeSEFuuIii 以上兩個電路溫漂很嚴重，實際電路都有溫度補償電路以上兩個電路溫漂很嚴重，實際電路都有溫度補償電路uu+TA+R4iifieo整理ppt 基本原理 三. 對數(shù)反對數(shù)型模擬乘法器)ln(lnlnyxyxuuuuyxeeuu uuu對對數(shù)數(shù)運運算算X對對數(shù)數(shù)運運算算Y加加法法運運算算反反對對數(shù)數(shù)運運算算lnuXuYlnuXlnYlnu+=ln（XuYu）XouY=u整理ppt 舉例：S1XTO1lnIRuuu S2

14、YTO2lnIRuuu )ln(lnlnS2YS1XTS2YTS1XTO2O1O3IRuIRuuIRuuIRuuuuu ）（To3/u4SOeURIu 若取若取 R1R2R3R4R，可得：，可得： YXSO1uuIRu uuu+A+A+A+A+1234YX3TR1R2R3R33R4Ruo1uo2OT12T整理pptEbe26mV)+(1Ir XELOmV26uIRu XELmV26uIR YXOuKuu 對于差放有：對于差放有：XbeLO =urRu 2.4 集成模擬乘法器集成模擬乘法器eYCRuII2123E 一一.基本原理基本原理V+EE-+-+u+uReoVXcTR1c2TR3TYuCC

15、c1ic2ic3i整理ppt模擬乘法器功能：模擬乘法器功能：實現(xiàn)兩個模擬量相乘實現(xiàn)兩個模擬量相乘 其中其中K為比例因子為比例因子， 量綱量綱:V-1符號符號：uuuoXYYXOuKuu 整理ppt 二二. .模擬乘法器的應(yīng)用模擬乘法器的應(yīng)用 1. 1. 乘法運算乘法運算立方運算電路立方運算電路 2. 2. 平方和立方運算平方和立方運算平方運算電路平方運算電路uuuoXYuo=KuXuYuuoiuo=K(ui)2uuiouo=K2(ui)3整理ppt3. 3. 除法運算電路除法運算電路根據(jù)虛斷根據(jù)虛斷21ii 2o11i1RuRu i2o1ouKuu 如果令如果令K= R2 / R1則則:i2i

16、1ouuu 注意：為保證電路為負反饋，必須有：注意：為保證電路為負反饋，必須有：i112o1uRRu 0i2 uuuu+2+Ro11i1iAii2uo1RR2i2i112ouuKRRu EWB演示演示除法器除法器整理ppt4. 4. 開平方運算電路開平方運算電路)(1i12OuRRKuui為負值！為負值！2oo1Kuu 負反饋條件？負反饋條件？i12o1uRRu uu+RRAo1iuii11o+2R2整理ppt 有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。的放大器。 濾波器的功能：對頻率進行選擇濾波器的功能：對頻率進行選擇, ,過濾掉噪聲過濾掉噪聲和干

17、擾信號，保留下有用信號。和干擾信號，保留下有用信號。 2.5 有源濾波電路有源濾波電路 濾波器的分類：濾波器的分類： 低通濾波器（低通濾波器（LPF） 高通濾波器（高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF）整理ppt|A|0C通帶通帶阻帶阻帶A0|A|0CA0通帶通帶阻帶阻帶|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通 各種各種濾波器理想的幅頻特性：濾波器理想的幅頻特性：（1）低通）低通（2）高通）高通（1）帶通）帶通（1）帶阻）帶阻整理ppt 濾波器的用途濾波器的用途 濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成濾波器主要用來濾除信號

18、中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。一些較高頻率成分的干擾。整理ppt1. 一階一階RC低通濾波器低通濾波器(無源無源)一一. 低通有源濾波器低通有源濾波器CjRCjuuAiO 11 RCj 11H11 j 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：RC1H截止頻率：截止頻率：幅頻特性：幅頻特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-整理ppt此電路的缺點：此電路的缺點：1、帶負載能力差。、帶負載能力差。2、無放大作用。、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性：幅頻特性：2)(11HA+-i+uRC+uo

19、-0.707 H截止頻率截止頻率0 1|A|整理ppt2.一階有源低通濾波器一階有源低通濾波器uu+A+i+uuRf1RRCoi)11(ujuH uRRuf)1(1oi1o)11)(1(ujRRuHf )11)(1 (1HfjRR)1(OHjAiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：1fo1RRA通帶增益：通帶增益：截止頻率：截止頻率：)1(RCH整理pptRC1H幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線uu+A+i+uuRf1RRCo傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：iOuuA)11)(1 (1HfjRR幅頻特性：幅頻特性：21)(11)1 (HfRRA缺點：阻帶衰減太謾。缺點：阻帶衰減太謾。 H0.707 1

20、+Rf/R10 1+Rf/R1|A|整理ppt3.二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器uu+A+miouRfRRCCR1u+uuAuRRufO1o)1 (CjuuRuuRuuommmi1muCjRCju112OO)()j-(31CRCRAA2H2HO)j()(1QARC1HO31AQiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：整理ppt 當當 Ao3時，濾波器可時，濾波器可以穩(wěn)定工作以穩(wěn)定工作 。 此時特性此時特性與與Q有關(guān)。當有關(guān)。當Q=0.707時，時，幅頻特性較平坦。幅頻特性較平坦。 當當ffL時，幅頻特性時，幅頻特性曲線的斜率曲線的斜率 為為-40dB/dec。 當當Ao3時，源濾波器自激。時，源濾

21、波器自激。幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線O31AQ 222o)()(1 QAAHH 整理pptuAuRRufO1o)1 ()11)(1 (1LfjRR)1(OLjAiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：1fo1RRA通帶增益：通帶增益：截止頻率：截止頻率：)1(RCL二二. . 高通有源濾波器高通有源濾波器1.一階有源高通濾波器一階有源高通濾波器uuo1+ui+f+ARRuRCii)111()1(uRCjuCjRRu整理pptRC1L幅頻特性：幅頻特性：21)(11)1 (LfRRA缺點：阻帶衰減太謾。缺點：阻帶衰減太謾。幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線iOuuA傳遞函數(shù)：傳

22、遞函數(shù)：)11)(1 (1LfjRRuuo1+ui+f+ARRuRC0 1+Rf/R10.707(1+Rf/R1) L|A|整理ppt2. 二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線 (2)(2)通帶增益通帶增益1fO+1=RRAuuu+RfRiRmuCA+oR1+uC2L22L)(1-)(1QA （1）幅頻特性：）幅頻特性：RC1L其中：其中：O31AQ整理ppt當當AO3時，電路自激。時，電路自激。幅頻特性曲線幅頻特性曲線 當當 Ao3時，濾波器可時，濾波器可以穩(wěn)定工作以穩(wěn)定工作 。 此時特性此時特性與與Q有關(guān)。當有關(guān)。當Q=0.707時，時，幅頻特性較平坦。幅頻特性較平坦。 當當f fL時，幅頻特性時，幅頻特性曲線的斜率為曲線的斜率為+40dB/dec。 整理ppt 可由低通和可由低通和高通串聯(lián)得到高通串聯(lián)得到1111CR A0A2A1A0阻阻帶帶通通帶帶阻阻帶帶通通帶帶OO 1 2 AA0O 2 1通通帶帶阻阻帶帶阻阻帶帶低通截止頻率低通截止頻率2221CR 高通截止頻率高通截止頻率必須滿足必須滿足12 三三. 有源帶通濾波器有源帶通濾波器uuRCR+Cfi1o+uRA+uRR2VV低 通 濾 波 器高 通 濾 波 器uiuo12整理ppt 可由低通和高通并聯(lián)得到可由低通和高通并聯(lián)得到必須