天津大學(xué)模電運(yùn)算放大器學(xué)習(xí)教案

1、天津大學(xué)天津大學(xué)(tin jn d xu)模電運(yùn)算放大器模電運(yùn)算放大器第一頁，共50頁。在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中元器件制在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成作在一塊硅基片上，構(gòu)成(guchng)(guchng)特定功能的電子特定功能的電子電路，稱為集成電路。簡單來說，集成電路是把元器件電路，稱為集成電路。簡單來說，集成電路是把元器件和連接導(dǎo)線全部制作在一小塊硅片上而成的電路。和連接導(dǎo)線全部制作在一小塊硅片上而成的電路。集成電路按其功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成集成電路按其功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類繁多，有運(yùn)算放大器

2、、寬頻帶電路。模擬集成電路種類繁多，有運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模數(shù)放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其他模擬和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其他模擬集成電路等。集成電路等。引引 言言第1頁/共50頁第二頁，共50頁。l模擬模擬(mn)集成電路的集成電路的特點(diǎn)：特點(diǎn)：電阻值不能很大，精度較差，阻值一般在幾十歐至電阻值不能很大，精度較差，阻值一般在幾十歐至幾十千歐。需要大電阻時(shí)，通常用恒流源替代；幾十千歐。需要大電阻時(shí)，通常用恒流源替代； 電容利用電容利用PN結(jié)結(jié)電容，一般不超過幾十結(jié)結(jié)電容，一般不

3、超過幾十pF。需要大。需要大電容時(shí)，通常在集成電路電容時(shí)，通常在集成電路(jchng-dinl)外部連接。外部連接。不能制電感，級(jí)與級(jí)之間用直接耦合；不能制電感，級(jí)與級(jí)之間用直接耦合； 二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代。比如由二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代。比如由NPN型三極管型三極管短路其中一個(gè)短路其中一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)成。第2頁/共50頁第三頁，共50頁。運(yùn)算運(yùn)算(yn sun)放大器外放大器外形圖形圖第3頁/共50頁第四頁，共50頁。2.1 集成電路集成電路(jchng-dinl)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成(z chn)單元單元圖圖2.1.1

4、集成運(yùn)算集成運(yùn)算(yn sun)放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,PNOV V v v v第4頁/共50頁第五頁，共50頁。 運(yùn)算(yn sun)放大器方框圖1. 輸入級(jí)：均采用差動(dòng)放大電路組成，可減小溫度漂移的輸入級(jí)：均采用差動(dòng)放大電路組成，可減小溫度漂移的影響，提高整個(gè)電路共模影響，提高整個(gè)電路共模(n m)抑制比。抑制比。2. 2. 中間級(jí)：多采用有源負(fù)載的共射極放大電路，有源負(fù)中間級(jí)：多采用有源負(fù)載的共射極放大電路，有源負(fù)載及復(fù)合管可提高電壓增益。載及復(fù)合管可提高電壓增益。3. 3. 輸出級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱功放。輸出級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱功放。4. 4. 偏置電路：用以供給各級(jí)直流偏置電流，由

5、各種電流偏置電路：用以供給各級(jí)直流偏置電流，由各種電流源電路組成。源電路組成。第5頁/共50頁第六頁，共50頁。表示信表示信號(hào)從號(hào)從左左( (輸輸入入(shr)(shr)端端) )向右向右( (輸輸出端出端) )傳輸傳輸?shù)姆较颉５姆较?。vNvPvOvNvPvOvN或或v：反相輸入：反相輸入(shr)端，信號(hào)從此端輸入端，信號(hào)從此端輸入(shr)(vP=0)，輸出信號(hào)和輸入輸出信號(hào)和輸入(shr)信號(hào)反相。信號(hào)反相。vP或或v+：同相輸入端同相輸入端，信號(hào)從此端輸入信號(hào)從此端輸入(vN=0) ，輸出信，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)同相。號(hào)和輸入信號(hào)同相。vO：輸出端輸出端。圖圖2.1.2 運(yùn)算放大器的代表

6、符號(hào)運(yùn)算放大器的代表符號(hào)（a）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào) （b）國內(nèi)外常用符號(hào)）國內(nèi)外常用符號(hào)第6頁/共50頁第七頁，共50頁。2. 運(yùn)算運(yùn)算(yn sun)放大器的電路模型放大器的電路模型圖圖2.1.3 運(yùn)算放大器的電路運(yùn)算放大器的電路(dinl)模型模型通常：通常： 開環(huán)電壓開環(huán)電壓(diny)增益增益 Avo的的105 （很高）（很高） 輸入電阻輸入電阻 ri 106 （很大）（很大） 輸出電阻輸出電阻 ro 100 （很?。ê苄。?vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意輸入輸出的相位關(guān)注意輸入輸出的相位關(guān)系系第7頁/共50頁第八頁，共50頁。2. 運(yùn)算放大器的

7、電路運(yùn)算放大器的電路(dinl)模型模型當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V 時(shí)時(shí) vO V 當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V- -時(shí)時(shí) vO V- -電壓傳輸電壓傳輸(chun sh)特特性性 vO f (vPvN)線性范圍線性范圍(fnwi)內(nèi)內(nèi) vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率第8頁/共50頁第九頁，共50頁。輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在之間存在(cnzi)線性放大關(guān)系，線性放大關(guān)系，即即)(odONPuuAu集成運(yùn)放的工作集成運(yùn)放的工作(gngzu)區(qū)域區(qū)域線性區(qū)域線性區(qū)域(qy)：Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)為差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩

8、種可能的情況：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓。為輸出電壓的飽和電壓。uOuP-uN+UOM-UOM第9頁/共50頁第十頁，共50頁。例例2.2.1 電路如圖電路如圖2.1.3所示，運(yùn)放的開環(huán)電壓增益所示，運(yùn)放的開環(huán)電壓增益Avo=2105,輸入電阻輸入電阻ri=0.6M，電源電壓，電源電壓V+=+12V,V-=-12V。(1)試求當(dāng)試求當(dāng)vo=Vom=12V時(shí)輸入電壓的最小幅時(shí)輸入電壓的最小幅(xio f)值值vP-vN=?輸入電流輸入電流ii=?(2)畫出傳輸特性曲線畫出傳輸特性曲線vo=f(vP-vN)。說明運(yùn)放的兩個(gè)區(qū)域。說明運(yùn)放的兩個(gè)區(qū)域。

9、圖圖2.1.3 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型第10頁/共50頁第十一頁，共50頁。例例2.2.1 電路如圖電路如圖2.1.3所示，運(yùn)放的開環(huán)電壓增益所示，運(yùn)放的開環(huán)電壓增益(zngy)Avo=2105,輸入電阻輸入電阻ri=0.6M，電源電壓，電源電壓V+=+12V,V-=-12V。(1)試求當(dāng)試求當(dāng)vo=Vom=12V時(shí)輸入電壓的最小幅值時(shí)輸入電壓的最小幅值vP-vN=? 輸入電流輸入電流ii=?圖圖2.1.3 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型解：由解：由/PNOvovvvA當(dāng)當(dāng)vo=Vom=12V時(shí)時(shí)512/(2 10 )60VA PNvv()/iPNiivvr660/

10、(0.6 10 )A 100pA 第11頁/共50頁第十二頁，共50頁。例例2.2.1 電路如圖電路如圖2.1.3所示，運(yùn)放的開環(huán)電壓增益所示，運(yùn)放的開環(huán)電壓增益Avo=2105,輸輸入電阻入電阻ri=0.6M，電源電壓，電源電壓V+=+12V,V-=-12V。 (2)畫出傳輸畫出傳輸(chun sh)特性曲線特性曲線vo=f(vP-vN)。說明運(yùn)放的兩個(gè)。說明運(yùn)放的兩個(gè)區(qū)域。區(qū)域。 解：取解：取a點(diǎn)（點(diǎn)（+60V,+12V），）， b點(diǎn)（點(diǎn)（-60V,-12V），連接），連接a、b兩點(diǎn)得兩點(diǎn)得ab線線段段(xindun)，其斜率，其斜率Avo=2105, vP-vN 60 V，則運(yùn)放進(jìn)，則運(yùn)

11、放進(jìn)入非線性區(qū)。運(yùn)放的電壓傳輸特性如入非線性區(qū)。運(yùn)放的電壓傳輸特性如圖所示。圖所示。Avo=2105(+60V,+12V)(-60V,-12V)第12頁/共50頁第十三頁，共50頁。2.2 理想理想(lxing)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器1. vo的飽和極限值等于的飽和極限值等于(dngy)運(yùn)放的電源電壓運(yùn)放的電源電壓V和和V 2. 運(yùn)放的開環(huán)電壓運(yùn)放的開環(huán)電壓(diny)增增益很高益很高 若（若（vPvN）0 則則 vO= +Vom=V 若（若（vPvN）0 則則 vO= Vom=V 3. 若若V vO R3時(shí)，時(shí)，（1）試證明）試證明(zhngmng)Vs( R3R1/R2 ) Im 解（解（1

12、）根據(jù)）根據(jù)(gnj)虛斷有虛斷有 I1 =0所以所以(suy) I2 = Is = Vs / R1 例例2.3.3直流毫伏表電路直流毫伏表電路（2）R1R2150k ，R31k ，輸，輸入信號(hào)電壓入信號(hào)電壓Vs100mV時(shí)，通過毫?xí)r，通過毫伏表的最大電流伏表的最大電流Im(max)？ 又又根據(jù)虛短有根據(jù)虛短有 Vp = Vn =0R2和和R3相當(dāng)于并聯(lián)，所以相當(dāng)于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - - Im )所以所以1s332mRVRRRI)( 當(dāng)當(dāng)R2 R3時(shí)，時(shí)，Vs( R3R1/R2 ) Im （2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可第33頁/共50頁第三十四頁，共50頁。2

13、.4 同相輸入和反相輸入放同相輸入和反相輸入放大大(fngd)電路的其他應(yīng)用電路的其他應(yīng)用2.4.1 求差電路求差電路(dinl)2.4.2 儀用放大器儀用放大器2.4.3 求和求和(qi h)電路電路2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路第34頁/共50頁第三十五頁，共50頁。2.4.1 求差電路求差電路(dinl) 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入(shr)(shr)和同相輸入和同相輸入(shr)(shr)相結(jié)合的放大電路。相結(jié)合的放大電路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(當(dāng)當(dāng),2314R

14、RRR 則則)(i1i214ovvRRv 若繼續(xù)有若繼續(xù)有,14RR 則則i1i2ovvv 根據(jù)根據(jù)(gnj)(gnj)虛短、虛斷虛短、虛斷和和N N、P P點(diǎn)的點(diǎn)的KCLKCL得：得：pnvv 第35頁/共50頁第三十六頁，共50頁。2.4.1 求差電路求差電路(dinl)從放大器角度看從放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 時(shí)，時(shí)，2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益增益(zngy)(zngy)為為（該電路也稱為（該電路也稱為(chn wi)差分電路或減法差分電路或減法電路）電路）第36頁/共50頁第三十七頁，共50頁。2.4.1 求差電路求差電路(dinl)一種一種

15、(y zhn(y zhn) )高輸入電阻的差分電高輸入電阻的差分電路路第37頁/共50頁第三十八頁，共50頁。2.4.2 儀用放大器儀用放大器)21(123421ORRRRA vvvv第38頁/共50頁第三十九頁，共50頁。2.4.3 求和求和(qi h)電路電路1ni1-Rvv3on-Rvv 根據(jù)根據(jù)(gnj)(gnj)虛短、虛虛短、虛斷和斷和N N點(diǎn)的點(diǎn)的KCLKCL得：得：2i231 i13o-vRRvRRv 321RRR 若若0pn vv2ni2-Rvv 則有則有2i1 io-vvv （該電路也稱為（該電路也稱為(chn wi)加加法電路）法電路）第39頁/共50頁第四十頁，共50頁。

16、2.4.3 求和求和(qi h)電路的進(jìn)一步電路的進(jìn)一步討論討論Vi3-+ARfRVoIfR3I3IdVi2R2I2Vi1I1R18.1.1 求和(qi h)電路00_VVId虛短、虛斷)(332211RVRVRVRViiifofIIII321特點(diǎn)：調(diào)節(jié)某一路信號(hào)的輸入電阻不影響其他路輸入與輸出(shch) 的比例關(guān)系； 稱為支路增益，一般11. 求和電路/fnRR第40頁/共50頁第四十一頁，共50頁。2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路1. 積分電路積分電路式中，負(fù)號(hào)式中，負(fù)號(hào)(f ho)表示表示vO與與vI在相位上是相反在相位上是相反的。的。根據(jù)根據(jù)(gnj)“(gnj)“虛

17、虛短短”，得，得根據(jù)根據(jù)(gnj)“(gnj)“虛虛斷斷”，得，得0NP vv0i i因此因此12ii IvRsC1Ov tRCd1IOvv（積分運(yùn)算）（積分運(yùn)算）即即RvvsCvvNIoN1相當(dāng)于微分相當(dāng)于積分，其中Ss1第41頁/共50頁第四十二頁，共50頁。2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路1. 積分電路積分電路根據(jù)根據(jù)(gnj)“(gnj)“虛虛短短”，得，得根據(jù)根據(jù)(gnj)“(gnj)“虛虛斷斷”，得，得0NP vv0i i因此因此21ii 即即cNIiRvvdtdVCiCc又又即即dtdVCdtdVCRvOCI tRCd1IOvv第42頁/共50頁第四十三頁，共50

18、頁。2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路當(dāng)當(dāng)vI I為階躍電壓時(shí)，有為階躍電壓時(shí)，有vO與與 t 成線性關(guān)系成線性關(guān)系 tRCd1IOvvtRCVi tV i 1. 積分電路積分電路第43頁/共50頁第四十四頁，共50頁。第44頁/共50頁第四十五頁，共50頁。將三角(snjio)波變?yōu)檎也ǖ?5頁/共50頁第四十六頁，共50頁。tUu sinmI tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可見，輸出電壓的相位可見，輸出電壓的相位(xingwi)比輸入電壓的比輸入電壓的相位相位(xingwi)領(lǐng)先領(lǐng)先 90 。因此，此時(shí)積分電。因此，此時(shí)積分電路的作用是移相。路的作用是移相。 tuIOUm 2 3圖圖 7.2.17第46頁/共50頁第四十七頁，共50頁。2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路2. 微分電路微分電路tRCddIOvv 根據(jù)根據(jù)( g n j ) “( g n j ) “ 虛虛短短”，得，得根據(jù)根據(jù)(gnj)“(gnj)“虛虛斷斷”，得，得0NP vv0i i因此因此ii 1IRsCvOv即即RvvsCvvoNNI1相當(dāng)于微分相當(dāng)于積分，其中Ss1第47頁/共50頁第四十八頁，共50頁。uit0