重慶大學模電復試資料課件

2.1放大電路基礎2.2運算放大器的基本概念2.3運算放大器的開環(huán)傳輸特性2.4運算放大器的線性模型2.5運算放大器的非線性模型第2章集成運算放大器的開環(huán)特性和等效模型什么是放大？放大的實質。放大器的功能、電路模型和主要技術參數(shù)差模信號、差模增益、共模信號、共模抑制比運算放大器的傳輸特性、頻率特性、線性模型和非線性模型理想運算放大器及其特性12.1.1放大電路的概念2.1.2放大電路的等效模型2.1.3放大電路的主要性能指標2.1放大電路基礎22.1.1放大電路的概念信號放大是對信號乘比例系數(shù)的運算，比例系數(shù)稱為增益或放大倍數(shù)。

放大電路（放大器）是實現(xiàn)信號放大功能的電子電路。音頻放大器+V擴音機放大電路框圖當有聲波輸入時，拾音器將聲波轉換為電壓信號，音頻放大器將其幅度和功率放大并驅動揚聲器，揚聲器將輸出電壓信號還原成較強的聲波。所以，放大器僅對輸入信號按一定比例(通常大于1)放大產生輸出信號，即輸出信號不失真地放大復制輸入信號。當無聲波輸入時，拾音器輸出電壓為0，音頻放大器的輸出電壓亦為0，揚聲器沒有聲波輸出，即直流電源+V不直接產生輸出電壓。3放大電路的增益定義為：根據(jù)信號的性質，增益分為：1、電壓增益：（無量綱）

2、電流增益：（無量綱）

3、互阻增益：4、互導增益：（電阻量綱）

（電導量綱）

5.功率增益：對于電阻性負載：放大電路框圖放大器ViVo+--+iiioRSVS+-RL（無量綱）

隨時間變化的電壓或電流等end5放大器ViVo+--+iiioRSVS+-RL電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--與放大電路的外特性等效的電路稱為放大電路的等效模型。2.1.2放大電路的等效模型1、電壓放大模型含有受控源的電阻性二端口網(wǎng)絡從輸出端看：含獨立源電阻性電路等效為電阻—輸出電阻和電壓源串聯(lián)。戴維寧定理從輸入端看：無獨立源的電阻性電路等效為電阻—輸入電阻。開路電壓增益6受控源Avovi反映了放大電路的電壓放大能力和功率放大能力，即將直流電壓源輸出功率轉換為信號功率的能力。輸出電壓：負載電壓增益：輸入電壓：信號源電壓增益：電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--輸入電流：7為了增大電壓增益，可用多個放大電路級聯(lián)。Ro2Ri2AVO2Vo1+ViVo1+--+iiioRSVSRLRo1Ri1AVO1Vi+-+Vo+結論：級聯(lián)放大器的電壓增益等于各個單級放大器的增益之積，輸入電阻等于第一級的輸入電阻（Ri1），輸出電阻等于最末級的輸出電阻（Ro2）。

9iSRLiiioRSRoRiAisii(2)電流放大模型(1)電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--對信號源或受控源進行等效變換，電壓放大模型可等效變換為電流放大模型，互阻放大模型，互導放大模型。開路電壓增益：短路電流增益：2、其他形式的等效模型輸入電阻和輸出電阻不變電壓獨立源電流獨立源電壓受控源電流受控源10(3)互阻放大模型iSVo-+iiRSRLRoRiAroii+(1)電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--開路電壓增益：開路互阻增益：輸入電阻和輸出電阻不變電壓獨立源電流獨立源112.1.3放大電路的主要性能指標放大電路的性能指標是衡量其品質優(yōu)劣的標準，是正確使用的依據(jù)。主要的性能指標是輸入電阻，輸出電阻，增益，通頻帶寬，非線性失真系數(shù)，最大不失真輸出幅度，最大輸出功率和效率等。1、輸入電阻和輸出電阻已做了詳盡的闡述。2、增益已做了詳盡的闡述。對于無量綱的增益，可用分貝表示。對數(shù)運算將乘法轉換成加法，故多級放大器的增益分貝數(shù)等于各單級增益分貝數(shù)之和。13of有用信號頻段AVfLfH0.707AV(b)實際放大器的頻率特性of有用信號頻段AV(a)理想放大器的頻率特性3、通頻帶寬

已知工程實際問題的有用信號通常是頻譜有限的。例如，音頻信號的頻率范圍為[20Hz,20kHz]，帶寬近似為20kHz。

放大電路僅對有用信號放大，需要最大的增益；而對有用信號頻率范圍以外的干擾和噪聲信號,增益減小，甚至為0，從而抑制無用信號。實際放大器的增益頻率特性不能突變。14有用信號頻段的增益稱為中頻增益增益（Av）。使增益下降為中頻增益的0.707倍所對應的頻率稱為截止頻率或3dB頻率。中頻區(qū)寬度稱為放大器的通頻帶寬（BW）：fL-下限截止頻率fH–上限截止頻率of有用信號頻段AVfLfH0.707AV(b)實際放大器的頻率特性of有用信號頻段AV(a)理想放大器的頻率特性中頻區(qū)高頻區(qū)低頻區(qū)中頻增益增益15o理想放大器的傳輸特性o實際放大器的傳輸特性放大電路的輸出量隨輸入量變化的關系曲線稱為傳輸特性。理想放大器的輸出量與輸入量成正比,傳輸特性是一條過零點的直線。4、非線性失真系數(shù)但是,實際放大器由非線性的有源元件等組成非線性電路，傳輸特性不是直線。非線性的傳輸特性可能引起失真。17放大器的非線性失真ooo虛線輸入信號在特性的線性區(qū)，輸出不失真。

實線輸入信號超出特性的線性區(qū)，輸出失真。失真的輸出信號包含有基波和高次諧波。非線性失真系數(shù)定義為

非線性失真越嚴重，非線性失真系數(shù)越大。5、最大不失真輸出電壓幅度定義為：在負載容許的非線線失真系數(shù)的條件下，當輸入電壓再增大就會使輸出電壓產生非線性失真時的輸出電壓幅度。18在容許的非線線失真系數(shù)的條件下，負載能夠獲得的最大平均信號功率稱為最大輸出功率（Pom）。通常，它與最大不失真輸出電壓幅度的平方成正比。6、最大輸出功率和效率輸出功率源于直流電源發(fā)出的平均功率（Pv）。效率定義為最大輸出功率與直流電源發(fā)出的平均功率之比的百分值，即end1921+RLRNRPRP+VEEVCCRLRN+-VEEVCCRLRNRP電路符號運算放大器的開環(huán)電路運算放大器同相輸入端反相輸入端輸出端正、負電源端電位參考節(jié)點輸入信號電源用節(jié)點電位表示理論上，電源不直接產生輸出信號+開環(huán)：信號只能從輸入端傳遞到輸出端

222、差模信號和共模信號+RLRNRP任意輸入信號可分解為差模信號和共模信號：共模抑制比23Vidmax-VidmaxVOsat+VOsat-Vidl-Vidl∥∥2.3運算放大器的開環(huán)傳輸特性

運算放大器的輸出電壓與差模輸入電壓的函數(shù)關系稱為開環(huán)傳輸特性。雙電源（VCC，-VEE）運算放大器的開環(huán)傳輸特性：整體非線性局部線性線性區(qū)：線性范圍：飽和電壓VOsat+、VOsat-最大差模輸入電壓Vidmax、-Vidmax線性區(qū)邊界輸入差模電壓Vidl飽和區(qū)：25線性區(qū)邊界輸入差模電壓Vidl、最大差模輸入電壓Vidmax、飽和電壓VOsat+和VOsat-與運算放大器的特性和電源電壓有關。例如，運算放大器LM741通常作用的電源電壓為±15V，開環(huán)差模電壓增益為105。其VOsat+=15V，VOsat-=-15V，Vidmax=13V，Vidl=0.15mV。所以，實際高增益運算放大器的線性區(qū)很窄，開環(huán)工作通常處于飽和區(qū)（非線性區(qū)）。由于開環(huán)增益很大和輸出電壓有限，實際運放的開環(huán)特性抽象為理想的開環(huán)特性。

Vidmax-VidmaxVOsat+VOsat-o具有理想開環(huán)特性的運放稱為理想運放。理想運放的開環(huán)增益、帶寬和輸入電阻是無窮大，輸出電阻為0，VOsat+=VOsat-=VCC。end26272.4.1運算放大器的交流線性模型*2.4.2直流電源和溫度的影響2.4.3運算放大器的開環(huán)增益頻率特性2.4運算放大器的線性模型2729Rid2Ric2RicRo+-++RLii2930Rid2Ric2RicRo+-++RL輸出電壓為定義共模抑制比為實際運算放大器的開環(huán)電壓增益和共模抑制比是在規(guī)定負載的情況下測得的。3031通常，開環(huán)電壓增益可達104（80dB）以上，共模抑制比可達103（60dB）以上。差模信號和共模信號是同一數(shù)量級的量。實際運算放大器的輸出電壓主要取決于差模輸入信號和開環(huán)電壓增益。

Rid2Ric2RicRo+-++RL運放的簡化小信號模型RidRo+-+誤差項！有用信號：差模信號誤差信號：共模信號end3132*2.4.2直流電源和溫度的影響+-VEEVCCRLRNRP在直流電源作用下，實際運算放大器的輸出電壓不為零，其值稱為輸出失調電壓VOO（是直流分量）。理想情況下，要求輸出電壓也為0。Voo的大小是由運算放大器的內部電路和外部電路引起的。3233通常將直流電壓源對輸出電壓的影響等效為對輸入信號的影響，然后，利用交流等效電路計算輸出失調電壓。1、運算放大器內部電路的影響

由于運放內部電路的結構不理想,產生輸出失調電壓Voo。稱為輸入失調電壓+-VEEVCCRLRNRP33342、運算放大器外部電路的影響

+-VEEVCCRLRNRPIBPIBN電源在輸入端產生偏置電流。定義：輸入偏置電流輸入失調電流假設3435由電路，共模電壓分量差模電壓分量偏置電流在外部電阻上引起差模電壓和共模電壓。+-VEEVCCRLRNRPIBPIBN35363、考慮直流電源影響的線性模型

考慮對輸出電壓的最壞影響，電源在輸入端引起的最大差模電壓為（差模電壓絕對值相加）：最大共模電壓為（共模電壓絕對值相加）：運算放大器完整的線性模型Rid2RicRo+-++RLVID/2VICVICVID/23637運算放大器完整的線性模型Rid2RicRo+-++RLVID/2VICVICVID/2由疊加原理，輸出電壓為：信號電源輸入誤差電壓和輸出誤差電壓主要是和VID引起的。3738運算放大器完整的線性模型Rid2RicRo+-++RLVID/2VICVICVID/2輸入誤差電壓和輸出誤差電壓主要是和VID引起的。Rid2RicRo+-++RLVID/2VID/2小信號誤差模型3839運算放大器的模型選擇進行信號分析時，選擇小信號模型：RidRo+-+進行誤差分析時，選擇小信號誤差模型，并令信號為零：Rid2RicRo+-++RLVID/2VID/2end392.4.3運算放大器的開環(huán)增益頻率特性電子等帶電粒子在半導體元件中移動形成電流時具有一定的電荷積累效應，這種效應可用皮法（10-12F）級的電容元件模擬。當信號頻率很小時，電荷積累效應不明顯，可以不考慮它對運算放大器增益的影響。-20dB/10倍頻程ofdB204060801010210310410510710-1運算放大器的開環(huán)增益頻率特性fHfT1fH--截止頻率或3dB頻率fT--單位增益頻率或特征頻率