1、第1章 模擬集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用,1,第1章 模擬集成運(yùn)算放大電路,1.1 放大電路概述及其主要性能指標(biāo) 1.2 模擬集成運(yùn)算放大器 1.3 理想集成運(yùn)算放大器 1.4 基本運(yùn)算電路 1.5 電壓比較器,2,一、 放大電路概述,放大電路的功能:是將微弱的電信號(hào)不失真地放大到所需要的數(shù)值，從而使電子設(shè)備的終端執(zhí)行器件（如繼電器、儀表、揚(yáng)聲器）工作。,1.1 放大電路概述及其主要性能指標(biāo),3,放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖,至少一路直流電源供電，是能源,微弱的 電信號(hào),繼電器 儀表 揚(yáng)聲器,1.1 放大電路概述及其主要性能指標(biāo),4,1.1 放大電路概述及其主要性能指標(biāo),放大的本質(zhì)：能量的控制，利用有源元件

2、實(shí)現(xiàn),判斷電路能否放大的基本出發(fā)點(diǎn),放大的特征：功率放大,常用正弦波做測試信號(hào),放大的對象：變化量,放大的基本要求：不失真放大的前提,輸入信號(hào)為零時(shí)為靜態(tài)。,一、 放大電路概述,5,1.1 放大電路概述及其主要性能指標(biāo),單極性晶體管,場效應(yīng)管,集成運(yùn)放,6,信號(hào)源,信號(hào)源內(nèi)阻,輸入電壓,輸入電流,輸出電壓,輸出電流,對信號(hào)而言，任何放大電路均可看成二端口網(wǎng)絡(luò)。,1.1 放大電路的方框圖及其主要性能指標(biāo),7,1.1 放大電路的方框圖及其主要性能指標(biāo),1. 放大倍數(shù)：輸出量與輸入量之比,電壓放大倍數(shù)是最常被研究和測試的參數(shù),8,1.1 放大電路的方框圖及其主要性能指標(biāo),工程上常用以10為底的對數(shù)增

3、益表達(dá) 式,9,2. 輸入電阻和輸出電阻,測量輸入電阻,輸入電壓與輸入電流有效值之比。,從輸入端看進(jìn)去的等效電阻,1.1 放大電路的方框圖及其主要性能指標(biāo),10,2. 輸入電阻和輸出電阻,將輸出等效成有內(nèi)阻的電壓源，內(nèi)阻就是輸出電阻。,帶RL時(shí)的輸出電壓有效值,空載時(shí)輸出電壓有效值,1.1放大電路的方框圖及其主要性能指標(biāo),11,3、通頻帶,由于電容、電感及半導(dǎo)體元件的電容效應(yīng)，使放大電路在信號(hào)頻率較低和較高時(shí)電壓放大倍數(shù)數(shù)值下降，并產(chǎn)生相移。,衡量放大電路對不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力。,1.1 放大電路的方框圖及其主要性能指標(biāo),12,輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大， Ac小

4、，輸入端耐壓高。 中間級(jí)：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。,四個(gè)組成部分的作用:,1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元,高增益,多級(jí)直接耦合,電壓放大器,1.2 模擬集成運(yùn)算放大器,集成運(yùn)算放大電路因最初為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的運(yùn)算而得名。,13,偏置電路：為各級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源電路。,幾代產(chǎn)品中輸入級(jí)的變化最大！,輸出級(jí)：功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。,1.2 模擬集成運(yùn)算放大器,14,一個(gè) 輸出端,可將集成運(yùn)放看成為一個(gè)“黑盒子”。,2集成運(yùn)算放大器的符號(hào),1.2 模擬集成運(yùn)算放大器,15,不同型號(hào)的集成運(yùn)放供電電源不

5、同，有的兩路電源供電，有的一路電源供電，有的兩種情況均可。缺省時(shí)認(rèn)為是VCC （常為15V ）供電。,相位相同,相位相反,2集成運(yùn)算放大器的符號(hào),1.2 模擬集成運(yùn)算放大器,16,1.2模擬集成運(yùn)算放大器,2集成運(yùn)算放大器的符號(hào),F007/A741的外形結(jié)構(gòu)和引腳排列圖,17,集成運(yùn)算放大器是電壓放大器，因此可用雙口網(wǎng)絡(luò)來表示。,輸入電阻,輸出電阻,開環(huán)電壓放大倍數(shù),3集成運(yùn)算放大器的電路模型,1.2模擬集成運(yùn)算放大器,18,線性區(qū),非線性區(qū),輸出不是高電平+UOM 就是低電平UOM,若UOM= 14V，Aod=5106，則為保證集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，輸入信號(hào)的范圍為多少？|u+u|28V,U

6、OM的值決定于什么？,1.2 模擬集成運(yùn)算放大器,4集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性,19,在分析運(yùn)算放大器的電路時(shí)，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：,1開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod ,2開環(huán)輸入電阻rid ,3開環(huán)輸出電阻ro 0,4共模抑制比KCMR ,由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，而用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問題大大簡化，因此后面對運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。,1.3 理想集成運(yùn)算放大器,1.理想運(yùn)放的參數(shù),20,1.3 理想集成運(yùn)算放大器,問題： 若將輸入信號(hào)直接加在理想運(yùn)放的輸入端，則理想運(yùn)放有可能工作在線性區(qū)嗎？ 負(fù)載電阻的阻值變化時(shí)，理想運(yùn)放

7、的輸出電壓變化嗎？為什么？,理想運(yùn)放的符號(hào)與簡化電路模型如圖所示,(不能， 因Aod=，需引入負(fù)反饋),(不變，輸出等效為恒壓源),21,理想運(yùn)放電壓傳輸特性,UOM,UOM,Uim,Uim,線性區(qū),非線性區(qū),非線性區(qū),因?yàn)槔硐脒\(yùn)放Aod ,開環(huán)電壓放大倍數(shù),所以，當(dāng) u+ u 時(shí)，uO = +UOM,u+ uuO = UOM,uO = Aod(u+ u),u+ = uuO 發(fā)生躍變,1.3 理想集成運(yùn)算放大器,2.理想運(yùn)放的傳輸特性,22,為保證理想運(yùn)放工作在線性區(qū)，必須引入負(fù)反饋。,無源網(wǎng)絡(luò),反饋：將放大電路的輸出量通過一定的方式引回到輸入回路來影響輸入量，稱為反饋。 正、負(fù)反饋：若反饋的

8、結(jié)果使輸出量的變化增大，則稱為正反饋；若反饋的結(jié)果使輸出量的變化減小，則稱為負(fù)反饋。,uO u_ uO ,1.3 理想集成運(yùn)算放大器,3.運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn),23,3.運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn),相當(dāng)于兩輸入端之間短路, 但又未真正短路，故稱“虛短路” 。,u+ u,1.3 理想集成運(yùn)算放大器,有限值,無窮大,虛短路,24,3.運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn),相當(dāng)于兩輸入端之間斷路，但又未真正斷路，故稱“虛斷路” 。,i+ =i - 0,運(yùn)放開環(huán)輸入電阻rid ,uO,u+,+,+,u,1.3 理想集成運(yùn)算放大器,“虛短”和“虛斷”是分析工作在線性區(qū)的集成運(yùn)放的應(yīng)用電路的兩個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)。,虛斷路,25

9、,電路特征 理想運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài) 引入正反饋，使其輸出量的變化增大,開環(huán)、正反饋,無源網(wǎng)絡(luò),1.3 理想集成運(yùn)算放大器,4.運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn),26,4.運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn),2i+=i- 0,1u+ u,由于運(yùn)放工作在非線性區(qū) uO Auo(u+ u),不再成立,非線性區(qū),非線性區(qū),所以,當(dāng) u+ u 時(shí)， uO = +UOM,u+ u uO = UOM,依然成立,u+ = uuO 發(fā)生躍變,1.3 理想集成運(yùn)算放大器,27,1反相比例電路,可列出,由此得出,閉環(huán)電壓 放大倍數(shù),平衡電阻,R2 = R1 / Rf,保證輸入級(jí) 的對稱性,電路的輸入電阻為多少？,虛地,i+ =i-

10、0,列KCL,1.4 基本運(yùn)算電路,一、比例運(yùn)算電路,28,2同相比例電路,由運(yùn)放工作在線性區(qū)的依據(jù),可列出,由此得出,閉環(huán)電壓 放大倍數(shù),電路的輸入電阻為多少？,R2 = R1 / Rf,保證輸入級(jí)的對稱性,無窮大,一、比例運(yùn)算電路,29,2. 同相比例,?,同相比例記公式：,再判斷u+和ui的關(guān)系,一、比例運(yùn)算電路,30,同相輸入比例運(yùn)算電路的特例：電壓跟隨器,R1,Rf0,輸入電阻為,輸出電阻為0,一、比例運(yùn)算電路,31,電壓跟隨器的作用,無電壓跟隨器時(shí) 負(fù)載上得到的電壓,電壓跟隨器時(shí),根據(jù)虛短和虛斷有,i+0，u+u-,一、比例運(yùn)算電路,32,【例1.4.2】 電路如圖4.4.4所示，

11、已知uo= 33ui，求R3、R5、R6的阻值,圖1.4.5 例1.4.2電路圖,解：A1為同相比例電路,R3為平衡電阻,一、比例運(yùn)算電路,33,圖1.4.5 例1.4.2電路圖,A2為反相比例電路,R6為平衡電阻,一、比例運(yùn)算電路,34,二、加法運(yùn)算電路,方法一：節(jié)點(diǎn)電流法,1. 反相求和,35,方法二：利用疊加原理 首先求解每個(gè)輸入信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號(hào)同時(shí)作用時(shí)的輸出電壓。,同理可得,二、加法運(yùn)算電路,36,2. 同相求和,ui1作用時(shí)的u+,必不可少嗎？,用節(jié)點(diǎn)電流法：,用疊加定理也可以寫出：,解得:,ui2作用時(shí)的u+,二、加法運(yùn)算電路,37

12、,需求,熱電阻,測溫電橋,環(huán)境溫度變化阻值變化,某一標(biāo)準(zhǔn)溫度下 uI1uIVCC/ 2 uIuI1uI0,三、差分放大電路的概念,需要一種放大電路，對uI1和uI共同的部分不放大，僅對它們的差值放大。,溫度變化（即偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度）時(shí)，產(chǎn)生uI，這是放大的對象。, 差分放大電路,38,三、差分放大電路的概念,手機(jī)上的一個(gè)應(yīng)用：雙麥降噪,39,三、差分放大電路的概念,主麥克： 聲音+噪音,副麥克： 噪音采集,差分處理： 降噪,40,共模信號(hào)和差模信號(hào),共模信號(hào)：若差分放大電路的兩個(gè)輸入端所輸入的信號(hào)大小相等、極性相同，則稱之為共模信號(hào)。 差模信號(hào)：若差分放大電路的兩個(gè)輸入端所輸入的信號(hào)大小相等、極性

13、相反，則稱之為差模信號(hào)。 設(shè)任意兩個(gè)輸入信號(hào)ui1和ui2，則,差模信號(hào),共模信號(hào),線性變換,41,差模放大倍數(shù),共模放大倍數(shù),共模抑制比,越大越好,絕對值 越小越好,絕對值 越大越好,為綜合考察差分放大電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)的能力，引入?yún)?shù)共模抑制比。,實(shí)際上也常用分貝（dB）來表示，即,差分放大電路的放大倍數(shù),42,疊加定理：,ui1作用時(shí),ui2作用時(shí),1.單運(yùn)放減法電路,四、減法運(yùn)算電路,43,電路平衡條件為,列KCL,i1 =if,i2=i3,當(dāng)電路電阻滿足條件,實(shí)現(xiàn)了差分放大,1. 單運(yùn)放減法運(yùn)算電路,u+=u_,四、減法運(yùn)算電路,44,2.雙運(yùn)放減法運(yùn)算電路,四、減法運(yùn)算

14、電路,A1為反向比例電路,A2為反相加法電路,45,四、減法運(yùn)算電路,例題：電路如圖所示，(1) 試分別說明A1、A2、A3各構(gòu)成什么運(yùn)算電路；(2) 求uo的表達(dá)式,解：,A1、A2、A3均為差放電路(減法電路),實(shí)現(xiàn)了差分放大,46,五、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路,1. 積分運(yùn)算電路,反相,若ui在t1t2為常量，則,47,移相,1) 輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出電壓波形？,2) 輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？,3) 輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？,線性積分,波形變換,利用積分運(yùn)算的基本關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同的功能,48,虛地,2. 微分運(yùn)算電路,放大高頻噪聲，少用,49,1. 電壓比較器的功能：比較電壓的

15、大小。 輸入電壓是模擬信號(hào)；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況，為二值信號(hào)。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。 廣泛用于各種報(bào)警電路。,2. 電壓比較器的描述方法 :電壓傳輸特性 uOf(uI),電壓傳輸特性的三個(gè)要素： （1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL （2）閾值電壓UTH （3）輸入電壓過閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向,1.5 電壓比較器,概述,50,電路特征：集成運(yùn)放處于開環(huán)或僅引入正反饋,理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：,1) 凈輸入電流為0 2) u+ u-時(shí)， uOUOH u+ u-時(shí)， uOUOL,無源網(wǎng)絡(luò),教學(xué)基本要求 1)電路的識(shí)別及選用；2)電壓傳輸

16、特性的分析。,1.5 電壓比較器,51,1.5 電壓比較器,特點(diǎn)：,1. 簡單電壓比較器,虛斷成立，虛短不成立,（1）串聯(lián)型電壓比較器：輸入信號(hào)與參考電壓從不同輸入端輸入的比較器，具有輸入電阻大的特點(diǎn),反相輸入電壓比較器,52,（1）串聯(lián)電壓比較器,輸入為正負(fù)對稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。,稱為過零比較器,當(dāng),把輸出電壓從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平時(shí)所對應(yīng)的輸入電壓值稱為門限電壓,1.簡單電壓比較器,53,當(dāng),1.簡單電壓比較器,（1）串聯(lián)電壓比較器,54,解：,（2）并聯(lián)型電壓比較器,利用疊加原理可得,理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)對應(yīng)的U+U-0，即,門限電壓,1.簡單電壓比較器,55,（1）

17、若要UTH0，則應(yīng)如何修改電路？ （2）若要改變曲線躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？ （3）若要改變UOL、UOH呢？,門限電壓,1.簡單電壓比較器,56,簡單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但抗干擾能力較差。因此提出了另一種抗干擾能力較的強(qiáng)遲滯電壓比較器。,1.5 電壓比較器,57,2. 遲滯比較器,（1）電路組成,（2）門限電壓為U+,上門限電壓,下門限電壓,回差電壓,1.5 電壓比較器,而U+與uo有關(guān)，對于uo的兩個(gè)值可得U+的兩個(gè)門限電壓,58,2. 遲滯比較器,（3）傳輸特性,1.5 電壓比較器,遲滯寬度表示抗干擾能力的強(qiáng)弱，遲滯寬度越寬，抗干擾能力越強(qiáng)，同時(shí)靈敏度越低。并且輸入電壓的峰

18、值必須大于遲滯寬度，否則輸出電壓不可能跳變。,遲滯寬度,設(shè)uiUTH-，則 u- u+， uO+UZ。此時(shí)u+ UTH+，增大 ui，直至+UTH+，再增大， uO才從+UZ躍變?yōu)?UZ。,設(shè) ui+UTH+，則 u- u+， uOUZ。此時(shí)u+UTH-，減小 ui，直至UTH-，再減小， uO才從UZ躍變?yōu)?UZ。,59,解：,（1）門限電壓,（3）輸出電壓波形,例,電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和如圖所示輸入信號(hào)下的輸出電壓波形。,（2）傳輸特性,60,（1）寫出 u+、u-的表達(dá)式，令u+ u-，求解出的 uI即為UTH； （2）根據(jù)集成運(yùn)放的輸出電壓幅值或輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；,電壓比較器的分析方法（三要素）,（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入