1、第2章 運算放大器及其線性應用,一、放大電路的基本指標 二、集成運算放大器 三、運算放大器運算電路 四、有源濾波器 五、運算放大器線性應用舉例,1,一、放大電路的基本指標,2,1.放大電路用于放大微弱信號，輸出電壓或電流在幅度上得到了放大，輸出信號的能量得到了加強。,2.輸出信號的能量實際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過有源器件的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負載。,3,放大對象：主要放大微弱、變化的信號（交流小信號），使UO或IO、PO得到放大！,放大實質(zhì)：能量的轉(zhuǎn)換直流能轉(zhuǎn)為交流能 有源器件換能器,放大電路的主要技術指標,(1)放大倍數(shù) (2)輸入電阻Ri (3)輸出電阻Ro (4)通頻帶

2、fBW (5)非線性失真系數(shù) D (6)最大輸出幅度 UOPP,4,(1) 放大倍數(shù),放大：輸出信號的電壓或電流幅度得到放大，所以輸出功率也會有所放大 放大倍數(shù)有：電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù),通常它們都是按正弦量定義的。,5,6,放大倍數(shù)（增益）定義,電壓放大倍數(shù),電流放大倍數(shù),源電壓放大倍數(shù),源電流放大倍數(shù),互阻放大倍數(shù),源互導放大倍數(shù),功率放大倍數(shù),7,放大倍數(shù)（增益）dB表示,功率放大倍數(shù),電壓放大倍數(shù),電流放大倍數(shù),(2) 輸入電阻 Ri,輸入電阻：表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數(shù)，Ri越大放大電路從信號源吸取的電流越小,8,即：Ri越大，Ii 就越小，ui就越接近

3、uS,9,(3) 輸出電阻Ro,放大電路對其負載而言，相當于信號源，我們可以將它等效為戴維南等效電路，這個戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。 Ro 越小，放大器帶負載能力越強。,10,如何確定電路的輸出電阻Ro ？,步驟：,1. 所有的電源置零 (將獨立源置零，保留受控源)。,2. 加壓求流。,方法一：計算。,11,方法二：實驗測量。,1. 測量開路電壓。,2. 測量接入負載后的輸出電壓。,步驟：,3. 計算。,12,(4) 通頻帶fBW,fL稱為下限截止頻率，fH稱為上限截止頻率。,放大電路的增益A( f ) 是頻率的函數(shù)。在低頻段和高頻段放大倍數(shù)都要下降。當A( f )下降到中頻電壓放大倍

4、數(shù)A0的 時,13,(5)、非線性失真系數(shù),放大電路在某一頻率的正弦信號作用下，輸出信號的諧波成分總量和基波分量之比。,(6)、最大輸出幅度,最大輸出幅度指放大電路輸出信號非線性失真系數(shù)不超過額定值時的輸出信號最大值，用UOPP ( 或IOPP )表示。,二、集成運算放大器,（一）集成運放的基本特性 （二）理想運放,14,15,1、集成電路分類,數(shù)字集成電路 模擬集成電路,運算放大器 寬頻帶放大器 功率放大器 模擬乘法器 模擬鎖相環(huán) 集成穩(wěn)壓器 .,（一）集成電路的基本特性,16,集成運算放大器,集成電路一般是在一塊厚0.20.5mm、面積約為0.5mm2 的硅片上通過平面工藝制做成的。這種硅

5、片（稱為集成電路的基片）上可以做出包含為數(shù)十個（或更多）二極管、電阻、電容和連接導線的電路。,17,1. 電路中各元件在同一基片上，通過相同工藝過程制造而成，其特性較為一致。 2. 集成電路中的二極管多用于溫度補償或電平移動，通常由三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。 3. 電阻元件由半導體的體電阻構(gòu)成，阻值越大, 占用的硅片面積越大。 通常的電阻范圍為幾十 -20k,高阻值的電阻多用半導體三極管等有源元件代替或外接。,集成電路的特點,18,4. 電容元件由PN結(jié)的結(jié)電容或MOS管電容來制作，一般的容量小于200pF。不能制造電感元和大電容。 因此在集成電路內(nèi)部通常采用直接耦合，無法采用阻容耦合、變壓器耦合方

6、式。 5. 集成電路中多采用復合結(jié)構(gòu)電路。,集成電路的特點,19,2、運算放大器的基本結(jié)構(gòu),集成運算放大器（運放） 高增益直接耦合放大電路,使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力,提供高的電壓增益，保證運放的運算精度,由PNP和NPN三極管組成，獲得正負極性的輸出,提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點,20,3、運算放大器的符號,同相輸入端,反相輸入端,輸出端,4、差模信號和共模信號,21,差模信號,共模信號,大小相等，極性相反,大小相等，極性相同,22,任意信號分解為共模信號和差模信號,23,5、運放主要指標,(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) 指輸入差模分量時輸出電

7、壓與輸入差模電壓之比 表示運放對“差模分量”的放大能力,(2)開環(huán)共模電壓放大倍數(shù) 指輸入共模分量時輸出電壓與輸入共模信號電壓之比，表示運放對共模信號的放大能力,24,(3) 共模抑制比 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比，綜合評價運放的放大能力,25,共模抑制比,（二）理想運放,1、理想運放的技術指標,理想運放就是將集成運放的各項技術指標理想化，理想運放的主要技術指標為：,實際上Aod80dB,實際上rid比輸入端外電路的 電阻大23個量級,開環(huán)差模增益,差模輸入電阻,輸出電阻,實際上ro比輸出端外電路的電阻小12個量級,在做一般原理性分析時，運算放大器都可以視為理想的,26,、

8、理想運放在線性區(qū)工作時的特點,“虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。,(1)虛短,27,(2)虛斷,“虛斷”是指在進行運放分析、計算時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。,28,、理想運放在非線性區(qū)工作時的特點,其中Uopp的值由運放所加電源電壓及運放內(nèi)部輸出管的飽和壓降來確定，有時也直接使用Uopp=Vcc。,在非線性區(qū)域內(nèi)，“虛短”現(xiàn)象已不存在,29,集成運算放大器外形圖,30,運算放大器外形圖,31,第2章 運算放大器及其線性應用,一、放大電路的基本指標 二、集成運算放大器 三、運算放大器運算電路 四

9、、有源濾波器 五、運算放大器線性應用舉例,32,33,三、 集成運放運算電路,（一）比例運算電路 （二）加法與減法電路 （三）積分與微分電路 （四） 基本應用電路,34,理想運算放大器, 理想運放的條件,1. 開環(huán)電壓增益AVO=; 2. 輸入電阻Ri =; 3. 輸出電阻Ro=0; 4. 頻帶寬度BW=; 5. 共模抑制比KCMR=; 6. 失調(diào)、漂移和內(nèi)部噪聲為零。,主要條件,條件較難滿足， 可采用專用運放 來近似滿足。,35,理想運放的工作狀態(tài),1. 理想運放的同相和反相輸入端電流近似為零,2. 理想運放的同相和反相輸入端電位近似相等 （線性工作狀態(tài)時）,虛斷,虛短,在運算放大器處于線性

10、狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為假想短路簡稱虛短。,虛地,如將運放的同相端接地，即V+ =0，則V- =0,即反相端是一個不接“地”的“地”，稱為虛地。,由于理想運放的輸入電阻非常高，可以把兩輸入端視為等效開路簡稱虛斷。,36,由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。,理想運放的條件,放大倍數(shù)與負載無關。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。,運放工作在線性區(qū)的特點,在分析信號運算電路時對運放的處理,37,分析運放組成的線性電路的出發(fā)點,虛短 虛斷 放大倍數(shù)與負載無關， 可以分開分析。,38,（一） 比例運算電路,作用：將信號按比例放大。,類型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關。,39,i1= iF,1) 放大倍數(shù),虛短,虛斷,1、反相比例運算電路,結(jié)構(gòu)特點：負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。 當RF=R1時，放大倍數(shù)為