1、2.2 理想运算放大器,2.3 基本线性运算放大器,2.4 同相和反相运算放大器,2 运算放大器,绪论,2.1 集成电路运算放大器,集成电路：在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路。,概述,模拟集成电路，数字集成电路。,模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电压集成电路等。,集成电路的基片一般是由一块约0.2-0.25mm的P型硅片制成。,集成电路的特点（同分立器件电路相比）：,1.电路结构与元件参数具有对称性； 同一硅片，相同工艺元件特性相同。,2.大电阻不易集成； 硅半导体的体电阻
2、阻值范围不大（几十欧到几十K欧）, 误差大（10%到20%)；尽量少用电阻,常用有源器件代替无源器件。,3.采用复合结构的电路 电路中多采用复合管、共射-共基、共集-共基等组合电路。,4.级间采用直接耦合方式（级间耦合：阻容直接） 大电容不易集成。PN结电容几十皮法以下。,5.电路中常使用二极管 二极管多用作温度补偿元件，常用BJT的发射结构成。,通用型集成电路运算放大器,集成电路运算放大器的主要参数,参数的分类：,1. 输入误差信号,1）定义：用来表征输入为零时，输出对零的偏差折合到输入端的数值。反映了输入级不对称的程度。,2)两个概念： 失调：由于三极管的参数和电阻值不对称，通常零输入时，
3、输出不为零的现象。一般用调零装置来补偿。,集成电路运算放大器的主要参数,3）参数：输入失调电压VIO 输入失调电流IIO输入失调电压温漂VIO / T 输入失调电流温漂IIO / T输入偏置电流IIB,失调温漂：放大器失调随温度的变化而变化使输出量变化的现象。难以用调零装置补偿。,集成电路运算放大器的主要参数,2. 开环差模特性：开环差模电压增益AVO最大差模输入电压Vidmax开环带宽BW (fH)单位增益带宽 BWG (fT),3. 开环共模特性：开环共模电压增益AVO 最大共模输入电压Vicmax共模抑制比KCMR,1、集成电路运算放大电路结构框图,Positive,Negative,集
4、成电路运算放大器的内部组成单元,图2.1.2 运算放大器的代表符号 （a）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号,2. 运算放大器的电路模型,图2.1.3 运算放大器的电路模型,通常：开环电压增益Avo的105 （很高）,输入电阻ri 106 （很大）,输出电阻ro 100 （很小）,vOAvo(vPvN) （ V vO V ）,注意输入输出的相位关系,当Avo(vPvN) V 时vO V,当Avo(vPvN) V-时vO V-,电压传输特性vO f (vPvN),线性范围内vOAvo(vPvN),Avo斜率,2.2 理想运算放大器,1. vo的饱和极限值等于运放的电源电压V和V,2. 运放
5、的开环电压增益很高 若（vPvN）0 则 vO= +Vom=V 若（vPvN）0 则 vO= Vom=V,3. 若V vO V 则 （vPvN）0,4. 输入电阻ri的阻值很高 使 iP 0、iN 0,5. 输出电阻很小， ro 0,图2.2.1 运放的简化电路模型,基本运算电路, 比例运算电路, 积分电路, 微分电路, 减法电路, 加法电路,2.3.1 同相放大电路,（a）电路图 （b）小信号电路模型 图2.3.1 同相放大电路,1. 基本电路,反馈的基本概念,正反馈 负反馈,2. 负反馈的基本概念,开环,闭环,反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。,瞬时电位变化极性某时
6、刻电位的斜率,电路有 vo Avo (vpvn),引入反馈后,vn 0，vp(vi)不变, (vpvn), vo,使输出减小了，增益Avvo/vi下降了，这时的反馈称为负反馈。,3. 虚假短路,图中输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp， 即vpvn，或vidvpvn0。这种现象称为虚假短路，简称虚短,由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的ip-in (vpvn) / ri 0，这种现象称为虚断。,由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器，必须熟练掌握。,1. 比例运算电路,电压串联负反馈,（1）同相比例运算电路,利用虚短和虚断
7、得,运算放大器输入端有共模信号运算电路输入电阻很大,输出与输入同相,电压跟随器,电压跟随器的作用,无电压跟随器时负载上得到的电压,电压跟随器时,ip0，vpvs,根据虚短和虚断有,vovn vp vs,为提高精度，一般取,1. 比例运算电路,电压并联负反馈,电路为负反馈电路。,即电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立。,（2）反相比例运算电路,利用虚短和虚断得,运算放大器输入端无共模信号运算电路输入电阻较小,由于运放的增益一般有 ，,所以,输出与输入反相,3. 减法电路,第一级反相比例,第二级反相加法,（1）利用反相信号求和以实现减法运算,即,当 时,得,（减法运算）,从结构上看，它是反相输
8、入和同相输入相结合的放大电路。,（2）利用差分式电路以实现减法运算,当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：,2. 加法电路,根据虚短、虚断和N点的KCL得：,若,则有,（加法运算）,输出再接一级反相电路,可得,4. 积分电路,式中，负号表示vO与vS在相位上是相反的。,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,即,因此,电容器被充电，其充电电流为,设电容器C的初始电压为零，则,（积分运算）,当vS为阶跃电压时，有,4. 积分电路,vO与 t 成线性关系,5. 微分电路,end,当R2 R3时， （1）试证明Vs( R3R1/R2 ) Im,解（1）根据虚断有 Ii =0,所以 I
9、2 = Is = Vs / R1,例2.3.3直流毫伏表电路,（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压Vs100mV时，通过毫伏表的最大电流Im(max)？,又根据虚短有 Vp = Vn =0,R2和R3相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - Im ),所以,当R2 R3时，Vs( R3R1/R2 ) Im,（2）代入数据计算即可,2.4.2 仪用放大器,以下选讲！,实际运放电路的误差分析,共模抑制比KCMR为有限值的情况,输入失调电压VIO、输入失调电流IIO不为零时的情况,1. 共模抑制比KCMR为有限值的情况,同相比例运算电路,闭环电压增益,理想情况,越大，误差越小。,2
10、. VIO、IIO不为零时的情况,输入为零时的等效电路,解得误差电压,当 时，可以 消除偏置电流 引起的 误差，此时,当电路为积分运算时，,即 换成电容C，则,时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。,引起的误差仍存在,2. VIO、IIO不为零时的情况,减小误差的方法,输入端加补偿电路,利用运放自带的调零电路,end,对数和反对数运算电路, 对数运算电路, 反对数运算电路,其中，IES 是发射结反向饱和电流，vO是vS的对数运算。,1. 对数运算电路,利用PN结的指数特性实现对数运算,BJT的发射结有,注意：vS必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏,利用虚短和虚断，电路有,当 时，,v
11、O是vS的反对数运算（指数运算）,2. 反对数运算电路,利用虚短和虚断，电路有,要求,以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路,end,二阶有源滤波电路,1. 压控电压源低通滤波电路,归一化的幅频响应,相频响应,8.5.3 二阶有源滤波电路,1. 压控电压源低通滤波电路,归一化的幅频响应波特图,8.5.3 二阶有源滤波电路,2. 压控电压源高通滤波电路,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,归一化的幅频响应,8.5.3 二阶有源滤波电路,2. 压控电压源高通滤波电路,归一化的幅频响应波特图,8.5 有源滤波电路,8.5.1 基本概念及初步定义,8.5.2 一阶有源滤
12、波电路,高通滤波,低通滤波,基本概念,分类,8.5.3 二阶有源滤波电路,高通滤波,低通滤波,带通滤波,带阻滤波,带阻滤波,带通滤波,8.5.1 基本概念及初步定义,1. 基本概念,滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号得电子装置。,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,滤波电路传递函数定义,时，有,其中, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,时延响应为,2. 分类,低通（LPF）,希望抑制50Hz的干扰信号，应选用哪种类型的滤波电路？,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）,全通（APF）,放大音频信号，应选用哪种类型的滤波电路？,8.5.2 一阶有源滤波电路,
13、1. 低通滤波电路,传递函数,其中,特征角频率,故，幅频相应为,8.5.2 一阶有源滤波电路,2. 高通滤波电路,可由低通和高通串联得到,必须满足,3. 带通滤波电路,低通特征角频率,高通特征角频率,8.5.2 一阶有源滤波电路,4. 带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,8.5.3 二阶有源滤波电路,1. 压控电压源低通滤波电路,压控电压源电路（VCVS）,得滤波电路传递函数,（二阶）,8.5.3 二阶有源滤波电路,1. 压控电压源低通滤波电路,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,用 代入，可得传递函数的频率响应：,8.5.3 二阶有源滤波电路,3. 压控电压源带通滤波电路,可由低通和高通串联得到,8.5.3 二阶有源滤波电路,3. 压控电压源带通滤波电路,传递函数,得,8.5.3 二阶有源滤波电路,归一化的幅频响应波特图,3. 压控电压源带通滤波电路,8.5.3 二阶有源滤波电路,4. 双T带阻滤波电路,双T选频网络,8.5.3 二阶有源滤波电路,4. 双T带阻滤波电路,频率响应,8.5.3 二阶有源滤波电路,4. 双T带阻滤波电路,双T带阻滤波电路,end,本章结束,
