模拟电子技术 查丽斌1第一章模拟集成运算放大电路

1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础 第1章 模拟集成运算放大电路张敏张敏1363284033713632840337 QQQQ：646606399646606399南区光电大楼南区光电大楼S604BS604B接访时间：每周三上午接访时间：每周三上午9:30-11:309:30-11:30第1章 模拟集成运算放大电路1.1 放大电路概述及其主要性能指标1.2 集成电路运算放大器1.3 理想集成运算放大器1.4 基本运算电路1.5 集成运放的单电源供电1.1 放大电路概述及其主要性能指标放大电路概述及其主要性能指标u放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现VC

2、C至少一路直流电源至少一路直流电源供电，是能源供电，是能源判断电路能否放大的基本出发点判断电路能否放大的基本出发点u放大的特征：功率放大放大的特征：功率放大常用正弦波做测试信号常用正弦波做测试信号u放大的对象：变化量放大的对象：变化量u放大的基本要求：不失真放大的基本要求：不失真放大的前提放大的前提输入信号为零时为静态。输入信号为零时为静态。能够控制能量的元件能够控制能量的元件一、一、 放大电路概述放大电路概述 二、二、 放大电路的方框图及其主要性能指标放大电路的方框图及其主要性能指标1. 1. 放大倍数：输出量与输入量之比放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数电压放

3、大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源信号源信号源内阻内阻输入电压输入电压输入电流输入电流输出输出电压电压输出输出电流电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。研究的是动态性能研究的是动态性能iouuuUUAA ioiiiIIAA ouiirUAAIoiuigIAAU2. 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻将输出等效成将输出等效成有内阻的电压有内阻的电压源，内阻就是源，内阻就是输出电阻。输出电阻。LooLoooo)1(RUURUUUR 带带RL时的时的输出电压有输出电压有效值效值iiiIUR 输入电压与输入电压与输入电流有输入电流有效值之

4、比。效值之比。从输入端从输入端看进去的看进去的等效电阻等效电阻空载时输空载时输出电压有出电压有效值效值 二、二、 放大电路的方框图及其主要性能指标放大电路的方框图及其主要性能指标3、通频带、通频带由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率下限频率上限频率上限频率LHbwfff 二、二、 放大电路的方框图及其主要性能指标放大电路的方框图及其主要性能指

5、标两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端将集成运放看成为一个将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，1.2 模拟集成电路运算放大器模拟集成电路运算放大器一、一、 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元三、集成运放的符号及电压传输特性三、集成运放的符号及电压传输特性集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小不同型号的集成运放供电

6、电源不同，有的两路电源不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是省时认为是VCC （常为（常为15V ）供电。）供电。1. 符号符号极性相同极性相同极性相反极性相反集成运算放大器是电压放大器，因此可用双口网络集成运算放大器是电压放大器，因此可用双口网络来表示。来表示。 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 开环电压开环电压放大倍数放大倍数 2集成运算放大器的电路模型集成运算放大器的电路模型3电压传输特性电压传输特性:输出电压与输入电压的函数关系输出电压与输入电压的函数关系Ood+-()uAuu线性

7、区线性区开环差模增益开环差模增益高达几十万倍高达几十万倍非线性区非线性区输出不是高电平输出不是高电平+UOM就是低电平就是低电平-UOM若若UOM= 14V，Aod=5 105，则为保证集成运放工作在线，则为保证集成运放工作在线性区，输入信号的范围为多少？性区，输入信号的范围为多少？|uP-uN|28VUOM的值决的值决定于什么？定于什么？OI+-()()uf uf uu1.3 理想集成运算放大器理想集成运算放大器n 一、理想运放的参数：一、理想运放的参数：差模输入电阻差模输入电阻rid=、输出电阻输出电阻ro=0、开环增益开环增益Aod=、频带无限宽、温度对参数无频带无限宽、温度对参数无影响

8、影响问题：问题：1. 若将输入信号直接加在理想运放若将输入信号直接加在理想运放的输入端，则理想运放有可能工的输入端，则理想运放有可能工作在线性区吗？作在线性区吗？2. 负载电阻的阻值变化时，理想运负载电阻的阻值变化时，理想运放的输出电压变化吗？为什么？放的输出电压变化吗？为什么？ 理想运放的理想运放的符号符号与与简简化电路模型化电路模型如图所示如图所示(不能，不能， 因因Aod=，需引入负反馈，需引入负反馈)(不变，输出等效为恒压源不变，输出等效为恒压源)有限值有限值无穷大无穷大无穷小无穷小为保证理想运放工作在线为保证理想运放工作在线性区，必须引入负反馈。性区，必须引入负反馈。无源无源网络网络

9、反馈反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量，称为反馈。来影响输入量，称为反馈。正、负反馈正、负反馈：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。UO U_ UO 1. 电路结构电路结构二、理想运放工作在线性区的特点二、理想运放工作在线性区的特点Ood+-()uAuu由于由于UO为有限值，为有限值，Aod，因而净输入电压因而净输入电压U+U_0，即即因为净输入电压为零，又因为因为净输

10、入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，输入端的输入电流也均为零，即即U+U-虚短路虚短路I+I_0虚断路虚断路 “虚短虚短”和和“虚断虚断”是分析工作在线性区的集是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的两个基本出发点。成运放的应用电路的两个基本出发点。2.工作在线性区的特点工作在线性区的特点三、理想运放工作在非线性区的特点三、理想运放工作在非线性区的特点1. 电路特征电路特征 理想运放工作在开环状态理想运放工作在开环状态引入正反馈，使其输出量的变化引入正反馈，使其输出量的变化增大增大开环、正反馈开环、正反馈势必工作在非线性区势必工作在非

11、线性区无源网络无源网络电压传输特性电压传输特性 2.理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：OHoOLUUUUUUU 输出电压只有高、低两种电平输出电压只有高、低两种电平因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即所以两个输入端的输入电流也均为零，即I+I_0 虚断路虚断路工作在非线性区的理想运放仍具有工作在非线性区的理想运放仍具有“虚断虚断”的特的特点，但一般不具有点，但一般不具有“虚短虚短”的特点。的特点。 一、比例运算电路一、比例运算电路1.4 基本运算电路基本运算电路foi1RUUR 1

12、) 电路的输入电阻为多少？电路的输入电阻为多少？2) Rp？为什么？为什么？虚地虚地1. 1. 反相输入反相输入Rp=RRf3) 若要若要Ri100k，比例系数为，比例系数为10，Rf？保证输入级的对称性保证输入级的对称性Au4) 若要用反相输入比例运算电路做放大电路，则若要用反相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？1fII0UUi11UIRoffUIR foi1(1)RUUR 运算关系的分析方法：运算关系的分析方法：节点电流法节点电流法输入电阻为多少？输入电阻为多少？AuiUUU0II一、比例运算电路一、比例运算电路1fioi1f0 ,UUUIIRR 2. 同相输入同相输入 OiUUUUi

13、o?RR同相输入比例运算电路的特例：同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器电压跟随器一、比例运算电路一、比例运算电路电压跟随器的作用电压跟随器的作用无电压跟随器时无电压跟随器时 负载上得到的电压负载上得到的电压电压跟随器时电压跟随器时根据虚短和虚根据虚短和虚断有断有LossLss10.011001RuRRuu uosuuuu一、比例运算电路一、比例运算电路二、加减运算电路二、加减运算电路0II方法一：节点电流法方法一：节点电流法1. 反相求和反相求和f123IIIIoi3i1i2f123UUUURRRR0UUi3i1i2of123()UUUURRRR 方法二：利用叠加原理方法二：利用叠加原理

14、首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。出电压。fO1i11RuuR fO2i22fO3i33RuuRRuuR fffOO1O2O3i1i2i3123RRRuuuuuuuRRR 二、加减运算电路二、加减运算电路同理可得同理可得2. 同相求和of0UUURR f123,IIIIIi1i2123UUUUURRRUi1作用时的U+必不可少吗？必不可少吗？用节点电流法：UU 2313ffOi1i211123213/ / /(1)(1)()/ / /

15、RRRRRRUUUURRRRRRRR 用叠加定理也可以写出：解得:Ui2作用时的U+二、加减运算电路电路如图所示，电路平衡条件为电路如图所示，电路平衡条件为 1f23/ / /RRRR 用叠加定理可以写出：用叠加定理可以写出：i1U作用时作用时 foi11RUUR i2U作用时作用时 fo1(1)RUUR 3i223RUURR 3ffoooi2i11231(1)RRRUUUUURRRR 当电路电阻满足条件当电路电阻满足条件f132/RRRR foi1i21()RUUUR 3.减法电路减法电路二、加减运算电路二、加减运算电路双运放减法运算电路双运放减法运算电路双运放减法运算电路如图所示。双运放减

16、法运算电路如图所示。2i2o5i1143()RUURUR RR 二、加减运算电路二、加减运算电路三、积分运算电路和微分运算电路三、积分运算电路和微分运算电路21 OiO1 1f1d( )ttuu tutR C iofff1i1f11dd1duuIttCCRu tR C f1II 1 1. . 积分运算电路积分运算电路i11uIR offdduICt Oi21O11f1()( )uu ttutR C 反相反相若若ui在在t1t2为常量，则为常量，则移相移相1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形？输入为阶跃信号时的输出电压波形？2) 输入为方波时的输出电压波形？输入为方波时的输出电压波形？3) 输入

17、为正弦波时的输出电压波形？输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分线性积分波形变换波形变换利用积分运算的基本关系实现不同的功能利用积分运算的基本关系实现不同的功能IIOI1dUUtttRCRC uu虚地虚地i1dduICt ioff1ffdduuI RI RR Ct 2. 微分运算电路微分运算电路isinutOfcosuR Ct 放大高频噪声，少用放大高频噪声，少用1.5 集成运放的单电源供电集成运放的单电源供电图中电阻图中电阻R2、R3是用是用来设置直流工作点来设置直流工作点 ,使使得得 3CCCC2312RUVVRR23RR此时反相输入端口及输出端口此时反相输入端口及输出端口的直流电位均为的直流电位均为0。电容为放大。电容为放大器的交流耦合隔直电容。器的交流耦合隔直电容。 取取则此时的反相交流放大器则此时的反相交流放大器的闭环增益为的闭环增益为 ofufi1u