电子线路综合提高教案 第二章

1、电子线路综合提高电子线路综合提高 第二章第二章蒋慧琳蒋慧琳2022-5-11第一章第一章 运算放大器运算放大器l 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）l 2.2 理想运算放大器理想运算放大器l 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路l 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用l 2.5 SPICE仿真例题（略）仿真例题（略）22022-5-112.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）l 2.1.1 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n 集成电路运算放大器集

2、成电路运算放大器p 一种电子器件一种电子器件p 采用一定制造工艺将大量半导体三极管、电阻、电容等元采用一定制造工艺将大量半导体三极管、电阻、电容等元件及它们之间的连线制作在同一小块单晶硅的芯片上并具件及它们之间的连线制作在同一小块单晶硅的芯片上并具有一定功能的电子电路有一定功能的电子电路p 类型多、电路不一致类型多、电路不一致p 电路结构共同之处电路结构共同之处 是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路合放大电路32022-5-112.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）n 集成电路运

3、算放大器的内部结构框图集成电路运算放大器的内部结构框图p 多级多级 输入级、中间级、输出级输入级、中间级、输出级2022-5-1142.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）p 输入级：差分式放大电路输入级：差分式放大电路 利用其对称性提高整个电路的性能利用其对称性提高整个电路的性能p 中间级：电压放大级中间级：电压放大级 提高电压增益，可由一级或多级放大电路组成提高电压增益，可由一级或多级放大电路组成p 输出级：功率放大级输出级：功率放大级 电压增益为电压增益为1，能为负载提供一定功率，能为负载提供一定功率2022-5-1152.1 2.1 集成电路运算放大

4、器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）p 由两个电源由两个电源V+和和V-供电供电p 两个输入端：两个输入端：P、N，一个输出端：，一个输出端：O 同相输入端同相输入端P：P端加入电压信号端加入电压信号vp（vn=0）时，）时，O端得到的端得到的输出电压输出电压vo与与vp同相同相 反相输入端反相输入端N：N端加入电压信号端加入电压信号vn（vp=0）时，）时，O端得到的端得到的输出电压输出电压vo与与vn相反相反2022-5-1162.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）p 三端电压：三端电压：vp、vn、vo，以正、负电源的中间接点作为参，以正、负

5、电源的中间接点作为参考电位考电位p 实际集成运放实际集成运放P、N与与O端的电压信号之间的相位关系是确端的电压信号之间的相位关系是确定的定的2022-5-1172.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）p p 信号传输过程信号传输过程 将输入信号电压将输入信号电压vp、vn加到差分放大输入级两输入端时，输加到差分放大输入级两输入端时，输出电压出电压vo1=Av1（vp-vn），），Av1是输入级电压增益是输入级电压增益 vo1传送到中间级进行电压放大，在中间级的输出端产生输传送到中间级进行电压放大，在中间级的输出端产生输出电压出电压vo2=Av1Av2（vp-

6、vn） 输出级利用的输出级利用的vo2控制作用，对外接负载供给一定功率控制作用，对外接负载供给一定功率2022-5-1182.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）p 运放的输出电压运放的输出电压 vo=Avo（vp-vn）p 运放的开环电压增益运放的开环电压增益 运放由输出端到输入端无外接反馈元件时的电压增益运放由输出端到输入端无外接反馈元件时的电压增益 Avo=Av1Av22022-5-1192.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）n 运算放大器的代表符号运算放大器的代表符号p 表示信号从传输的方向表示信号从传输的方向

7、输入端输入端输出端，左侧输出端，左侧右侧右侧p 本书采用本书采用b2022-5-1110图图2.1.2 运算放大器的代表符号运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号）国内外常用符号2.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）l 2.1.2 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型n将运放看作简化的具有端口特性的标准器件n可用包含输入端口、输出端口、供电电源端的电路模型代表2022-5-1111图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型2.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成

8、运放）n 参数特征参数特征p 开环电压增益开环电压增益Avo 105 （很高）（很高）p 输入电阻输入电阻ri 106（很大）（很大）p 输出电阻输出电阻ro 100 （很小）（很小） p 输出电压不超过正、负电源电压值输出电压不超过正、负电源电压值2022-5-1112（ V vO V ） Avo(vPvN) V 时，时，vom V正饱和极限值正饱和极限值 Avo(vPvN) V-时，时，vom V-负饱和极限值负饱和极限值 2.1 2.1 集成电路运算放大器（集成运放）集成电路运算放大器（集成运放）n 电压传输特性电压传输特性p Avo值高导致性能不稳定，值高导致性能不稳定， 为使集成运放

9、组成的应用为使集成运放组成的应用 电路能稳定工作在先行区，电路能稳定工作在先行区， 需引入负反馈需引入负反馈2022-5-1113 vO f (vPvN)线性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo 斜率（很大）斜率（很大）图图2.1.4 运放的电压传输特性运放的电压传输特性2.2 2.2 理想运算放大器理想运算放大器n 理想运放性能参数理想运放性能参数2022-5-11141. vo o的饱和极限值等于运放的的饱和极限值等于运放的电源电压电源电压V和和V 2. 运放的开环电压增益很高运放的开环电压增益很高 若（若（vPvN）0 则则 vO= +Vom=V 若（若（vPvN）0 则则 v

10、O= Vom=V 3. 若若V vO R R3 3时，时，（1 1）试证明）试证明V Vs s( ( R R3 3R R1 1/ /R R2 2 ) ) I Im m 解（解（1 1）根据虚断有）根据虚断有 I Ii i =0=0所以所以 I I2 2 = = I Is s = = V Vs s / / R R1 1 例例2.3.32.3.3直流毫伏表电路直流毫伏表电路（2 2）R R1 1R R2 2150k150k ，R R3 31k1k ，输入信号电压输入信号电压V Vs s100mV100mV时，通过时，通过毫伏表的最大电流毫伏表的最大电流I Im(max)m(max)？ 又又根据虚短

11、有根据虚短有 V Vp p = = V Vn n =0=0R R2 2和和R R3 3相当于并联，所以相当于并联，所以 I I2 2R R2 2 = = R R3 3 ( (I I2 2 - - I Im m ) )所以所以1s332mRVRRRI)( 当当R R2 2 R R3 3时，时，V Vs s( ( R R3 3R R1 1/ /R R2 2 ) ) I Im m （2 2）代入数据计算即可）代入数据计算即可2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1132l 2.4.1 2.4.1 求差电路求差电路l 2.4.2 2.4.

12、2 仪用放大器仪用放大器l 2.4.3 2.4.3 求和电路求和电路l 2.4.4 2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1133l 2.4.1 2.4.1 求差电路求差电路n 实现两个电压实现两个电压 、 相减，又称差分放大电路或减法相减，又称差分放大电路或减法电路电路n 结构上是反相输入和同相输入相结合的放大电路结构上是反相输入和同相输入相结合的放大电路 i1vi2v图图2.4.1 求差电路求差电路 2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的

13、其他应用2022-5-11344on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(当当,2314RRRR 则则)(i1i214ovvRRv 若若,14RR 则则i1i2ovvv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N、P P点的点的KCLKCL（基尔霍夫电流定（基尔霍夫电流定律）得：律）得：pnvv （i1=i4） （i2=i3） 2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1135从放大器角度看从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 时，时，2314RRRR )(i1i214

14、ovvRRv 增益为增益为2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1136例例2.4.1 2.4.1 一种高输入电阻的差分电路一种高输入电阻的差分电路第一级：同相输入放大电路第一级：同相输入放大电路第二级：差分放大电路第二级：差分放大电路i1121o11vv)(RRi1222i2222222222o2vRRvRRRRRRv)(输入电阻：无穷大（同同相放大电路）输入电阻：无穷大（同同相放大电路）2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1137l 2.4.2 2.4.2 仪用

15、放大器仪用放大器n 运放运放A A1 1、A A2 2同相输入接法组成第一级差分放大电路同相输入接法组成第一级差分放大电路n A A3 3第二级差分放大电路第二级差分放大电路 图图2.4.3 仪用放大器仪用放大器 2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1138n 、 分别加到分别加到A A1 1、A A2 2同相端同相端n R R1 1、R R2 2组成反馈网络，引入负反馈组成反馈网络，引入负反馈n 两输入端形成虚短、虚断两输入端形成虚短、虚断 i1vi2v图图2.4.3 仪用放大器仪用放大器 2.4 2.4 同相输入和反相输入放

16、大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1139n ， n 图图2.4.3 仪用放大器仪用放大器 )(21 ()(1234342143ovvRRRRvvRRv21R1vvv1212RRvvRv43R1)21 (1234RRRRvvvAv21o电压增益为：电压增益为：输入电阻：无穷大输入电阻：无穷大2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1140n 仪用放大器中，仪用放大器中，R R2 2、R R3 3和和R R4 4为给定值，为给定值，R R1 1用可变电阻代用可变电阻代替，调节替，调节R R1 1的值改变

17、电压增益的值改变电压增益 图图2.4.3 仪用放大器仪用放大器 )21 (1234RRRRvvvAv21o电压增益为：电压增益为：输入电阻：无穷大输入电阻：无穷大2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1141l 2.4.3 2.4.3 求和电路（加法电路）求和电路（加法电路）n 将两个电压将两个电压 、 相加相加n 反相输入放大电路反相输入放大电路 i1vi2v图图2.4.4 求和电路求和电路 多端输入多端输入2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-11421Rni1-

18、vv3on-Rvv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N点点的的KCLKCL得：得：2i231 i13o-vRRvRRv 321RRR 若若0pn vv2ni2-Rvv 则有则有2i1 io-vvv 图图2.4.4 求和电路求和电路 输入端再接一级反相电路可消去负号输入端再接一级反相电路可消去负号2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1143l 2.4.4 2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路l 2.4.4.1 2.4.4.1 积分电路积分电路n 模拟积分模拟积分n 显示器扫描电路、模数转换器、数学模拟运算器显示器扫描

19、电路、模数转换器、数学模拟运算器 图图2.4.6 积分电路积分电路 2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1144输出电压为输入电压对时间的积分输出电压为输入电压对时间的积分负号表示负号表示vO与与vI相位相反相位相反根据根据“虚短虚短”，得，得根据根据“虚断虚断”，得，得0PP vv0i i因此因此RiiI12v 电容器以充电电流电容器以充电电流 被充电被充电设电容器设电容器C C的初始电压为零，则的初始电压为零，则 tRCtiCd1d1I2ONvvv tRCd1IOvv（积分运算）（积分运算）RiI2v2.4 2.4 同相输入

20、和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1145当当vI为阶跃电压时，电容以近似恒为阶跃电压时，电容以近似恒流方式充电，有流方式充电，有vO与与 t 成线性关系成线性关系 tRCd1IOvvtRCVitViRC积分时间常数积分时间常数2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1146根据根据 tRCd1IOvvtRCVitVi 时，时，-v -vo o=V=VI I； ，-v -vo o增大，直到增大，直到-v -vo o=+V=+Vomom。tt运放输出电压的最大值运放输出电压的最大值VomVo

21、m受直流电源电压限制，使运放进入受直流电源电压限制，使运放进入饱和状态，饱和状态，vovo保持不变，停止积分保持不变，停止积分2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1147l 2.4.4.2 2.4.4.2 微分电路微分电路n 将积分电路的电容与电阻调换位置将积分电路的电容与电阻调换位置n 选取较小时间常数选取较小时间常数RCRC 图图2.4.9 微分电路微分电路 2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用2022-5-1148 tRCddIOvv输出电压正比于输出电压正比于输入电压对时间输入电压对时间的微商；的微商；负号表示相位相反。负号表示相位相反。设电容器设电容器C C的初始电压为零，的初始电压为零，tRCRiiddIONvvvtCd