第十六章(现代电路理论中的新器件)教程课件.ppt

第第1616章章 现代电路理论中现代电路理论中的新器件的新器件集成运算放大器集成运算放大器16.1回转器回转器16.2负阻抗变换器负阻抗变换器16.3首首 页页本章重点本章重点3.3.负阻抗变换器负阻抗变换器l 重点重点2.2.回转器回转器返 回1.1.含理想运算放大器的含理想运算放大器的 电阻电路分析电阻电路分析l 运算放大器运算放大器是是一一种种有有着着十十分分广广泛泛用用途途的的电电子子器器件件。最最早早开开始始应应用用于于1940年年，1960年年后后，随随着着集集成成电电路路技技术术的的发发展展，运运算算放放大大器器逐逐步步集集成成化化，大大大大降降低了成本，获得了越来越广泛的应用。低了成本，获得了越来越广泛的应用。16.1 16.1 集成集成运算放大器运算放大器1.1.简介简介下 页上 页返 回l 应用应用信号的运算电路信号的运算电路下 页上 页比例、加、减、对数、指比例、加、减、对数、指数、积分、微分等运算。数、积分、微分等运算。产生方波、锯齿波等波形产生方波、锯齿波等波形信号的处理电路信号的处理电路信号的发生电路信号的发生电路有源滤波器、精密整流电路、有源滤波器、精密整流电路、电压比较器、采样电压比较器、采样保持电保持电路。路。返 回l 电路电路输输入入级级偏置偏置电路电路中间级中间级用以电用以电压放大压放大输输出出级级输入端输入端输出端输出端下 页上 页频带过窄频带过窄线性范围小线性范围小缺点：缺点：加入负反馈加入负反馈扩展频带扩展频带减小非线性失真减小非线性失真优点：优点：高增益高增益输入电阻大，输出电阻小输入电阻大，输出电阻小返 回下 页上 页集成运算放大器集成运算放大器返 回l 符号符号7654321+15V15V8 8个管脚：个管脚：2 2：反向输入端：反向输入端3 3：同：同向输入端向输入端4 4、7 7：电源端：电源端6 6：输出端：输出端1 1、5 5：外接调零电位器：外接调零电位器8 8：空脚：空脚单单向向放放大大下 页上 页返 回l电路符号电路符号a a：反反向输入端，输入电压向输入端，输入电压ub b：非反向：非反向输入端，输入电压输入端，输入电压u+o o：输出端：输出端,输出电压输出电压 uo在在电电路路符符号号图图中中一一般般不不画画出出直直流流电电源端，而只有源端，而只有a,b,o三端和接地端。三端和接地端。图图中中参参考考方方向向表表示示每每一一点点对对地地的的电电压压，在在接接地端未画出时尤须注意。地端未画出时尤须注意。A：开开环环电电压压放放大大倍倍数数，可达十几万倍。可达十几万倍。:公共端公共端(接地端接地端)下 页上 页注意+_+u+u-+_uoao+_udb_+A+返 回 在在 a,b 间间加加一一电电压压 ud=u+-u-，可可得得输输出出uo和和输输入入ud之间的转移特性曲线如下：之间的转移特性曲线如下：2.2.运算放大器的静特性运算放大器的静特性Usat-Usat-Uo/VUd/mV0实际特性实际特性au+u-uoo+_ud_+A+b下 页上 页返 回Usat-Usat-Uo/VUd/mV0分三个区域：分三个区域：线性工作区：线性工作区：|ud|则则 uo=Usatud-则则 uo=-Usat 是是 一一 个个 数数 值值 很很 小小 的的 电电 压压，例例 如如Usat=13V,A=105，则则=0.13mV。近似特性近似特性下 页上 页注意返 回3.3.电路模型电路模型输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻当当:u+=0,则则uo=Au当当:u=0,则则uo=Au4.4.理想运算放大器理想运算放大器下 页上 页+_A(u+-u-)RoRiu+u-uo在线性放大区，将运放电路作如下理想化处理：在线性放大区，将运放电路作如下理想化处理：Auo为有限值，则为有限值，则ud=0,即即u+=u-，两个两个输入端之间相当于短路输入端之间相当于短路(虚短路虚短路)Ri i+=0,i=0。即从输入端看进去，元即从输入端看进去，元件相当于开路件相当于开路(虚断路虚断路)。Ro 0返 回5.5.比例电路的分析比例电路的分析(1)(1)反向比例器反向比例器运运放放开开环环工工作作极极不不稳稳定定，一一般般外外部部接接若若干干元元件件(R、C等等)，使其工作在闭环状态。，使其工作在闭环状态。下 页上 页+_uo+_uiR1RfRL21_+A+21R1RiRfRo-Aun1+_uoRL运放等效电路运放等效电路+_ui返 回用结点法分析：用结点法分析：(电阻用电导表示电阻用电导表示)(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui-Gf un1(Gf+Go+GL)un2=-GoAu1u1=un1整理，得：整理，得：(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui(-Gf+GoA)un1(Gf+Go+GL)un2=0解得：解得：下 页上 页21R1RiRfRo-Au1+_+_uoRL+_ui(2)(2)电路分析电路分析返 回因因A一一般般很很大大，上上式式分分母母中中Gf(AGo-Gf)一一项项的的值值比比(G1+Gi+Gf)(G1+Gi+Gf)要大得多。所以要大得多。所以uo/ui只只取取决决于于反反馈馈电电阻阻Rf与与R1比比值值，而而与与放放大大器器本本身身的的参参数数无无关关。负负号号表表明明uo和和ui总总是是符符号号相相反反(反反向向比例器比例器)。下 页上 页表明返 回根据根据“虚短虚短”：根据根据“虚断虚断”：u+=u-=0，i1=ui/R1 i2=-uo/Rfi-=0，i2=i1下 页上 页以上近似结果可将运放看作理想情况而得以上近似结果可将运放看作理想情况而得到。由理想运放的特性：到。由理想运放的特性：注意i1i2+_uo+_uiR1RfRL21_+返 回当当R1 和和Rf 确确定定后后，为为使使uo不不超超过过饱饱和和电电压压(即即保保证工作在线性区证工作在线性区)，对，对ui有一定限制有一定限制。运放工作在开环状态极不稳定，振荡在饱和区运放工作在开环状态极不稳定，振荡在饱和区;工作在闭环状态，输出电压由外电路决定。工作在闭环状态，输出电压由外电路决定。(Rf 接在输出端和反相输入端接在输出端和反相输入端,称为负反馈称为负反馈)。下 页上 页注意+_uo+_uiR1RfRL21_+返 回16.2 16.2 回转器回转器 回转器是一种线性非互易的多端元件，可以回转器是一种线性非互易的多端元件，可以用晶体管电路或运算放大器来实现。用晶体管电路或运算放大器来实现。1.1.回转器的特性方程回转器的特性方程下 页上 页回转器的基本特性回转器的基本特性l 符号符号u2i2i1u1-+-l 电压电流关系电压电流关系回转电阻回转电阻返 回下 页上 页u2i2i1u1-+-回转电导回转电导或写为或写为简称回转常数，表征回转器特性的参数。简称回转常数，表征回转器特性的参数。l Z、Y、T参数参数Z参数参数返 回下 页上 页u2i2i1u1-+-Y参数参数T参数参数结论回转器是非互易的两端口网络。回转器是非互易的两端口网络。返 回回转器另外的表达形式回转器另外的表达形式下 页上 页u2i2i1u1-+-任一瞬间输入回任一瞬间输入回转器的功率为：转器的功率为：l 功率功率结论理想回转器是不储能、不耗能的无源线理想回转器是不储能、不耗能的无源线性两端口元件。性两端口元件。回转器的等效电路回转器的等效电路u2i2i1u1-+-+-ri1-ri2u2i2i1u1-+-gu1gu2返 回下 页上 页2.2.回转器的基本性质回转器的基本性质回转器的逆变性回转器的逆变性图示电路的输入阻抗为：图示电路的输入阻抗为：u2i2i1u1-+-ZL或：或：逆变性逆变性返 回由于由于下 页上 页结论 回转器具有把一个电容回转为一个电感的回转器具有把一个电容回转为一个电感的本领，实现了没有磁场的电感，这为实现难于集本领，实现了没有磁场的电感，这为实现难于集成的电感提供了可能性。成的电感提供了可能性。返 回从端口从端口1 1看看，u1、i1关系为一等效电感关系关系为一等效电感关系，L=r2C.若若 r=50k,C=1 F则则 等效电感等效电感 L=2500H！3.回转器电路实例回转器电路实例u2 ARRRRR F C+RR+u1正是回转器方程正是回转器方程u2 ARRRRR F C+RR+u1下 页上 页例例2利用回转器实现理想变压器。利用回转器实现理想变压器。图示电路的图示电路的T参数为：参数为：g1i2i1u1-+u2+-g2*n:1+_u1+_u2结论 两个回转器的级联相当于一个变比两个回转器的级联相当于一个变比n=g2/g1的理想变压器。的理想变压器。返 回 负阻抗变换器（简称负阻抗变换器（简称NIC）是一个能将阻抗是一个能将阻抗按一定比例进行变换并改变其符号的二端口元件，按一定比例进行变换并改变其符号的二端口元件，可以用晶体管电路或运算放大器来实现。可以用晶体管电路或运算放大器来实现。16.3 16.3 负阻抗变换器负阻抗变换器下 页上 页负阻抗变换器的基本特性负阻抗变换器的基本特性l 符号符号l 电压电流关系电压电流关系电流反向型电流反向型（CNIC）+u1i1i2+u2NIC返 回下 页上 页或或l T参数参数+u1i1i2+u2NIC电压反向型电压反向型（VNIC）正阻抗变为负阻抗的性质正阻抗变为负阻抗的性质ZL+u1i1i2+u2NIC返 回上 页例例负阻抗变换器负阻抗变换器的的k=1、n=1，求输入阻抗。求输入阻抗。结论jZiNIC12解解j0.5Zi0.5等效网络等效网络 可以用可以用NIC和和RC元件组成的网络来实现元件组成的网络来实现RL或或RLC元件组成的网络。元件组成的网络。返 回电路举例：电路举例：R2abcR1+电流反向型电流反向型负阻抗变换器负阻抗变换器当输出端口接阻抗当输出端口接阻抗 ZL 时时将变换式代将变换式代入入R2abcR1+若若 ZL=R，则则即即 Zi 为一负电阻。为一负电阻。+Z得得R2abcR1+ZL若若 ，则则具有电感特性；具有电感特性；具有电容特性。具有电容特性。当当 时，时，当当R1=R2时，将有时，将有所以输入输出的公共点接地是必要条件。所以输入输出的公共点接地是必要条件。该例也称该例也称接地型负阻抗变换器接地型负阻抗变换器。，Zi=-ZL。从公式及。从公式及电路图看，有可能电路图看，有可能