2 集成电路运算放大器.ppt

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1、第第2章章 集成运放的线性应用集成运放的线性应用2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器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图图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图图图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第第2章章 集成运放的线性应用集成运放的线性应用2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.集成电路运算放大器的代表符号集成电路运算放大器的代表符号3.运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型图图2.1.3 运算放大器的电路模型运

2、算放大器的电路模型通常：通常：开环电压增益开环电压增益 Avo105（很高）（很高）输入电阻输入电阻 ri 106（很大）（很大）输出电阻输出电阻 ro 100（很小）（很小）vOAvo(vPvN)（V vO V）3.运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型理想集成运放理想集成运放 开环电压增益开环电压增益 Avo输入电阻输入电阻 ri 输出电阻输出电阻 ro 00 vOAvo(vPvN)（V vO V）若若 vo 一定值，则一定值，则 vp vN虚断虚断虚短虚短4.运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性当当Avo(vPvN)V 时时

3、vO V 当当Avo(vPvN)V-时时 vO V-电压传输特性电压传输特性 vO f(vPvN)线性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率end非常大非常大(vPvN)线性范围非常窄线性范围非常窄理想集成运放开环工作时理想集成运放开环工作时称集成运放工作在非线性区称集成运放工作在非线性区5.运算放大器的非线性应用运算放大器的非线性应用模拟电压比较器模拟电压比较器集成运放引入负反馈集成运放引入负反馈vO=Avo(vP-vN)而理想运放而理想运放 Avo 应有应有 v vP v vN 运放工作在线性区特征是引入深度负反馈运放工作在线性区特征是引入深度负反馈6.运算放大器的线性应用

4、运算放大器的线性应用称工作于线性区称工作于线性区可灵活运用虚短、虚断概念分析集成运放的线性电路可灵活运用虚短、虚断概念分析集成运放的线性电路vO为为有限值（有限值（V vO V），又又2.3运放基本线性电路运放基本线性电路2.3.1 同相比例放大电路同相比例放大电路2.3.2 反相比例放大电路反相比例放大电路利用虚短和虚断得利用虚短和虚断得2.3.1 同相比例放大电路同相比例放大电路电压串联负反馈电压串联负反馈（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）电压串联负反馈电压串联负反馈特点：特点：运算电路输入电阻很大运算电路输入电阻很大运运算算放放大大器器输输入入端端有有共共模模信信号号（无虚地，

5、尽管仍有虚短）（无虚地，尽管仍有虚短）输出电阻输出电阻Ro Ro0电压串联负反馈电压串联负反馈R2=0,R1=vovn vp vi电压跟随器电压跟随器电压跟随器的作用电压跟随器的作用无无电压跟随器时电压跟随器时 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ip00，vp vsvo vp vs根据虚短和虚断的概念有根据虚短和虚断的概念有 vn vp 0，i1i2 即即（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）2.3.2 反相比例放大电路反相比例放大电路电压并联负反馈电压并联负反馈为提高精度，一般取为提高精度，一般取平衡电阻平衡电阻保证集成运放的输入级保证集成运放的输入级差放的对称性

6、差放的对称性若若 R1=R2，v vo=-v vI 反相器（模拟）反相器（模拟）特点：特点：2.3.2 反相比例放大电路反相比例放大电路运算放大器输入端无共模信号运算放大器输入端无共模信号（虚地！）（虚地！）输入电阻输入电阻Ri 输出电阻输出电阻Ro Ro0当当R2 R3时，时，（1）试证明）试证明VS(R3R1/R2)IM 解解:（1）根据虚断有）根据虚断有 II=0例例2.3.3指针式（磁电式）直流毫伏表电路指针式（磁电式）直流毫伏表电路（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压输入信号电压VS100mV时，通过时，通过毫伏表的最大电流毫伏表的最大电流IM(max)？根据虚短有根据虚短

7、有 VP=VN=0当当R2 R3时时end（2）代入数据计算即可）代入数据计算即可电流并联负反馈电流并联负反馈2.4.3 求和电路求和电路(加法电路加法电路)根据根据虚短虚短：若若则有则有根据根据虚断虚断：反相比例求和电路反相比例求和电路若若则有则有输出再接一级反相电路输出再接一级反相电路可得可得（加法运算）（加法运算）可扩展为多个输入电压相加可扩展为多个输入电压相加第一级反相比例第一级反相比例第二级反相加法第二级反相加法（1）利用信号取反求和以实现减法运算）利用信号取反求和以实现减法运算即即当当 时时得得（减法运算）（减法运算）2.4.1 求差电路求差电路(减法电路减法电路)当当则则若继续有

8、若继续有则则 根据根据虚短虚短、虚断虚断（2）差分式减法电路）差分式减法电路实现了对差分信号的放大实现了对差分信号的放大此电路也可用此电路也可用叠加原理叠加原理来分析来分析vi1单独作用时，单独作用时，vi2接地接地为一为一反相比例放大器反相比例放大器vi2单独作用时，单独作用时，vi1接地接地为为一同相比例放大器一同相比例放大器则则若有若有R3=R2则则v3 v4又作为后级差分式又作为后级差分式减法器的输入减法器的输入此电路此电路输入电阻高、输出电阻低输入电阻高、输出电阻低，且，且抑制共模信号的能力强抑制共模信号的能力强利用差分式减法器利用差分式减法器式代入式代入式，得式，得2.4.2 仪用

9、放大器仪用放大器电路如图所示，集成运放输出电压的最大幅值为电路如图所示，集成运放输出电压的最大幅值为14V，填表。填表。1510141.15.51114uI/V0.10.51.01.5uO1/VuO2/V求求电路的运算关系电路的运算关系 I3434uRRR+2I21I1f)(RuRuR+-O1u=21f)1(RRR+RCvsvcVsvct ic 不是常数不是常数vo随随t呈呈指数规律指数规律不是线性积分。不是线性积分。如何能实现线性积分？如何能实现线性积分？必须恒流充电！必须恒流充电！回忆一阶回忆一阶RC积分电路积分电路由由一阶系统过渡过程一阶系统过渡过程2.4.4 积分电路和微分电路积分电路

10、和微分电路1.积分电路积分电路根根据据“虚虚短短”，得得根根据据“虚虚断断”，得得设电容器设电容器C的初始电压为零，则的初始电压为零，则（积分运算）（积分运算）负号表示负号表示：vI为为+,输出为负向积分；输出为负向积分；vI为为-,输出为正向积分输出为正向积分反相积分电路反相积分电路 当当vI为阶跃电压时，为阶跃电压时，有有即为恒流充电即为恒流充电v vo由由例例2.4.3（b）t1t20840120t=0vo/Vt/s（a）5010t1t240120vI/Vt/s图图 8.1.7R=10K ,C=5nF,V+=+15V,V-=-15VVc(0)=0,vI 的波形为已知，求的波形为已知，求

11、vo 波形波形vo(t1)1=8Vvo(t2)=vo(t1)vIRC(t2-t1)=0V在在正向积分段正向积分段在在反向积分段反向积分段积分电路如图所示：积分电路如图所示：iC=CdvCdt虚短虚短iC=iR把积分电路的把积分电路的R、C对换位置，对换位置，得微分电路得微分电路虚断虚断2.微分电路微分电路iC=CdvIdt若若vi为正弦波为正弦波则则这表明随着这表明随着 f vo即此电路对高频噪声敏感！即此电路对高频噪声敏感！改进电路：改进电路：RvoCvi.RPR减小对高频噪声减小对高频噪声的增益的增益归纳与推广归纳与推广上面讨论的比例放大、加法、减法、积分、微分等运算电路可用上面讨论的比例

12、放大、加法、减法、积分、微分等运算电路可用下面的一般电路形式实现：下面的一般电路形式实现：Z1、Zf：S=j表示微分运算表示微分运算表示积分运算表示积分运算感抗感抗容抗容抗改变改变Z1、Zf 的的形式，可形式，可实现各种基本运算。实现各种基本运算。传递函数传递函数R L C串、并联电路串、并联电路的复数阻抗的复数阻抗ZfZ1AVi(S)Vo(S)I(S)If(S)右侧括号内第一、二两项表示比例运算；第三项表示右侧括号内第一、二两项表示比例运算；第三项表示微分运算；第四项表示积分运算；微分运算；第四项表示积分运算；传递函数：传递函数：R2voC2R1C1vI 此为比例此为比例-积分积分-微分运算

13、电路，在自动控制系统中微分运算电路，在自动控制系统中常用于组成常用于组成PID调节器。调节器。比例比例-积分运算用于提高调节精度，微分运算则用于积分运算用于提高调节精度，微分运算则用于加速过渡过程加速过渡过程6.6 变跨导式模拟乘法器变跨导式模拟乘法器 P2956.6.1 变跨导式模拟乘法器的工作原理变跨导式模拟乘法器的工作原理6.6.2 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用模拟乘法器的符号和等效电路：模拟乘法器的符号和等效电路：若若vx、vy可可正、可负正、可负称四象限模拟乘法器称四象限模拟乘法器 与集成运放结合，通过各种不同的外接电路，可实现乘与集成运放结合，通过各种不同的外接电路，可实现乘法

14、、除法、乘方、开方等运算，还可组成调制解调器等。法、除法、乘方、开方等运算，还可组成调制解调器等。vo=K vx vy1.运算电路运算电路6.6.2 放模拟乘法器的应用放模拟乘法器的应用乘方乘方 除法除法 只有当只有当vX2为正极性时，才能保证运算放大器是处于负反为正极性时，才能保证运算放大器是处于负反馈工作状态，而馈工作状态，而vX1则可正可负，故属二象限除法器。则可正可负，故属二象限除法器。利用虚短和虚断概念有利用虚短和虚断概念有得得由乘法器的功能有由乘法器的功能有模拟乘法器做为反馈环节模拟乘法器做为反馈环节则则v1必须为负值，否则引入正反馈。必须为负值，否则引入正反馈。负电压开平方电路负

15、电压开平方电路 正电压开平方电路正电压开平方电路RRvIv2+=0v1=-v2=-Kvo2R1R2vIv3+=0又又R2KR1vIVo=v1必须为正值，否则引入正反馈。必须为正值，否则引入正反馈。开平方运算电路开平方运算电路KvXvYRvovI 0Rp2R2A1A2v2v3Rp1R1R平方电路为反馈环节平方电路为反馈环节 开立方运算电路开立方运算电路设设 R1=R2，在反馈电路中，插入更多乘法器可以实现更高次开方运在反馈电路中，插入更多乘法器可以实现更高次开方运算电路。算电路。vI可正可负，电路都引入负反馈可正可负，电路都引入负反馈v v2v v3vIvo立方电路为反馈支路立方电路为反馈支路对

16、音频信号的对音频信号的调制：调制：将音频信号将音频信号“装载装载”于高频信号的过程。于高频信号的过程。分调幅、调频和调相。分调幅、调频和调相。通信领域，信号由发送端经调制输出；接收端对信号解调还原成原来的信息。通信领域，信号由发送端经调制输出；接收端对信号解调还原成原来的信息。如调幅广播、调频广播如调幅广播、调频广播3.用模拟乘法器实现调制与解调用模拟乘法器实现调制与解调调制信号调制信号载波信号载波信号调幅调幅调频调频模拟乘法器的输出：模拟乘法器的输出：调幅调幅上式可改写为：上式可改写为：可知，输出电压的频谱由两个边频可知，输出电压的频谱由两个边频和频、差频和频、差频 上边频、下边频上边频、下

17、边频在模拟乘法器输出端加一带通滤波器，滤掉上边频信号，在模拟乘法器输出端加一带通滤波器，滤掉上边频信号，即为单边频振幅调制器。即为单边频振幅调制器。载波信号载波信号vc和调制信号和调制信号vs分别加于模拟乘法器两个输入端。分别加于模拟乘法器两个输入端。载波信号载波信号调制信号调制信号K vx vyvo1带通带通滤波器滤波器单边带信号输出单边带信号输出vo=KVsVc2Cos(c-s)t解调解调：从调幅波中提取调制信号的过程称为解调。从调幅波中提取调制信号的过程称为解调。模拟乘法器两输入端分别接调幅波的下边带信号和载波信号，模拟乘法器两输入端分别接调幅波的下边带信号和载波信号，end载波信号载波

18、信号K vx vyvo2低通低通滤波器滤波器v1=V1Cos(c-s)t差频信号差频信号vo=KV1Vc2Cos st输出端通过低通滤波器取出二者的差频，即为调制信号输出端通过低通滤波器取出二者的差频，即为调制信号作业：作业：2.3.1 2.3.2 2.4.2 2.4.5 2.4.7 2.4.8 2.4.9 2.3.1vo=6Vvo=2V2.3.2(a)2.3.2(c)图题图题2.4.2 图题图题2.4.2图题图题2.4.7,求求 vo1、vo2、vo的值的值图题图题2.4.9,求求 vo 的表达式的表达式小测验小测验a ab bc cd de ef fg gh hi i*（1）合合理理连连线线，接接入入信信号号源源和和反反馈馈，使使电电路路的的输输入入电电阻阻增大，输出电阻减小；增大，输出电阻减小；（2）若）若 则则RF应取多少千欧？应取多少千欧？答案：答案：（1）如下连线）如下连线*（2）。，故因 190k 201f1fW=+RRRAvf