08-zch05、信号运算电路4.ppt

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1、模拟电子技术基础,电子教案 V1.0,陈大钦 主编,华中科技大学电信系 邹韬平,2,章目录,第1章 绪论,第2章 半导体二极管及其应用电路,第3章 半导体三极管及其放大电路基础,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础,第5章 信号运算电路,第6章 负反馈放大电路,第7章 信号处理与产生电路,第8章 场效应管及其放大电路,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,模拟电子技术基础,3,多级放大电路组成及模电发展线索,输入级Ri,中间放大级AV ,输出级Ro ,共集、共射,共射、共基,共集,第8章 场效应管,第4.3.2节 差分放大电路,2个信号相减,第9章 功率放大电路

2、,直接耦合零漂,Ri,RL特别小,第4.3.1节 电流源,第5、10章 集成运算放大器,性能改善,第6章 反馈技术、方法,第5、7、11章 运算放大器应用 各种功能电路,稳定Q 电路,5 信号运算电路,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.4 加减运算电路,5.7 集成运放性能指标对运算误差的影响,5 信号运算电路,5.1 运算放大器的工作原理,5.3 运算电路的三种输入方式,5.5 积分电路和微分电路,5.8 变跨导模拟乘法器及其在运算电路中的应用,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,(只讲1例),重点,不做要求,一般了解,5,5.1 运算放大器的工作原理,5.1.1 原理电路及代表符号,

3、5.1.2 电路模型及传输特性,10.1 通用型集成运算放大器,2. 集成运算放大器的代表符号及端子,1. 原理电路,6,5.1.1 原理电路及代表符号,in,out,直接耦合多级放大电路,中间放大级复合管共射,输出级 2级共集,镜像电流源输入级偏置,镜像电流源T5的偏置,反相端,同相端,相位？,1. 原理电路,读图,差分输入级双入单出,7,(a)原理电路 图5.1.1 简单的集成运算放大器,5.1.1 原理电路及代表符号,5.1 运算放大器的工作原理,1. 原理电路, 高增益直接耦合放大器, 输入级: 由T1、T2组成双端输入、单端输出差分放大电路。, 中间电压放大级: 由T3、T4组成复合

4、管共射极电路，, 输出级: 由T5、T6组成的两级射极跟随器电路, 相位关系,(+),(),(+),(),(),(),v0 = Aod( vp vN),8,（1）放大电路的直流分析,已知：当vi1 = vi2 = 0时，vo = 0 ；, = 100；VBE = 0.7V 。, 差分输入级, 中间放大级,例6.3.1,9,（1）放大电路的直流分析,例6.3.1,已知：当vi1 = vi2 = 0时，vo = 0 ；, = 100；VBE = 0.7V 。, 输出级,直流电平移动 Vo = VB5-VBE5 -VR5 -VBE6 = VB5-2VBE IC9R5,10,（2）放大电路的输入、输出

5、电阻,例6.3.1,rbe1= rbe2=5.45k，rbe3 =262k ，rbe4= rbe5=2.8k，rbe6=725, =100,rce=200k,Rid=,Ric=,Ro2=,Ri2 =19.9M,Ro1=,= rbe3 + (1+ )rbe4 +(1+ )R4 ,Ri3 =10.6M,2rbe1 =10.9k,0.5rbe1 +(1+ )2rce7 =20M,R2=14.3k,R3=5.1k,= rbe5 + (1+ )R5 + rce9 / rbe6 +(1+ )R6 ,11,（3）放大电路的总增益,例6.3.1,Ri2 =19.9M R2,Ri3 =10.6M,12,集成电路

6、 运算放大器,直接耦合 多级放大电路,符号：,特点：,电压增益高（差模）,输入电阻大,输出电阻小,10.1 通用型集成运算放大器,13,10.1.3 741运放的组成及工作原理,读图,差分放大输入级 共集共基组合 双入单出,中间放大级 复合管共射,前置放大 共集缓冲,2个二极管 甲乙类功放,相位,14,10.1.3 741运放的组成及工作原理,读图,镜像电流源A 静态偏置,电流源B 有源负载,微电流源 静态偏置,镜像电流源 稳定工作点？,T,带缓冲级的比例电流源 调零、有源负载？,限流保护 T15,T21,io Iomax,vR9 0.5V,T15导通,15,LM741集成运放的简化电路,=

7、-2,小结：,高增益的直接耦合 多级差分放大电路,集成电路运算放大器,16,2. 集成运算放大器的代表符号及端子,5.1.1 原理电路及代表符号,5.1 运算放大器的工作原理,v0 = Aod( vP vN ),Aod称为集成运算放大器的差模电压增益,vP vN 称为差模输入电压,(b)国家标准规定的符号 (c)现阶段国内外普遍使用的符号,高增益的直接耦合多级差分放大电路,17,(a) 带公共地的两个直流电源 (b) 简化画法 图5.1.2 运算放大器中的直流电源,5.1.1 原理电路及代表符号,5.1 运算放大器的工作原理,还有两个电源供给端（一般隐含）,2. 集成运算放大器的代表符号及端子

8、,18,5.1.2 电路模型及传输特性,5.1 运算放大器的工作原理,1. 电路模型,图5.1.3 集成运算放大器的(简化)低频等效电路,19,2. 传输特性,运放工作在线性区时，必须满足条件,VOL Aod (vPvN) VOH,当运放工作在饱和区时，则可分别表示为,当Aod (vPvN) VOH ，则v0 = VOH,5.1.2 电路模型及传输特性,5.1 运算放大器的工作原理,当Aod (vPvN) VOL ，则v0 = VOL,20,运算放大器外形图,SO8(Plastic Micropackage),5 信号运算电路,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.4 加减运算电路,5.7 集

9、成运放性能指标对运算误差的影响,5 信号运算电路,5.1 运算放大器的工作原理,5.3 运算电路的三种输入方式,5.5 积分电路和微分电路,5.8 变跨导模拟乘法器及其在运算电路中的应用,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,22,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.2.1 输入失调参数,5.2.2 差模特性参数,5.2.4 大信号动态特性,5.2.3 共模特性参数,5.2.5 电源特性参数,极限参数,电特性参数（Ta=25C）,以A741C为例,23,极限参数, 电源电压,5V 18V, 最大允许功耗, 最大差模输入电压, 最大共模输入电压, 工作温度范围, 保存温度范围,军品：-55C

10、125C,-65C 150C,通用：0C 70C,Vidmax 30V,Vicmax 15V,670mW（DIP）,5.2 集成运算放大器的主要参数,高压型（特殊） HA2645 80V D41 150V,24,5.2.1 输入失调参数,1. 输入失调电压VIO,2. 输入偏置电流IIB,3. 输入失调电流IIO,4. 温度漂移,（1）输入失调电压温漂VIO / T,（2）输入失调电流温漂IIO / T,2mV,80nA,20nA,20V/C,高精度(低漂移型）,OP177,0.5nA/ C,A741C,精密仪表放大器,25,5.2.2 差模特性参数,1. 开环差模电压增益AVO,2. 开环带

11、宽BW (fH),3. 单位增益带宽 BWG (fT),3dB带宽,BJT 105106 FET 109以上。,无反馈,“高增益型”达140200dB,4.差模输入电阻rid,A741,高速型 宽带型,高输入阻抗型,26,5.2.3 共模特性参数,A741典型值为90dB，性能好的高达180dB。,1.共模抑制比 KCMR,2.共模输入电阻ric,5.2.5 电源特性参数,1.电源电压抑制比 PSVR,A741典型值为90dB,2.静态功耗 PD,3.电源电流 IOC,50mW,1.7mA,低功耗型：,空间技术和生物科学研究 电源电压较低，电流微弱 OP22 ：静态功耗PD = 36 W。 O

12、P290 ：PD = 24 W（0.8 V） CF7612：PD = 50 W（5 V）,27,5.2.4 大信号动态特性, 转换速率S R（压摆率）,A741典型值为0.5V/ s,反映运放对于快速变化的输入大信号的响应能力,28,其它参数,OP37,AD9620,CF357,AD9618,高速型、宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A等高速数据采集测试系统。 用于小信号放大时，可注重 fH 或 fT ； 用于高速大信号放大时，同时还应注重SR 。, 最大输出电流Iomax,13V 14V, 最大输出电压VOPP,25mA,功率型: LM12,5 信号运算电路,5.2 集成运算放大器的

13、主要参数,5.4 加减运算电路,5.7 集成运放性能指标对运算误差的影响,5 信号运算电路,5.1 运算放大器的工作原理,5.3 运算电路的三种输入方式,5.5 积分电路和微分电路,5.8 变跨导模拟乘法器及其在运算电路中的应用,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,30,5.3 运算电路的三种输入方式,5.3.1 同相输入放大电路 及虚断概念的引出,5.3.2 反相输入放大电路,5.3.3 差分输入放大电路, 集成运放应用概述,31, 集成运放应用概述,引言：,集成运放,性能很理想的差分放大电路,但是 3个问题？,1. 差模电压增益AVO 2105 (106dB),2. 输入失调电压温漂VI

14、O / T 20V/C,3. 3dB带宽 fH 7Hz,VO / T AVOVIO/T = 4V/C,最大输出电压VOPP 14V（Vom）,易引起频率失真,最大输入电压:,如何使用？线性范围小,32,1. 应用分类,按功能分类,按工作区域分类,线性应用,非线性应用 电压比较器, 集成运放应用概述,33,2. 线性应用的条件,必须引入负反馈，用Xf 抵消Xi ，使Vid Vim，运放工作在线性区。,由于AVO , 为深度负反馈，可用虚短和虚断。,理想运放,虚断,(vP= vN ),虚短,增益与负载无关, 集成运放应用概述,34,3. 分析任务及方法,任务：,（1）求vO 或iO 表达式 电路功

15、能,（2）考虑Ri 、RO 等其他指标的要求,方法：,（1）按理想运放进行分析或设计 即利用深度负反馈的虚短、虚断 多个基本电路的级联（组合）,（2）考虑非理想参数 计算误差, 集成运放应用概述,35,3. 分析任务及方法,小信号低频等效电路,（2）考虑非理想参数 计算误差, 集成运放应用概述,36,5.3.1 同相输入放大电路及虚断概念的引出,线性应用的条件,vO = Aod( vP vN ),= AodvI,必须引入负反馈，用Xf 抵消Xi ，使Vid Vim，运放工作在线性区。,无负反馈：,引入负反馈：,输出电压vo通过R1和Rf 分压，将输出电压vo在R1上的压降加到运放的反相输入端N

16、，这种信号的反相传输就称为反馈。,vd = vP vN 净输入减小,37,线性应用的条件,vO = Aod( vP vN ),= AodvI,必须引入负反馈，用Xf 抵消Xi ， 使Vid Vim，运放工作在线性区。,无负反馈：,引入负反馈：, vd = vN vP 净输入增大,vd = vP vN 净输入减小,5.3.1 同相输入放大电路及虚断概念的引出,为正反馈,规律：单个运放，反馈引回反相输入端为负反馈,38,5.3.1 同相输入放大电路及虚断概念的引出,电压增益,vO = Aod( vP vN ),= AodvI,无负反馈：,有负反馈：,vO = Aod( vP vN ),代入得：,通

17、常满足(1+AodFv) 1时有,由虚短vP = vN得：,39,虚短和虚断,5.3.1 同相输入放大电路及虚断概念的引出,5.3 运算电路的三种输入方式,通常满足(1+AodFv) 1时有,故vPvN称为虚短,由于rid，vPvN，故iN=iP0。称为虚断。,Av = vo / vi 1/Fv,通常满足(1+AodFv) 1，因此上式可近似为,40,但是 3个问题？,1. 差模电压增益AVO 2105 (106dB),2. 输入失调电压温漂VIO / T 20V/C,3. 3dB带宽 fH 7Hz,VO / T AVOVIO/T = 4V/C,最大输出电压VOPP 14V（Vom）,易引起频

18、率失真,最大输入电压:,如何使用？线性范围小, 集成运放应用概述,2. 线性应用的条件,41,5.3.2 反相输入放大电路,(1) 反相比例,(2) 同相比例,虚短、虚断,(虚地),性能特点,输入电阻小（Ri = R1 ）,运放共模输入电压 0,有虚地 设计简单,输入电阻大（Ri = ）,运放共模输入电压 vi,对运放KCMR 要求较高,平衡电阻 输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入差分级的对称性。,42,误差分析举例：VIO、IIO不为零时的情况,反相比例,*第8.2节,=0,平衡电阻,理想运放,=0,43,减小误差的方法,误差分析举例：VIO、IIO不为零时的情况,反相比例, 设置平衡

19、电阻 R2 =R1 / Rf, 选用自带调零电路的运放, 输入端加补偿（调零）电路,虚短：,虚断：,图8.2.4,44,分析举例1,设计要求：,Ri = 1M ，AV = -100,解：,R1 = Ri = 1M,为了用低值电阻实现高电压增益的反相比例运算（习题8.1.9）,i1,R2 = R1 = Ri = 1M,取：,R2 R3 ,R4 (k),R4 = 99k,R3 = 1k,45,分析举例2,理想运放构成的电路如图所示，该电路采用了自举扩展的方法提高电路的输入阻抗。,(1) 求闭环增益AVF ；,(2) 当满足(RR1)/R 0.05%时， 求电路的输入阻抗Rif ？,R1 = 20k

20、,解: (1) 由A1的虚短、虚断得：,(2) 由Ri的定义式得：,因A2构成反相比例，所以：,(+),(+),(-),(-),(+),46,5.3.3 差分输入放大电路,5.3 运算电路的三种输入方式,图5.3.4 差分输入放大电路,1. 利用叠加原理求输出电压的表达式,分析方法：,2. 利用虚短直接求输出电压的表达式,47,5.3.3 差分输入放大电路,图5.3.4 差分输入放大电路,2. 利用虚短直接求输出电压表达式,由(1)得:,48,5.4 加减运算电路,5.4.1 加法电路,5.4.2 减法电路,49,5.4.1 加法电路,反相比例加法,电路(1),电路(2),同相比例加法,反相器

21、,图8.1.1,习题8.1.1,50,分析举例3,(1) 求vO 表达式,(2) 说明A1 , A2各构成 什么功能电路。,解:,第一级A1反相比例,第二级A2反相加法,利用反相信号求和 以实现减法运算,图8.1.2,新的电路结构多级运放,51,5.4.2 减法电路,(1) 利用反相信号求和,图8.1.2,(2)利用差分式电路,分析方法小结：,(1) 基本的虚短、虚断,(2) 分解为基本电路（多个运放）,(3) 叠加原理,特点：,有虚地、结构简单,输入电阻小,特点：,电阻要配对、无虚地、,输入电阻不等,52,分析举例6,(1) 求vO 表达式,(2) 说明A1 , A2各构成 什么功能电路。,

22、集成运放均是理想的,解:,第一级A1同相比例,第二级A2差分电路,具有高输入电阻的减法电路,53,关于差分式电路的讨论,(1)电阻要配对,(2)无虚地,(3)输入电阻不等,为实现,增益调节麻烦,电阻配对精度共模抑制比,串联负反馈和并联负反馈,5.4.2 减法电路,54,分析举例4,求电压增益表达式,解：,A1、A2为电压跟随器， 所以,对A3利用虚短、虚断有,A4为反相比例,解得：,习题8.1.7,55,分析举例5,第二级A3差分减法电路,第一级A1 、A2,例题8.1.1,56,5.5 积分电路和微分电路,5.5.1 积分电路,5.5.2 微分电路,图1.3.4 RC低通电路,图1.3.6

23、RC高通电路,57,5.5.1 积分电路, 特点： 反相比例 Rf C, 输出表达式推导：,根据“虚短、虚断”，得,反相积分运算,方法二： C ZC = 1/sC,58,分析举例7,习题8.1.12,用方法二较方便,59, 积分应用, 阶跃响应 产生斜坡电压,积分时限,设Vom=15V, VS=+3V, R=10k , C=1F,=0.05秒,恒流充电!,5.5.1 积分电路,60, 方波 三角波, 积分应用, 阶跃响应 产生斜坡电压, 移相,5.5.1 积分电路,61,图5.5.4 例5.5.1波形,例5-5-1,设R=50k，C=0.1F，且t =0时，vo =0，试画出理想情况下输出电压

24、的波形，并标出其幅值。,解:,因此，三角波的正向峰值为+10V，负向峰值为10V。,图5.5.2 反相积分电路,62,5.5.2 微分电路, 特点： 反相比例 R1 C, 输出表达式推导：,根据“虚短、虚断”，得,传递函数 ：,63,对高频噪声特别敏感，以致输出噪声可能完全淹没微分信号。,输出表达式 ：,5.5.2 微分电路,64,基本要求,了解集成运算放大器的基本组成和主要参数 了解失调电压和失调电流对实际运放的影响及零漂的消除方法 会利用“虚短”和“虚断”的概念，分析计算反相比例、同相比例、加、减、积分、微分等电路组成的各种运算电路,5 信号运算电路,65,5.6 对数和反对数(指数)运算

25、电路,5.6.1 对数运算电路,5.6.2 反对数(指数)运算电路,5 信号运算电路,66,(a) 简单的对数运算电路 (b) 用三极管作对数元件的对数电路 图5.6.1 对数运算电路,由二极管的伏安特性方程式,设运放是理想的，则有,5.6.1 对数运算电路,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,输出表达式 ：,在实际应用中，为了扩大对数运算电路的动态范围，常利用三极管T的发射结代替二极管D作为对数元件。,67,图5.6.2 简单的反对数运算电路,5.6.2 反对数(指数)运算电路,5.6 对数和反对数(指数)运算电路,反对数(即指数)运算电路是对数运算电路的逆运算电路。因此，只要将简单的对数运算电路中的D和R位置互换，便可得到简单的反对数运算电路,68,5.7 集成运放性能指标对运算误差的影响,5.7.1 开环电压增益Aod为有限值引起闭环增益的误差,5.7.2 共模抑制比KCMR为有限值引起闭环增益的误差,5.7.3 输入失调参数VIO、IIO 和输入偏置电流IIB引起输出电压的误差,阅读材料 自学,69,5.8 变跨导模拟乘法器 及其在运算电路中的应用,5.8.1 变跨导模拟乘法器简介,5.8.2 模拟乘法器在运算电路中的应用,阅读材料 自学,