zch05、信号运算电路

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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,模拟电子技术基础,第1章 绪论 2学时,第2章 半导体二极管及其应用电路 4学时,第3章 半导体三极管及其放大电路基础 14学时,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础 6学时,第5章 信号运算电路 4学时,第6章 负反馈放大电路 6学时,第7章 信号处理与产生电路 4学时,第8章 场效应管及其放大电路 4学时,共：44学时,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,2个器件,BJT,FET,二极管,核心 内容,1个电路,三极管,放大电路,集成运放,完美的 放大电路,核心 基础

2、,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,重点,不做要求,一般了解,7 信号处理与产生电路,7.2 开关电容滤波器,7.4 正弦波振荡电路的基本概念,7.7 非正弦波产生电路,7 信号处理与产生电路,7.1 有源滤波器,7.3 电压比较器,7.5 RC正弦波振荡电路,7.8 单片集成函数发生器8038简介,7.6 LC正弦波振荡

3、电路,*,*, ,5,授课顺序调整,5.2 集成运算放大器的主要参数,5.4 加减运算电路,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 信号运算电路,7 信号处理与产生电路,7.4 正弦波振荡电路的基本概念,7.7 非正弦波产生电路,7.3 电压比较器,7.5 RC正弦波振荡电路,6,授课顺序调整1,5.4 加减运算电路,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 信号运算电路,7 信号处理与产生电路,7.7 非正弦波产生电路,7.3 电压比较器, 集成运放应用概述,7,2.1 集成电路运算放大器,2.2 理想运算放大器,2

4、.3 基本线性运放电路,2.4 同相输入和反相输入 放大电路的其他应用,第2章 运算放大器,1. 集成电路运算放大器的内部组成单元,2. 运算放大器的电路模型,2.3.1 同相放大电路,2.3.2 反相放大电路,2.4.1 求差电路,2.4.2 仪用放大器,2.4.3 求和电路,2.4.4 积分电路和微分电路,问题2：什么是理想运放？,问题3：运放常用放大电路有什么结构规律? 运放电路的分析方法？,问题1：集成运放具有什么放大特性? 放大的线性边界条件?,理想放大 放大外特性,集成运放基本应用-线性部分,第1个 元器件,8,2.1 集成电路运算放大器, 元件符号,2. 运算放大器的电路模型,1

5、. 集成电路运算放大器的内部组成单元, 差分的基本概念,晶体管偏置在放大区 两个电源端(一般隐含),供电直流电源,更多的端子： 集成运放A741,ua741-ti.pdf,9,晶体管偏置在放大区 两个电源端(一般隐含), 元件符号,2. 运算放大器的电路模型,1. 集成电路运算放大器的内部组成单元, 差分的基本概念,供电直流电源,2.1 集成电路运算放大器,10, 差分的基本概念,-,+,集成运放符号, 差分功能：实现2个信号相减,vP(vi1)同相输入端；,vN(vi2)反相输入端, 输入端命名, 应用背景：电桥测量,线性电路、叠加原理,例如铂电阻测温,但实际输出为,11,-,+, 差分功能

6、：实现2个信号相减,vP(vi1)同相输入端；,vN(vi2)反相输入端, 输入端命名, 应用背景：电桥测量,线性电路、叠加原理,例如铂电阻测温,但实际输出为, 差模信号与共模信号,差模,共模,差模电压增益,共模电压增益,误差,共模抑制比, 差分的基本概念,12,2.1 集成电路运算放大器, 元件符号,2. 运算放大器的电路模型,1. 集成电路运算放大器的内部组成单元, 差分的基本概念,晶体管偏置在放大区 两个电源端(一般隐含),供电直流电源,更多的端子： 集成运放A741,ua741-ti.pdf,13,1. 集成电路运算放大器的内部组成单元,图2.1.1 集成运放内部结构框图,问题1：集成

7、运放具有什么特性？,问题1b：多级放大器的总增益是?,问题1a：差分放大是什么功能？,结论：高增益的多级电压放大电路(带差分功能),组成：3个放大器串联 多级放大器。,差模电压增益,差模信号,2.1 集成电路运算放大器,14,2. 运算放大器的电路模型,2.1 集成电路运算放大器,差分电压放大电路 (高增益),电压放大电路,15,2. 运算放大器的电路模型,2.1 集成电路运算放大器,差分电压放大电路 (高增益),电压放大电路,电压传输特性,16,2. 运算放大器的电路模型,2.1 集成电路运算放大器,差分电压放大电路 (高增益),电压传输特性,问题1：集成运放具有什么放大特性? 放大的线性边

8、界条件?,具有比较理想的放大特性,实际运放通常有： 开环差模电压增益 Aod 105 (很高),输入电阻 ri 106 （很大）,输出电阻 ro 100 （很小）, 线性工作区(放大区),放大的线性边界条件:,-Vom vo Vom, 当Aod(vid) V- 时 vo Vom V-, 非线性工作区, 当Aod(vid) V 时 vo Vom V,17,rail-to-rail,18,2.1 集成电路运算放大器,2.2 理想运算放大器,2.3 基本线性运放电路,2.4 同相输入和反相输入 放大电路的其他应用,第2章 运算放大器,1. 集成电路运算放大器的内部组成单元,2. 运算放大器的电路模型

9、,2.3.1 同相放大电路,2.3.2 反相放大电路,2.4.1 求差电路,2.4.2 仪用放大器,2.4.3 求和电路,2.4.4 积分电路和微分电路,问题2：什么是理想运放？,问题3：运放常用放大电路有什么结构规律? 运放电路的分析方法？,问题1：集成运放具有什么放大特性? 放大的线性边界条件?,理想放大 放大外特性, 差分电压放大器(性能比较理想) 高增益 多级放大电路 线性边界 供电直流电源(Vom),理想运放 运放电路的近似分析方法 理想运放 = 虚短、虚断 成立条件：运放工作在线性区,集成运放基本应用-线性部分,第1个 元器件,19,2.2 理想运算放大器,问题2：集成运放电路的近

10、似分析方法?,工作在线性区 放大(由负反馈保证),工作在非线性区 比较器 (9.8.1节),近似分析方法参数理想化(理想运放),(1)输出电阻,(2)输入电阻,(3)线性范围,(5)电压增益,vo饱和极限值=电源电压,可不考虑负载效应,虚断,(6)其他,若 vp vn，则 vo= +Vom=V 若 vp vn，则 vo= Vom=V,虚短,20,Ideal Parameters,The Operational Amplifier,Practical Specifications,Analysis Method,可不考虑负载效应,Virtual short,Virtual open,工程近似方法

11、,21,2.1 集成电路运算放大器,2.2 理想运算放大器,2.3 基本线性运放电路,2.4 同相输入和反相输入 放大电路的其他应用,第2章 运算放大器,1. 集成电路运算放大器的内部组成单元,2. 运算放大器的电路模型,2.3.1 同相放大电路,2.3.2 反相放大电路,2.4.1 求差电路,2.4.2 仪用放大器,2.4.3 求和电路,2.4.4 积分电路和微分电路,问题2：什么是理想运放？,问题3：运放常用放大电路有什么结构规律? 运放电路的分析方法？,问题1：集成运放具有什么放大特性? 放大的线性边界条件?,理想放大 放大外特性, 差分电压放大器(性能比较理想) 高增益 多级放大电路

12、线性边界 供电直流电源(Vom),理想运放 运放电路的近似分析方法 理想运放 = 虚短、虚断 成立条件：运放工作在线性区,集成运放基本应用-线性部分,第1个 元器件,22, 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）,易引起频率失真,最大输入电压:,如何使用？线性范围小；增益,23,1. 应用分类,按功能分类,按工作区域分类,线性应用,非线性

13、应用 电压比较器, 集成运放应用概述,24,2. 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,25,3. 分析任务及方法,任务：,（1）求vO 或iO 表达式 电路功能,（2）考虑Ri 、RO 等其他指标的要求,方法：,（1）按理想运放（虚短、虚断）进行分析或设计,（2）考虑非理想参数 计算误差, 集成运放应用概述,小信号低频等效电路,26,5.3 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.

14、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,27,授课顺序调整1,5.4 加减运算电路,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 信号运算电路,7 信号处理与产生电路,7.7 非正弦波产生电路,7.3 电压比较器, 集成运放应用概述,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,28,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：,引入反馈：,输出电压vo通过R1和Rf 分压

15、，将输出电压vo在R1上的压降加到运放的反相输入端N，这种信号的反相传输就称为反馈。,vd = vP vN 净输入减小 相互抵消作用（负反馈）,5.3.1 同相输入放大电路及虚断概念的引出,vd = vP ,29,vd = vN vP = vI vF 净输入增大（正反馈）,vd = vP vN = vI vF 净输入减小（负反馈）,vd = vP vN = vP = vI, vd = vN vP = vN = vI,规律：单个运放，反馈引回反相输入端为负反馈,30,5.3.1 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：,通常满足(1+AodFv) 1时有,由虚短vP = vN直接可得：,31,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