第2章 理想運(yùn)算放大器及其運(yùn)算電路

1、整理ppt第二章第二章 理想運(yùn)算放大器及其運(yùn)算電路理想運(yùn)算放大器及其運(yùn)算電路2.1 2.1 比例電路比例電路2.2 2.2 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路2.3 2.3 對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)電路2.4 2.4 集成模擬乘法器集成模擬乘法器2.5 2.5 有源濾波器有源濾波器整理pptu-u+ uo同相輸入端同相輸入端反相輸入端反相輸入端輸出端輸出端VVVo+A+-uuu預(yù)備知識(shí)預(yù)備知識(shí)整理ppt+_+_+vNvPAvovIdrori理想運(yùn)算放大器的等效電路iIvo整理ppt1. 運(yùn)放的電壓傳輸特性：運(yùn)放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運(yùn)放的運(yùn)放的Aod=104Ui1

2、mV時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當(dāng)當(dāng)Aod 時(shí)，線性區(qū)時(shí)，線性區(qū)0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)整理ppt2.理想運(yùn)算放大器：理想運(yùn)算放大器：開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod=差摸輸入電阻差摸輸入電阻 Rid=輸出電阻輸出電阻 Ro=0為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件：理想運(yùn)放工

3、作在線性區(qū)的條件： 電路中有負(fù)反饋！電路中有負(fù)反饋！運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（虛短（u+=u-）虛斷（虛斷（ii+=ii-=0）3. 線性區(qū)線性區(qū)uu+A+RiiRuu+ffoi11整理ppt4. 非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：電路開(kāi)環(huán)工作或引入正反饋！電路開(kāi)環(huán)工作或引入正反饋！VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui整理ppt2.1 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路一一. 反相比例運(yùn)算反相比例運(yùn)算虛地點(diǎn)虛地點(diǎn)i1=if （虛斷）（虛斷）因?yàn)橛胸?fù)反饋，因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和

4、虛斷利用虛短和虛斷u+ =0 u=u+=0（虛地）（虛地）反饋方式：反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋uu+A+RiiRuu+ffoi11電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù):1fioRRuuAfo1iRuRu 整理ppt例題例題1. R1=10k , Rf=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo 、Ri。說(shuō)明說(shuō)明R0的作用，的作用， R0應(yīng)為多大？應(yīng)為多大？特點(diǎn)：特點(diǎn)：共模輸入電壓共模輸入電壓=0（u=u+=0）缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：輸入電阻?。ㄝ斎腚娮栊。?Ri=R1） R0為平衡電阻為平衡電阻(使輸使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等相等):R0=R1/Rfuu+A+RiiRuu

5、+ffoi110R210201fuRRAV2) 1)(2(iuouAu1iRR 整理ppt采用采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路目的：在高比例系數(shù)時(shí)，避免目的：在高比例系數(shù)時(shí)，避免R1阻阻值太小，使輸入電阻太小。值太小，使輸入電阻太小。112Ruiii 3322RiRi 又又1322323RuRRiRRii 44220RiRiu )/1(342142RRRRRRAu 分析：分析：u+=u-=0（虛短）（虛短） i1=i2 （虛斷）（虛斷）uu+A+oi1R2R4RR31ii24ii343221)(RiiRRui 4132121)(RRuRRRuRRuiii 整理ppt二二.

6、 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路u-= u+= uii1=if （虛斷）虛斷）平衡電阻平衡電阻R=Rf/R1foi1i0RuuRu 因?yàn)橛胸?fù)反饋，因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷利用虛短和虛斷反饋方式：反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋uu+A+ouu+fiRf1iR1Ri特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸入電阻高輸入電阻高缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：共模輸入電壓共模輸入電壓0（u=u+=ui）電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù):1fio1RRuuA整理pptAu=1三三.電壓跟隨器電壓跟隨器此電路是同相比此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，例運(yùn)算的特殊情況，輸入電阻大，輸出輸入電阻大，輸出電阻小。電阻小。在電路中在電路中作用與分立元件的作

7、用與分立元件的射極輸出器相同，射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能但是電壓跟隨性能好。好。uuo+uA+uiui=u+= u-= uo因?yàn)橛胸?fù)反饋，因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷：利用虛短和虛斷：整理ppt1. 反相加法器：反相加法器：若若R1 =R2 =R, 平衡電阻平衡電阻R0= R1/ R2/Rf0 uui1 + i2= if2.2 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路一一. 加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路uuu0u2RAfofRi2+i+i2uR+i1Ri11虛地虛地fo2i21i1RuRuRu )(i22fi11fouRRuRRu )(i2i1fouuRRu 整理ppt2. 同相求和運(yùn)算：同相求和運(yùn)算：當(dāng)當(dāng)

8、R1 = R2 = Rf = R時(shí)時(shí), uuuuRi1RRf+i1A+ofiu+i2R12uu+A+ouu+fifRRRii112i2111i212)()(uRRRuRRRu )()(1(2i2111i212fouRRRuRRRRRuAuu 2ioi1uuu 同相比例運(yùn)算同相比例運(yùn)算:ifo)1 (uRRu整理ppt二二. 減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路1、利用加法器和反相比例器、利用加法器和反相比例器)(i22fi11fuRRuRRuo i11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo uuu0fuuRi1RRoiA+1+R2fAR+uu+Ri2uO A/2R整理ppt疊加原理疊加

9、原理2、差動(dòng)減法器、差動(dòng)減法器 ui1作用作用i11fuRRuo ui2作用作用i22331f)1(uRRRRRuo 綜合：綜合：i22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo 231fRRRR 若若uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2uuuu3Rf+i1+12RRoARuuuR+ufA+o1RR2i2R+3uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2)(i1i21fuuRRuo則有：則有：整理pptRuii 虛虛地地tiCuud1CCO 1. 積分電路積分電路三三. 積分和微分電路積分和微分電路tuRCd1i uu+oiiAC+iR1RCuC整理ppt反相積分器：反相積分器：如果

10、如果u i=直流電壓直流電壓,輸出將反相積分，經(jīng)輸出將反相積分，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。tui0tuo0-UomTM積分時(shí)間積分時(shí)間設(shè)設(shè)Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1 FtuRCud1io tuRCi1 求積到飽和值的時(shí)間：求積到飽和值的時(shí)間：MiOM1TuRCU s05. 0iOMM uRCUT整理ppt練習(xí)練習(xí): : 畫(huà)出在給定輸畫(huà)出在給定輸入波形作用下積分器入波形作用下積分器的輸出波形。的輸出波形。uu+oiA+iR1RCiCCutui0212345tuo0-2-4-6整理ppt應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三

11、角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCu整理ppt2. 微分電路：微分電路：u-= u+= 0Riu OdtduCiiC Cii dtduRCuio uuo1CRAi+R+iiC整理ppt)90sin( tRC tRCuo cos tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio 90uuo1CRAi+R+iiC整理pptDOuu Ruiii dTD/SDeuuIi SdTDlnIiuu 一一. 對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路2.3 對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路SiTSdTlnlnRIuuIiu 利用利用PN結(jié)的指數(shù)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算結(jié)的指數(shù)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算uuD

12、+A+idRi1ioR整理pptBJT的發(fā)射結(jié)有的發(fā)射結(jié)有BEOuu 注意：注意：ui必須大于必須大于零，電路的輸出電零，電路的輸出電壓小于壓小于0.7V利用虛短和虛斷，有利用虛短和虛斷，有RuiiiC TBETBEe)e (SSECuuuuIIii RIuuSiTln 用三極管實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算用三極管實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算SCTBElnIiuu SCTlnIiu uu+1+AoTiRiic整理pptRiiRudO 二二. 反對(duì)數(shù)（反對(duì)數(shù)（指數(shù)指數(shù)）電路）電路T/SieuuRI Ti1SlnuuRI uuD+A+iRRdoii整理pptuO是是ui的反對(duì)數(shù)運(yùn)算（指數(shù)運(yùn)算）的反對(duì)數(shù)運(yùn)算（指數(shù)運(yùn)算）用三極管實(shí)現(xiàn)

13、反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路用三極管實(shí)現(xiàn)反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路BEiuu 利用虛短和虛斷，電路有利用虛短和虛斷，電路有要求要求V7 . 0BEi uuTieSOuuRIu RiuFO TBEeSEFuuIii 以上兩個(gè)電路溫漂很嚴(yán)重，實(shí)際電路都有溫度補(bǔ)償電路以上兩個(gè)電路溫漂很嚴(yán)重，實(shí)際電路都有溫度補(bǔ)償電路uu+TA+R4iifieo整理ppt 基本原理 三. 對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)型模擬乘法器)ln(lnlnyxyxuuuuyxeeuu uuu對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)運(yùn)運(yùn)算算X對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)運(yùn)運(yùn)算算Y加加法法運(yùn)運(yùn)算算反反對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)運(yùn)運(yùn)算算lnuXuYlnuXlnYlnu+=ln（XuYu）XouY=u整理ppt 舉例：S1XTO1lnIRuuu S2

14、YTO2lnIRuuu )ln(lnlnS2YS1XTS2YTS1XTO2O1O3IRuIRuuIRuuIRuuuuu ）（To3/u4SOeURIu 若取若取 R1R2R3R4R，可得：，可得： YXSO1uuIRu uuu+A+A+A+A+1234YX3TR1R2R3R33R4Ruo1uo2OT12T整理pptEbe26mV)+(1Ir XELOmV26uIRu XELmV26uIR YXOuKuu 對(duì)于差放有：對(duì)于差放有：XbeLO =urRu 2.4 集成模擬乘法器集成模擬乘法器eYCRuII2123E 一一.基本原理基本原理V+EE-+-+u+uReoVXcTR1c2TR3TYuCC

15、c1ic2ic3i整理ppt模擬乘法器功能：模擬乘法器功能：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘 其中其中K為比例因子為比例因子， 量綱量綱:V-1符號(hào)符號(hào)：uuuoXYYXOuKuu 整理ppt 二二. .模擬乘法器的應(yīng)用模擬乘法器的應(yīng)用 1. 1. 乘法運(yùn)算乘法運(yùn)算立方運(yùn)算電路立方運(yùn)算電路 2. 2. 平方和立方運(yùn)算平方和立方運(yùn)算平方運(yùn)算電路平方運(yùn)算電路uuuoXYuo=KuXuYuuoiuo=K(ui)2uuiouo=K2(ui)3整理ppt3. 3. 除法運(yùn)算電路除法運(yùn)算電路根據(jù)虛斷根據(jù)虛斷21ii 2o11i1RuRu i2o1ouKuu 如果令如果令K= R2 / R1則則:i2i

16、1ouuu 注意：為保證電路為負(fù)反饋，必須有：注意：為保證電路為負(fù)反饋，必須有：i112o1uRRu 0i2 uuuu+2+Ro11i1iAii2uo1RR2i2i112ouuKRRu EWB演示演示除法器除法器整理ppt4. 4. 開(kāi)平方運(yùn)算電路開(kāi)平方運(yùn)算電路)(1i12OuRRKuui為負(fù)值！為負(fù)值！2oo1Kuu 負(fù)反饋條件？負(fù)反饋條件？i12o1uRRu uu+RRAo1iuii11o+2R2整理ppt 有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。的放大器。 濾波器的功能：對(duì)頻率進(jìn)行選擇濾波器的功能：對(duì)頻率進(jìn)行選擇, ,過(guò)濾掉噪聲過(guò)濾掉噪聲和干

17、擾信號(hào)，保留下有用信號(hào)。和干擾信號(hào)，保留下有用信號(hào)。 2.5 有源濾波電路有源濾波電路 濾波器的分類：濾波器的分類： 低通濾波器（低通濾波器（LPF） 高通濾波器（高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF）整理ppt|A|0C通帶通帶阻帶阻帶A0|A|0CA0通帶通帶阻帶阻帶|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通 各種各種濾波器理想的幅頻特性：濾波器理想的幅頻特性：（1）低通）低通（2）高通）高通（1）帶通）帶通（1）帶阻）帶阻整理ppt 濾波器的用途濾波器的用途 濾波器主要用來(lái)濾除信號(hào)中無(wú)用的頻率成濾波器主要用來(lái)濾除信號(hào)

18、中無(wú)用的頻率成分，例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含分，例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含一些較高頻率成分的干擾。一些較高頻率成分的干擾。整理ppt1. 一階一階RC低通濾波器低通濾波器(無(wú)源無(wú)源)一一. 低通有源濾波器低通有源濾波器CjRCjuuAiO 11 RCj 11H11 j 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：RC1H截止頻率：截止頻率：幅頻特性：幅頻特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-整理ppt此電路的缺點(diǎn)：此電路的缺點(diǎn)：1、帶負(fù)載能力差。、帶負(fù)載能力差。2、無(wú)放大作用。、無(wú)放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性：幅頻特性：2)(11HA+-i+uRC+uo

19、-0.707 H截止頻率截止頻率0 1|A|整理ppt2.一階有源低通濾波器一階有源低通濾波器uu+A+i+uuRf1RRCoi)11(ujuH uRRuf)1(1oi1o)11)(1(ujRRuHf )11)(1 (1HfjRR)1(OHjAiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：1fo1RRA通帶增益：通帶增益：截止頻率：截止頻率：)1(RCH整理pptRC1H幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線uu+A+i+uuRf1RRCo傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：iOuuA)11)(1 (1HfjRR幅頻特性：幅頻特性：21)(11)1 (HfRRA缺點(diǎn)：阻帶衰減太謾。缺點(diǎn)：阻帶衰減太謾。 H0.707 1

20、+Rf/R10 1+Rf/R1|A|整理ppt3.二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器uu+A+miouRfRRCCR1u+uuAuRRufO1o)1 (CjuuRuuRuuommmi1muCjRCju112OO)()j-(31CRCRAA2H2HO)j()(1QARC1HO31AQiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：整理ppt 當(dāng)當(dāng) Ao3時(shí)，濾波器可時(shí)，濾波器可以穩(wěn)定工作以穩(wěn)定工作 。 此時(shí)特性此時(shí)特性與與Q有關(guān)。當(dāng)有關(guān)。當(dāng)Q=0.707時(shí)，時(shí)，幅頻特性較平坦。幅頻特性較平坦。 當(dāng)當(dāng)ffL時(shí)，幅頻特性時(shí)，幅頻特性曲線的斜率曲線的斜率 為為-40dB/dec。 當(dāng)當(dāng)Ao3時(shí)，源濾波器自激。時(shí)，源濾

21、波器自激。幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線O31AQ 222o)()(1 QAAHH 整理pptuAuRRufO1o)1 ()11)(1 (1LfjRR)1(OLjAiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：1fo1RRA通帶增益：通帶增益：截止頻率：截止頻率：)1(RCL二二. . 高通有源濾波器高通有源濾波器1.一階有源高通濾波器一階有源高通濾波器uuo1+ui+f+ARRuRCii)111()1(uRCjuCjRRu整理pptRC1L幅頻特性：幅頻特性：21)(11)1 (LfRRA缺點(diǎn)：阻帶衰減太謾。缺點(diǎn)：阻帶衰減太謾。幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線iOuuA傳遞函數(shù)：傳

22、遞函數(shù)：)11)(1 (1LfjRRuuo1+ui+f+ARRuRC0 1+Rf/R10.707(1+Rf/R1) L|A|整理ppt2. 二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線 (2)(2)通帶增益通帶增益1fO+1=RRAuuu+RfRiRmuCA+oR1+uC2L22L)(1-)(1QA （1）幅頻特性：）幅頻特性：RC1L其中：其中：O31AQ整理ppt當(dāng)當(dāng)AO3時(shí)，電路自激。時(shí)，電路自激。幅頻特性曲線幅頻特性曲線 當(dāng)當(dāng) Ao3時(shí)，濾波器可時(shí)，濾波器可以穩(wěn)定工作以穩(wěn)定工作 。 此時(shí)特性此時(shí)特性與與Q有關(guān)。當(dāng)有關(guān)。當(dāng)Q=0.707時(shí)，時(shí)，幅頻特性較平坦。幅頻特性較平坦。 當(dāng)當(dāng)f fL時(shí)，幅頻特性時(shí)，幅頻特性曲線的斜率為曲線的斜率為+40dB/dec。 整理ppt 可由低通和可由低通和高通串聯(lián)得到高通串聯(lián)得到1111CR A0A2A1A0阻阻帶帶通通帶帶阻阻帶帶通通帶帶OO 1 2 AA0O 2 1通通帶帶阻阻帶帶阻阻帶帶低通截止頻率低通截止頻率2221CR 高通截止頻率高通截止頻率必須滿足必須滿足12 三三. 有源帶通濾波器有源帶通濾波器uuRCR+Cfi1o+uRA+uRR2VV低 通 濾 波 器高 通 濾 波 器uiuo12整理ppt 可由低通和高通并聯(lián)得到可由低通和高通并聯(lián)得到必須