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1、模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic,第二章 集成运放及其基本应用,第二章 集成运放及其基本应用,2.1 放大的概念与放大电路的性能指标,2.2 集成运算放大电路,2.3 理想运放组成的基本运算电路,2.4 理想运放组成的电压比较器,2.1 放大的概念与放大电路的性能指标,一、放大的概念,二、放大电路的性能指标,一、放大的概念,放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现,至少一路直流电源供电，是能源,判断电路能否放大的基本出发点,放大的特征：功率放大,常用正弦波做测试信号,放大的对象：变化量,放大的基本要求：不失真放大的前提,输入信号为零时为静态。,
2、二、性能指标：研究的是动态性能。,1.放大倍数：输出量与输入量之比,电压放大倍数是最常被研究和测试的参数,对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。,2.输入电阻和输出电阻,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。,输入电压与输入电流有效值之比。,从输入端看进去的等效电阻,3、通频带,4、最大不失真输出电压Uom：交流有效值。,由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。,衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。,5、最大输出功率和效率：功率放大电路的主要指标参数。,扩音机的 fL和 fH为多少？,2.2 集成运算放大电路,一、
3、差分放大电路的概念,二、集成运放的符号及电压传输特性,三、理想运放及其动态等效电路,一、差分放大电路的概念1.共模信号和差模信号,共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相同，则称之为共模信号。差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相反，则称之为差模信号。对差分放大电路的要求：放大差模信号、抑制共模信号,2.典型差分放大电路方框图,典型的差分放大电路有两个输入端、两个输出端，它们均不直接接地，这种电路形式称为双端输入、双端输出接法。,（1）加差模信号时,差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性，故输入回路和输出回路的中点电位不变，即动态电位为0
4、，即为“地”。,RL,（2）加共模信号时,差分放大电路具有理想对称性，温度变化所引起晶体管参数的变化可等效为共模信号输入。,uI/2,3.差分放大电路的放大倍数,差模放大倍数,共模放大倍数,共模抑制比,越大越好,绝对值越小越好,绝对值越大越好,为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入参数共模抑制比。,4.差分放大电路的四种接法,由于在实际应用场合为避免干扰输入信号源有接地端，为负载安全负载常需有接地端，故差分放大电路有四种接法，即双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。,双端输入、单端输出电路 单端输入、双端输出电路,二、集成运放的符号及电压
5、传输特性,集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小,不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是VCC（常为15V）供电。,1.符号,极性相同,极性相同,二、电压传输特性:输出电压与输入电压的函数关系,线性区,非线性区,输出不是高电平+UOM就是低电平-UOM,若UOM=14V，Aod=105，则为保证集成运放工作在线性区输入信号的范围为多少？,三、理想运放及其动态等效电路,理想运放的参数特点：差模输入电阻rid为、输出电阻ro为0、开环
6、差模增益Aod为、共模抑制比KCMR为。,四、理想运放两个工作区域的特点,1.理想运放的线性工作区域,有限值,无穷大,为保证理想运放工作在线性区，必须引入负反馈。,无源网络,反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量，称为反馈。正、负反馈：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。,uO uN uO,（1）电路结构,（2）工作在线性区的特点,由于uO为有限值，Aod，因而净输入电压uPuN0，即,因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即,“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放
7、的应用电路的两个基本出发点。,2.理想运放的非线性工作区域,为保证理想运放工作在非线性区，必须引入正反馈或工作于开环。,（1）电路结构,（2）工作在非线性区的特点,“虚断”是分析工作在非线性区的集成运放的应用电路的基本出发点。但“虚短”不再适用。,输出不是高电平+UOM就是低电平-UOM,2.3 理想运放组成的基本运算电路,一、概述,二、比例运算电路,三、加减运算电路,四、积分运算电路和微分运算电路,一、概述（运算电路必须工作在线性区）1.研究的问题,（1）运算关系：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式
8、uOf(uI)（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。,（1）识别电路；（2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。,2、学习运算电路的基本要求,二、比例运算电路,电路的输入电阻为多少？2)运放的共模输入电压为多少？3)R？为什么？,iN=iP=0，uN=uP=0虚地,在节点N：,1.反相输入,R=RRf,4)若要Ri100k，比例系数为10，R？Rf？,保证输入级的对称性,Au,5)若要用反相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？,2.同相输入,输入电阻为多少？电阻R？为什么？3)若要用同相输入比例运算电路做放大电路，则Au=？,集成运放的共模输入,同相输入比例运算电路的特例：
9、电压跟随器,三、加减运算电路,方法一：节点电流法,1.反相求和,1.反相求和,方法二：利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。,2.同相求和 设 R1 R2 R3 R4 R Rf,利用叠加原理求解：令uI2=uI3=0，求uI1单独作用时的输出电压,在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果简单明了，易于计算。,同理可得，uI2、uI3单独作用时的uO2、uO3，形式与uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意义清楚，计算麻烦！,2.同相求和 设 R1 R2 R3 R4 R Rf,与反相求和运算电路的结果差一
10、负号,必不可少吗？,3.加减运算 利用求和运算电路的分析结果,设 R1 R2 Rf R3 R4 R5,实现了差分放大电路,四、积分运算电路和微分运算电路,1.积分运算电路,移相,利用积分运算的基本关系实现不同的功能,1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？,2)输入为方波时的输出电压波形？,3)输入为正弦波时的输出电压波形？,线性积分,波形变换,2.微分运算电路,虚地,讨论一：电路如图所示,讨论二,2.4 理想运放组成的电压比较器,一、概述,二、单限比较器,三、滞回比较器,一、概述,1.电压比较器的功能：比较电压的大小。输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值
11、信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。广泛用于各种报警电路。,2.电压比较器的描述方法:电压传输特性 uOf(uI),电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL（2）阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,3.几种常用的电压比较器,（1）单限比较器：只有一个阈值电压,（3）窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。,（2）滞回比较器：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。,回差电压：,4、集成运放的非线性工作区,电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈,理想运放工作在非线
12、性区的特点：,1)净输入电流为02)uP uN时，uOUOM uP uN时，uOUOM,无源网络,5、教学基本要求 1)电路的识别及选用；2)电压传输特性的分析。,二、单限比较器,（1）UT0（2）UOH UOM，UOL UOM（3）uI 0 时 uO UOM;uI 0 时 uO UOM,1.过零比较器,2.一般单限比较器,2.一般单限比较器,作用于反相输入端,（1）写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解出的 uI即为UT；（2）根据集成运放的输出电压幅值或输出端限幅电路决定输出的高、低电平；,电压比较器的分析方法,（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。
13、,将在第三章讲述,三、滞回比较器,1.阈值电压,2.工作原理及电压传输特性,设uIUT，则 uN uP，uO+UOM。此时uP+UT，增大 uI，直至+UT，再增大，uO才从+UOM跃变为 UOM。,设 uI+UT，则 uN uP，uOUOM。此时uP UT，减小 uI，直至UT，再减小，uO才从UOM跃变为+UOM。,问题：uI=0时uO=？,1.若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？,讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性,2.若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向，则应如何修改电路？,向左右移多少？,讨论二：从电压传输特性识别电路，画波形,已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压如图所示，画出各电路输出电压的波形。,你能分别组成具有图示电压传输特性的电压比较器电路吗？,同相输入单限比较器,反相输入滞回比较器,窗口比较器,讨论三：电路设计,实现电流-电压转化，并在转换电压过大时报警。要求转换电压uO与输入电流iI1、iI2、iI3的关系为 uO=20iI1+10iI2+5iI3且当uO10V时输出14V电压驱动报警电路。设uO10V时输出为-14V。,
