模电课件：第二章　集成运算放大器的线性应用基础.ppt

1、第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础2.1集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器。集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器。同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。2.1.1集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础22.1.2集成运算放大器的模型集成运算放大器的模型

2、uid = = ui+ + - - ui- -：差模输入电压；：差模输入电压；Auo：集成运放的开环电压放大：集成运放的开环电压放大倍数；倍数；Ri：集成运放的输入电阻；：集成运放的输入电阻；Ro：集成运放的输出电阻。：集成运放的输出电阻。Ri Ro0Auo Ii+= = Ii- -0理想化理想化条件理想化条件“虚断路虚断路”第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础32.1.3集成运算放大器的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性线性放大区：线性放大区：uo = = Auo(ui+ + - - ui- -) = Auouid“虚短路虚短路”：Auo uid 0

3、限幅区：限幅区：uo = = UCC 或或 UEE，uid 可以较大，不再可以较大，不再“虚短路虚短路”。第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础4+-=iiiduuu反相电压传输特性反相电压传输特性第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础52.2扩展线性放大范围扩展线性放大范围引入深度负反馈引入深度负反馈反相输入组态反相输入组态负反馈负反馈将反馈信号引向反相输入端，使反馈信号抵消部分输将反馈信号引向反相输入端，使反馈信号抵消部分输入信号，保证在输入信号较大时，入信号，保证在输入信号较大时，uid仍然很小，在仍然很小，在“虚短路虚

4、短路”范围范围内，从而集成运算放大器工作在线性放大区。内，从而集成运算放大器工作在线性放大区。0211212211212+ +- -+ += =+ + + += =|u|RRRuRRRuRRRuRRRuoioiid第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础6同相输入组态同相输入组态0211+ +- -= =OiiduRRRuu可以保证运放工作在线性区可以保证运放工作在线性区第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础72.3由集成运放构成的基本运算电路由集成运放构成的基本运算电路2.3.1比例运算放大器比例运算放大器121RRuuAio

5、uf+ += = =1.同相比例运算放大器同相比例运算放大器0211+ +- -= =OiiduRRRuu第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础8第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础9同相比例放大器的特点：同相比例放大器的特点：(1) 信号从同相端输入，输出信号与输入信号同相；信号从同相端输入，输出信号与输入信号同相；(2) U+ = = U- - 0，反相端和同相端电压相等，反相端和同相端电压相等,即即“虚短路虚短路”；(3) 闭环放大倍数大于等于闭环放大倍数大于等于1，可以设计成电压跟随器；，可以设计成电压跟随器；121

6、RRuuAiouf+ += = =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础10(4) 闭环输入阻抗进一步增大，趋向于理想闭环输入阻抗进一步增大，趋向于理想条件，即条件，即Rif ；(5) 闭环输出阻抗进一步减小，也趋向于理想条件，闭环输出阻抗进一步减小，也趋向于理想条件，即即Rof 0。第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础11【例例 2.3.1】彰显电压跟随器的隔彰显电压跟随器的隔离离 (缓冲缓冲) 作作用。用。有一内阻有一内阻 Rs = = 100 k 的信号源，为一个负载的信号源，为一个负载 (RL = = 1 k ) 提

7、供电流和电压。一种方案是将它们直接提供电流和电压。一种方案是将它们直接相连相连 (如图如图(a) 所示所示) ；另一种方案是在信号源与负载之间插入一级电；另一种方案是在信号源与负载之间插入一级电压跟随器压跟随器 ( 如图如图(b) 所示所示) 。试分。试分析两种方案负载析两种方案负载 RL 所得所得到到的电压的电压 uL 和电流和电流 iL 。第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础121)闭环增益与电压传输特性闭环增益与电压传输特性2.反相比例运算放大器反相比例运算放大器0 - -= =fiiIIIfiII = =0= = =+ +- -UU11RURUUIi

8、ii - -= =- -22RURUUIOOf- - - -= =- -21RURUIIOifi- -= = = =12RRUUAiOuf- -= = =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础13第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础142)闭环输入电阻闭环输入电阻反相比例放大器的特点：反相比例放大器的特点：(1) 信号从反相端输入，输出信号与输入信号反相；信号从反相端输入，输出信号与输入信号反相；(2) U- - = = U+ + = = 0，因为同相端电压为零，因为同相端电压为零( 接地接地) ，所以反相端呈现，所以反相端

9、呈现“虚地虚地”特性；特性；(3) 闭环放大倍数闭环放大倍数 Auf = - = - R2 / / R1；(4) 闭环输入电阻较小，闭环输入电阻较小，Rif R1，闭环输出电阻，闭环输出电阻Rof 0。第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础15【例例 2.3.3】电路如图所示，试问电路如图所示，试问(1) 运放运放 A1、A2 的功能各是什么？的功能各是什么？(2) 求输出电压求输出电压 与输入电压与输入电压 的关系式，即总增益的关系式，即总增益 的表达式。的表达式。oUioufUUA=iU第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基

10、础16【例 2.3.4】有一运放组成的反相比例放大器，如右图所示，电源电压UCC = | UEE | = 12 V，求输入信号分别为ui1 = 1sint (V) 和 ui2 = 2sint (V) 时的输出波形图。第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础172.3.2相加器相加器1.反相相加器反相相加器【例【例 2.3.5】试设计一个相加器，完成试设计一个相加器，完成 uo = - = - (2ui1 + 3ui2) 的运算，并要求对的运算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均大于等于的输入电阻均大于等于100 k 。)(i3i2i1fi33fi22fi11fo

11、321uuuRRuRRuRRuRRuRRRR+-=-=第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础18)(|1|1i2i113113fi213213i123123fo21uuRRRRRRRuRRRRRuRRRRRRRuRR+=+=2.同相相加器同相相加器第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础192.3.3相减器相减器)(1i2i113,i213i142413o4321uuRRuRRuRRRRRuRRRR-=-+=第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础20【例【例 2.3.6】利用相减器电路可以构成利

12、用相减器电路可以构成“称重放大器称重放大器” 。试问，输出电压试问，输出电压 uo 与重量与重量 ( 体现在体现在 Rx 变化上变化上) 有何关系。有何关系。第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础212.3.4积分器积分器-=ttuRCtud)(1)(io-=tuuRCtud )(1)(i2i1o差动积分器第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础22第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础23【例【例 2.3.7】电路如右图所示，当电路如右图所示，当t = = t1 (1s) 时，开关时，开关 S

13、 接接 a 点；点； 当当t = = t1 (1s) t2 (3s) 时，开关时，开关 S 接接 b 点；而当点；而当 t t2 (3s) 时，开关时，开关 S 接接 c 点。已知运算放大器电源电压点。已知运算放大器电源电压 15 V，初始，初始电压电压 uC(0) = = 0，试画出输出电压，试画出输出电压 uo(t) 的波形图。的波形图。第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础24第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础252.3.5微分器微分器ttuRCtud)(d)(io-=利用积分器和相加器求解微分方程利用积分器和相加器

14、求解微分方程)()(2d)(d10d)(dioo2o2tututtuttu=+-=ttuttututtud)(2d)(d10)(d)(dooio-=ttuttuttutud)(10d)(2d)()(ooio第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础262.3.6 电压一电流变换电压一电流变换(V/I)和电流一电压变换和电流一电压变换(I/V)一一,电压一电流变换电压一电流变换(V/I)2RuIiL- -= =负载电流负载电流 与负载与负载 无关，而与输入信号无关，而与输入信号 成正比成正比iuLZLI第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性

15、应用基础27二，二，电流一电压变换电流一电压变换I/V第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础28【例【例 2.3.8 】精密直流电压测量电路精密直流电压测量电路MIIRU = =1第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础29【例【例 2.3.9】)RR(RRuuuAGiiuf12321021+ += =- -= =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础30增益可调电路增益可调电路)RR(RRuuuAGiiuf12321021+ += =- -= =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成

16、运算放大器的线性应用基础31【例【例 2.3.10】1432320R)R/RR(RRuuAiuf+ + +- -= = =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础32【例【例 2.3.11】11221211Cj/RCjRZZ)j(u)j(u)j(Aiouf + +- -= =- -= = =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础33【例【例 2.3.12】第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础34【例【例 2.3.13】第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础35

17、2.4 有源有源RC滤波器滤波器2.4.1 理想滤波器特性及其理想滤波器特性及其“逼近逼近”低通低通带通带通高通高通低通低通带阻带阻全通全通勃特沃斯滤波器勃特沃斯滤波器切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器贝塞尔滤波器贝塞尔滤波器椭园滤波器椭园滤波器第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础362002200 + + += =sQs)(A)s(A20022 + + + = =sQss )(A)s(A200200 + + += =sQssQ)(A)s(A2002202 + + + += =sQs)s(A)s(A20022002 + + + +- -= =sQs)sQs(A)s

18、(A第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础372.4.2 常用的一阶、二阶有源滤波器常用的一阶、二阶有源滤波器一阶有源一阶有源RC滤波器滤波器第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础382. 运放作为有限增益放大器的二阶有源滤波器运放作为有限增益放大器的二阶有源滤波器121121fffffRRRRRK+ += =+ += =32132143110Y)K(YY)YYY(YYKYA)s(U)s(Uufi- -+ + + + += = =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础39二阶低通滤波器二阶低通

19、滤波器200220222220131 + + += =+ +- -+ += =sQs)(ACRsRCKsCRKA)s(ufKQ,RRK)(A,RCff- -= =+ += = = =31101120 第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础40第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础413，运放作为无限增益放大器的多重反馈有源滤波器，运放作为无限增益放大器的多重反馈有源滤波器4343215310YY)YYYY(YYY)S(U)S(UAiuf+ + + + +- -= = =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器

20、的线性应用基础42二阶带通滤波器二阶带通滤波器20020052122152121 + + += =+ + + +- -= =SQSSQ)(ARRRCRRSCRSSCR)S(Auf252150111111RRC)RR(RC + += = 15510221RR)CR/()CR/()(A- -= =- -= = CRQBW502= = = 第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础43第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础44双双T网络带阻滤波器网络带阻滤波器第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础45用

21、带通和相加器构成的陷波器用带通和相加器构成的陷波器2002202200201 + + + += =+ + +- -= =SQSSSQSSQAuf第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础46第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础475. 全通滤波器一一移相器全通滤波器一一移相器CRjCRjUUAiuf11011 - - -= = =1= =)j(Auf CRarctan)j(12 - -= =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础486. 状态变量滤波器一一多功能滤波器状态变量滤波器一一多功能滤波

22、器高通高通带通带通低通低通状态变量滤波器由积分器与相加器状态变量滤波器由积分器与相加器(相减器相减器)组成组成第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础492.5 集成运放的非理想特性对实际应用的限制集成运放的非理想特性对实际应用的限制精度精度速度速度开环增益开环增益 Au共模抑制比共模抑制比CMRKBIdTdUOS输入电阻输入电阻 Ri输出电阻输出电阻 Ro失调电压失调电压 Uos失调电流失调电流 Ios输入偏流输入偏流 失调漂移失调漂移dTdIOS单位增益带宽单位增益带宽压摆率压摆率 SRGBW第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应

23、用基础501.失调电压失调电压Uos的影响的影响第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础512. 失调电流与输入偏流的影响失调电流与输入偏流的影响失调电流失调电流 21BBOSIII- -= =221BBBIII- -= =21RIUBO= =输入偏流输入偏流031212= =+ +- -= =)RRRRR(IUBO21213RRRRR+ += =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础523. 有限的开环增益和带宽带导致的误差有限的开环增益和带宽带导致的误差1212121111R/RAj)RR(AR/RUU)j(AHuouoiOuf+ + + + +- -= = = 第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础534. 有限的压摆率带耒的误差有限的压摆率带耒的误差定义：压摆率定义：压摆率SR)s/V(duduSRio = =第第2 2章章 集成运算放大器的线性应用基础集成运算放大器的线性应用基础54例例F3140nA.IB050= =MHZBWG15= =F318S/VSR 70= =F007通用型通用型指标一般指标一般