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域叔唐
5 years ago
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1 第七章集成运放应用电路 7. 理想运放特性及分析方法 7. 比例运算和加减运算电路 7.3 积分运算电路和微分运算电路 7.4 对数运算电路和指数运算电路 7. 5 差动运放电路 7.6 实际运放的误差分析

2 研究的问题 () 运算电路 : 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 () 描述方法 : 运算关系式 O = ( I ) (3) 分析方法 : 虚短和虚断是基本出发点 4 学习运算电路的基本要求 () 识别电路 ; () 掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法

3 一集成运放的电压传输特性差动电压传输特性 + CC + - o 非线性区域 CC A 线性区域工作区 : 交流小信号模型 o Aod 线性区 : o CC o 饱和区 : o 线性工作模型一般外加反馈网络, 闭环工作 ; 模型用起来比较麻烦, 很少使用 CC CC 差动放大非常小可作 cc 比较器

4 一集成运放的理想模型. 理想运放的参数特点 o A od r d H 均为无穷大,r o 失调电 + CC 压失调电流及其温漂噪声均为线性工作范围 : 即没有线性工作区 - CC. 理想运放的分析方法 : 因为 O 为有限值, A od =, 所以 N - P =0, 即 N = P 虚短路因为 r d =, 所以 N = P =0 虚断路

5 一集成运放的电压传输特性电路特征 : 引入电压负反馈集成运增益较高, 线性区差模输入电压动态范围极小, 不能开环直接使用, 必须外加负反馈网络构成闭环系统, 才能实现对集成运放的线性应用 ; 无源网络负反馈展宽线性区 o + CC CC - CC A A 开环应用呢?

6 一. 理想运放反馈极性判断负反馈 : 通过无源网络连接理想运放的输出和反相输入端 ; 正反馈 : 通过无源网络连接理想运放的输出和同相输入端 ; 负反馈 + - 无源网络 o 无源网络 + - 正反馈 o 深度负反馈放大器 : 集成运放工作在线性区时, 满足深度负反馈条件, 则利用反馈网络能够实现各种数学运算 ;

7 一. 开环应用 - 单门限电压比较器同相输入单门限电压比较器 : 理想运放开环时, 一定工作于饱和区理想运放在饱和区的应用属于非线性应用 r + - o CC o r o CC r o CC CC r

8 一. 开环应用 -- 单门限电压比较器反相输入单门限电压比较器 r + - o CC o r o CC r o CC CC r

9 一. 正反馈应用 --- 迟滞比较器 ) 上行迟滞比较器 r + - 电压串联正反馈 o H CC r L CC r CC o 理想运放仅引入正反馈, L H 一定工作于饱和区 CC

10 一. 正反馈应用 --- 迟滞比较器下行迟滞比较器 o CC r + - o CC r L CC H L r CC H r CC

11 一. 非线性应用 -- 比较器性能对比单门限电压比较器 : 电路结构简单灵敏度高, 但抗干扰能力差迟滞比较器 : 两个电压比较门限, 结构相对复杂, 但具有良好的抗干扰能力无干扰输入信号单门限比较器输出受干扰输入信号单门限比较器输出迟滞比较器输出

12 二比例运算电路. 反相输入 + _ N = P =0 -- 虚断 N = P =0-- 虚短虚地 I 在节点 N: F O ) 电路引入了哪种组态的负反馈? 有无共模信号? ) 电路的输入输出电阻为多少? 保证输入级的对称性 3) =? 为什么? = 4) 若要 =00kΩ, 比例系数为 -00, =? =? F I 太大, 噪声大如何利用相对小的电阻获得 -00 的比例系数?

13 T 形反馈网络反相比例运算电路 I M I O ) ( 利用 4 中有较大电流来获得较大数值的比例系数 I 3 M 3? 00kΩ, 则 00, 若比例系数为? 00kΩ, 则若要求 ) ( M o

14 . 同相输入 N O O P ( ( I ) ) N I ) 电路引入了哪种组态的负反馈? 电压串联负反馈 ) 输入电阻为多少? 3) 电阻 =? 为什么? 4) 共模抑制比 K CM 时会影响运算精度吗? 为什么? 运算关系的分析方法 : 虚短 + 虚断 + 节点电流法

15 . 特例 : 电压跟随器同相输入比例运算电路的特例 : 0lg A g T lg O ) 3) N ) F? Ic? P? o I? F o 0 Ic= I 80 o g 该电路很容易满足自激振荡的幅度和相位条件, 需加相位补偿以防自激!

16 三加减运算电路 3 I3 I I 3 F P N 0 ) ( 3 I3 I I F O 方法一 : 节点电流法. 反相求和

17 . 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同理可得 O O O O3 I I O 3 I3 I O O3 3 I I3

18 . 同相求和设 3 4 = 利用叠加原理求解 : 令 I = I3 =0, 求 I 单独作用时的输出电压 3 4 O ( ) I 3 4 同理可得, I I3 单独作用时的 O O3, 形式与 O 相同, O = O + O + O3 物理意义清楚, 计算麻烦! 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

19 . 同相求和设 3 4 = 3 I3 I I P P O ) ( ) ( ) ( 3 I3 I I O 与反相求和运算电路的结果差一负号 P 3 P I3 P I P I P I3 I I ) ( ) ( ) ( 4 3 P 3 I3 I I P P 必不可少吗?

20 利用求和运算电路的分析结果 3. 加减运算设 = O ( I3 3 I4 4 I I ) 若 3 4 5, O =? O ( ) I I 实现了差分放大电路

21 讨论一电路如图所示输入信号源几乎不取电流信号源取电流 () 组成哪种基本运算电路? 与用一个运放组成的完成同样运算的电路的主要区别是什么? () 为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不考虑第二级电路对它的影响?** 第一级是第二级的理想电压源

22 例题理想运放电路, 当, 求. o 0K o 00K 0K 00K 0K

23 例题例题 : K 6K 6K K K 同相比例 K A A 4K 反相求和 0 K A3 6K 双端输入求和 ( ) ( 3)

24 四. 电压 - 电流变换电路电路结构工作原理 o N N 0 P= P o P I L N 目的 : 由输入电压控制输出电流, 与负载无关, 为精密电阻 ; 例如, 用电流表测电压 o 电压控制电流源

25 五. 移相电路电路结构和 C 互换则相位反相 Uo 滞后 φ(jω); 频率越高, 滞后越大 ; 通过 C, 可调节滞后大小 ; 全通滤波 ; o sc sc

26 六积分运算电路和微分运算电路 C I ) ( d O I O t t C t t t C d I O ) ( ) ( O I O I t t t C t t 为常量, 则在 ~ 若. 反相积分运算电路 I I o SC C S

27 利用积分运算的基本关系实现不同的功能 ) 输入为阶跃信号时的输出电压波形? ) 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, 延时波形变换受 -cc 限制 90 o 移相 E I ( t) E 0 o( t) I ( t) dt t C C 时间常数 C

28 典型题解题 : 已知 C(0) =0, 画 0 0 波形 0 4 S S 5K - + 0K 0 M - + C C dt 0 dt S 0 t/s t=0 时, 0 =0 t= 时, 0 =4 t=3 时, 0 =-4 t=5 时, 0 =4 0-4 t/s

29 . 微分运算电路虚地为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡, 实用电路应采取措施运放由于某种原因进入非线性区而不能自动恢复的现象 d I I C C S I C d t 限制输入电流 SC I O C d t C d 限制输出电压幅值滞后补偿怎么识别微分运算电路? (t) v v o (t) T T T T t t

30 七对数运算电路和指数运算电路. 对数运算实际极性 C O I C ISe U BE BE T U T 利用 PN 结端电压与电流的关系 ln I I S 实用电路中常常采取措施消除 I S 对运算关系的影响对输入电压的极性和幅值有何要求? I CM 限制其值

31 集成对数运算电路 C BE I U 同理, I 3 T BE ISe ln S U U I I T BE 3 T ln I I S N O P ( BE 5 ) N BE 热敏电阻? 温度系数为正? 为负? U ( T 5 ln ) U I I T ln 3 I I 3 U kt T q

32 . 指数运算电路 I BE E ISe U I T O I S e U I T 对输入电压的极性和幅值有何要求? 3. 乘法除法运算电路 ln O ln( I I ) ln I ln I O e ln I ln I I I

33 7.4 实际运放的误差分析. 失调误差 : () 失调电压 os () 失调电流 I os = I + -I - 分析模型采用理想运放, 将各种失调参数作为独立输入源, 叠加在理想运放的输入端口, 其输出满足线性叠加关系 ; - + os I I - + 综合误差输出为多少?

34 . 失调误差同相运放电路中的误差分析叠加原理 o ( ) os o ( ) Ip o3 I ( ) I ( ) I p ( ) p os Ios A o ( ) os Ios A ( ) 失调误差的影响忽略! 降低 Ios 的影响 : 较大的 Av, 较小的 o os p

35 举例 : 失调误差分析测量运放输入失调电压电路如图所示, 若测得输出该运放的解 : os os o 5 5 5K os o 5K 5 5 3, 则求 5K - + o

36 . 有限 CM 非理想运放 A c 0 A o c c c c - A c + 0 o 分析模型将非理想运放对共模信号的输出折算到理想运放的同相输入端, 利用理想运放分析有限 CM 的影响 A c o 0 A d x A c c Ac c x c A CM d c c - + x - A c + 0 o

37 . 有限 CM 对同相运放电路, 由于, 对输入端有影响 ; c CM 对反相运放电路, 由于, 对输入端无影响 ; 0 c

38 7.5 差动运放电路干扰多为共模形式存在, 故将信号按差模方式传输, 所以差动电路应用十分广泛 ; 运放本身具有差动电压传输特性, 因接近理想运放, 线性动态范围太小, 必须加深度负反馈, 增益主要取决于反馈网络 ;. 基本型差动运放 : O ( ) I I 不足 : 输入阻抗不高, 增益调节很麻烦, 两路必须同步调节

39 . 基本型差动运放特点差动输出是对反相放大和对分压后的同相放大两种信号的线性叠加! 当电阻完全匹配时, 该电路可以做到 CM 达到无穷, 即完全抑制共模信号! 当电阻不匹配时, 电路的 CM 则只能为有限值! 由非理想运放构成的差动运放电路也只能达到有限的 CM, 且该值逼近于非理想运放的 CM!

40 . 同相并联型电路结构 I( ) o ( )( ) w P I N w + A=+ 理想情况下, 该电路的 CM 趋于无穷平衡输出方式, 高共模抑制比, 低漂移 ; 输入端对地阻抗接近无穷 ; 外部电阻无匹配要求 ; 该电路为悬浮输出, 不适合接地负载 ; w w

41 . 同相并联型加入等效源和 CM CM 运放为有限 CM 运放运放 ( + ) ( + ) CM CM 运放运放 I w I( )( = )[ ( ) ( )] o w w CM CM 运放运放 ( + ) A c ( () ) CM CM CM CM A d ( ) + w CM 电路运放运放 w 运放运放 CM CM CM CM CM CM CM CM CM CM 运放运放运放运放运放运放运放运放运放运放两运放匹配 4

42 电路结构 ( )( ) o w 3. 仪用三运放电路 o ( ) ( )( ) o w 单端对地输出方式, 适合接地负载 ; 如果前级两运放匹配, 后级电阻对匹配 ; I w - + o 即使运放 CM 有限, 该电路的 CM 仍趋于无穷. 4

43 7.6 运放电路的稳定性讨论 A 0 F 0. 稳定性分析 : 开环运放的频率特性 3 rad / g A( j) s ( A( jg ) A0 j )( j )( F 0 ( j ) 80 A ( j ) 80 A g g j ) 3 不稳定稳定集成运放一般为三级以上, 导致运放电路附加相移严重, 而且运放本身增益很高, 应用时为深度负反馈, 故很容易自激 ;

44 . 频率补偿技术分析方法 : 三个极点, 而反馈网络一般为纯阻, 常用 Bode 图方法来进行稳定性分析修正必要性 : 当运放电路不稳定时, 而运放的反馈网络又不能改变, 则必须对运放的频率特性进行修正, 使增益交界频率减小, 最终使附加相移小于 -80 度, 破坏产生自激的幅相条件 ; 简单电容补偿 : 设计目标 :-0dB/dec 的线段变长并接 C, 调整主极点, 使得 ', 且 ( j ') 80 p g g A g

45 . 频率补偿技术电路结构 A A 两种具体补偿方式 45 度相位裕量补偿 A( j ) g F 0lg A0 0lg 0lg ' F0 0 C C p = 或 = A F A F ( j ') A g

46 . 频率补偿技术单位增益补偿 : 取 F0= 的相位裕量 45 的补偿 A( jg ') A( jg ') 35 = 或 = A A 0 0 ω 很小, 适合反馈量较大, 单位增益跟随器

47 p p p 45 (lg lg lg ) 80 p 0.86MHz 超出 MHz的线性范围, 需要修正 : p p (lg lg ) 80 p.65mhz 临界自激, 令 p g, 由 F0max 可知, A( j ) 例 : 频率补偿技术 - 简单电容补偿一个三极点运放, A =000, 0.8MHz, 4MHz, 40MHz, 该运放有 0 3 频率补偿端, 等效的 C 5pF(, C 形成极点 ) ) 加纯阻负反馈, 求使得系统稳定的 F ) 若要求 F =0.05, 相位裕量 45, 求修正电容 C 及修正后的 ' 0max 0 p 解 :() 依 ( j ) 80, 先求相位交界频率, 即 A p p lg A( j g ) 66 0lg 0lg 3( db) g F 0max 0.05

48 例 : 频率补偿技术 - 简单电容补偿一个三极点运放, A =000, 0.8MHz, 4MHz, 40MHz, 该运放有 ) 假定 ', 由 ( j ') 35 可得相位裕量 45, 由公式 : '=, AF 0 0 A g g' ' g (lg lg ) 35 g ' 4 MHz; 刚好位于 ; C 于是根据 ' ( C Cp ) 0 3 频率补偿端, 等效的 C 5pF(, C 形成极点 ) () 加纯阻负反馈, 求使得系统稳定的 F () 若要求 F =0.05, 相位裕量 45, 求修正电容 C 及修正后的 ' Cp 0max 0 p 求出 ' 0.6 MHz, 符合 ' 4 MHz;.7 pf

49 本章复习主要内容 :. 比较器电路, 特别是迟滞比较器的电压传输特性 ;. 同相反相电路 ; 3. 差动运算电路, 基本电路和仪用三运放电路 ; 4. 频率补偿修正; 相位裕量为 45 的补偿 ; 单位增益补偿 ;

50 本章复习考点 : () 基本运算电路的结构特点和基本运算表达式 ; () 特定运放设计与运放组合电路功能波形 ; 思路与方法 : () 含理想运放的电路分析方法 ; 节点电流叠加原理 () 虚短虚断的概念和运用 ; (3) 比例加减电压跟随器积分微分等 ; (4) 同相与反相 ; 线性区与饱和区 ;

51 本章复习考点 : () 反馈运放电路稳定性判断条件方法 ; () 简单频率补偿分析 ; 思路与方法 : () 基于波特图的增益交界频率 ωg 判断 : () 简单补偿 ;-45 度相位裕量补偿 (3) 修正后频率 : ( j ') A g = 或 = A F A F ( j ) 80 A g

52 运放的线性应用例题例题 : 运放理想, 求 0 积分电路 C 同相比例运算 S ( ) S C S S 0 S 0 0 C ( ) SC S 0 节点电流定律 ( ) C S C S ( 0 S ) dt SC

53 举例例 : 已知运放内部电路共有三个极点, 其转角频率分别为 = 0.MHz, = 0MHz, = 00MHz, 其中由运放内部 3 C 电路确定, = 30kΩ, 有频率补偿端运放的中频开环电压增益为 00dB () 写出该运放的电压传递函数 A (S) 的表达式 () 将运放接成图示的电路, 要求电路稳定工作且有 45 度的相位裕量, 求值 (3) 若 = 00kΩ, 仍要求电路有 45 度的偿电容值相位裕量, 采用简单电容补偿, 求补 v

54 (3) 00 k, ' 仍为 0MHz, g 举例 5 0 解 :() A ( S) S S S ( )( )( ) g () 令 90 45lg 35, 得 0 6 g MHz lg A( jg) 00 0lg 3 57( db) ' 0lg A ( ') 00 0lg 3 0lg( jg )( db) ' 又, ' C ( C C ) p 由 0lg( ) 57, 得 707k C 53pF, C 38 pf p ' 4.3kHz,

55 某放大器的电压增益函数为训练题 0 40 S( S ) S) ( S )( S 0)( S 0 A ( 8, 求该放大器的中频增益 Av 以及高频截止频率 ωh 和低频截止频率 ωl )

56 训练题

57 训练题电路如图所示已知 : CC =; 晶体管的 C μ =4pF, T = 50MHz,r bb '= 00Ω, β 0 =80 试求解: () 中频电压放大倍数 A sm?; () C π '=?; (3) H 和 L ; (4) 画出波特图

58 训练题电路如图所示 () 指出电路中的全局交流反馈类型和极性 ; () 设电路满足深度负反馈条件, 试估算中频电压放大倍数 A = U 0 /U

59 训练题电路如图所示, 所有晶体管均为硅管,β 均为 60,r bb ' =00Ω, 静态时, U BEQ 0.7 试求: () 静态时 T 管和 T 管的发射极电流 () 若静态时 O >0, 则应如何调节 c 的值, 才能使 O =0? 若静态 O = 0, 则 c =? 电压放大倍数为多少?

60 训练题已知运放为理想运放, 工作于线性区, 双电源供电, 电源电 9 o 压试推导出该图中 A 的表达式 ;

61 作业 P57 7.3; 提示 : A 所组成部分可视为反相比例运算, A 所组成部分可视为反相加法电路由的正负, 讨论 D D 的通断, 再求 o 和的关系 ; 最后画出为正弦波的输出 o 波形 7.5 压跟随器提示 : 积分电路, 前级为比例加减, 后一级为电 7.8 提示 : 后一级为反相比例运算电路, 直接利用虚短虚断求解 7.0 提示 : 两级同相并联, 一个基本型差动放大电路 7.8 提示 : 见例题 6

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路