电路与电子学基础 教学课件 ppt 作者 陈利永 第八章

第八章 集成运算放大器和信号处理电路,学习要点： 1.各种类型的运算放大器。 2.模拟乘法器在调制-解调电路中的应用。 3.有源滤波器的分析和画波特图的方法。,8.1 概述 半导体器件制造工艺可以实现将分立元件组成的完整电路制作在同一块硅片上而形成集成电路。 早期的集成电路主要用在实施模拟信号的运算上，故常称为集成运放。,8.1.1 集成运放电路的特点,（1）因为硅片上不可能制作大电容，所以集成运放的耦合方式均采用直接耦合，在需要大容量电容和高阻值电阻的场合，采用外接法。,（2）因为集成电路内部相邻的元件具有良好的对称性，它们在受到各种因素影响时变化的趋势相同。为了消除这些变化的影响，在集成电路中大量采用差动放大器作为输入电路。,（3）因为在硅片上制作三极管比制作电阻更容易， 所以在集成电路中大量采用恒流源电路作为放大器的偏置电路，在需要大电阻的场合也是采用外接法。,（4）集成电路内部放大器所用的晶体管通常采用复合管结构来改善性能。,8.1.2 集成运放电路的组成框图 1集成运放的组成框图,（1）输入级 集成运放的输入级又称为前置级，它通常是由个高性能的双端输入差动放大器组成。一般要求该放大器的输入电阻高，差模电压放大倍数大，共模抑制比大，静态电流小。集成运放输入级性能的好坏，直接影响集成运放的性能参数。,（2）中间级 中间级是整个集成运放的主放大器，其性能的好坏，直接影响集成运放的放大倍数。在集成运放中，通常采用复合管的共发射极电路作为中间级电路。,（3）输出级 输出级电路直接影响集成运放输出信号的动态范围和带负载的能力，为了提高集成运放输出信号的动态范围和带负载的能力，输出级通常采用互补对称的输出电路,（4）偏置电路 偏置电路是用于设置集成运放内部各级电路的静态工作点，通常采用恒流源电路，为集成运放内部的各级电路，提供合适又稳定的静态工作点电流。,8.2 电流源电路 8.2.1 基本电流源电路 1镜像电流源电路 在集成电路的制作工艺中，为放大管提供合适的静态工作点及提高放大器的放大倍数的电路是恒流源和有源负载电路。,在2的条件下,当Vcc和R的数值确定之后，三极管VT0的集电极电流有确定的值IR。因电路的对称性，三极管VT1集电极的电流与三极管VT0集电极的电流成镜像关系，也随着有确定的值Ic。,2比例电流源电路,3多路电流源电路,8.2.2 以电流源为有源负载的放大器,放大器的电压放大倍数与Rc或Rd成正比。要提高放大器的电压放大倍数，在和保持不变的情况下，必须加大Rc或Rd的阻值。,利用电流源作有源负载，可实现在电源电压不变的情况下，使放大器获得合适的静态工作点电流；对交流信号而言，又可以得到很大的等效电阻rce或rds来替代Rc或Rd。利用电流源为有源负载的差动放大电路如图所示。 图中的三极管VT1和VT2组成差 动放大器；三极管VT3、VT4和VT5组成电流源电路为差动放大器提供合适的静态工作点电流；VT6和VT7组成差动放大器的有源负载，该电路既可使差动放大器有合适的静态工作点电流，对交流信号而言又有很大的等效电阻rce，以替代原电路中的Rc，获得很大的电压放大倍数。,8.3 集成运放电路简介和理想运放的参数 8.3.1 集成运放电路简介,集成运放有两个输入端“u -”和“u +”，一个输出端“uo”。两个输入端分别称为反相输入端和同相输入端，通常也用字母“n”和“p”来表示。信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号反相；信号从同相输入端输入时，输出信号与输入信号同相。在运放的符号中，左边的“-”为反相输入端，“+”为同相输入端，右边的“+”号为输出端，符号中的“”表示理想运放的开环差模电压放大倍数为无穷大。,8.3.2 集成运放电路的主要参数,1输入失调电压VIO（输入补偿电压） 在集成电路的输入端所加的补偿电压就称为输入失调电压，该电压的值一般为几毫伏。输入失调电压的值越小，集成运放的性能越好。,2输入失调电流IIO（输入补偿电流） 集成运放在输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差称为输入失调电流IIO。,3输入偏置电流IIB 输入电压为零时，两个输入端静态电流的平均值称为运放的输入偏置电流。,4开环差模电压放大倍数Aod 开环差模电压放大倍数Aod指的是运放在没有外接反馈电路时本身的差模电压放大倍数。,5最大输出电压UOPP（输出峰-峰电压） 最大输出电压是指输出不失真时的最大输出电压值。,6最大共模输入电压UICmax 运放在工作时共模信号输入的最大值 7共模抑制比KCMR 集成运放开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比就是集成运放的共模抑制比KCMR。KCMR常用分贝来表示。,8.3.4 理想运放电路在不同工作区的特征 1理想运放电路在线性工作区的特点 当集成运放电路工作在线性区时，输出电压与输入的差模电压成线性关系。,由于uo为有限值，对于理想运放电路Aod，所以净输入电压upun0。即up=un。说明，运放电路的两个输入端没有短路，却具有与短路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚短路”，简称“虚短”。,注意：“虚短”与短路是不同的两个概念，不能简单地替代.,83.3 理想集成运放电路的参数和工作区 1.理想运放的主要参数包括： （1）开环差模增益（放大倍数）Aod； （2）差模输入电阻Rid； （3）输出电阻Ro0； （4）共模抑制比KCMR； （5）上限截止频率fH。,因为理想运放电路的输入电阻为无穷大，所以，流入理想运放两个输入端的输入电流ip和in也为零。 ip=in0 说明集成运放电路的两个输入端没有断路，却具有与断路相同的特征，这种情况称为两个输入端“虚断路”，简称“虚断”。,注意：“虚断”与断路也是不同的两个概念，不能简单地替代。,对于工作在线性区的运放“虚短”和“虚断”是非常重要的两个概念，这两个概念是分析运放电路输入信号和输出信号关系的基本公式。,2理想运放工作在非线性区的特征 若理想运放电路工作在开环状态（即没有引入反馈）或正反馈的状态下，因运放电路的Aod或Au等于，所以，当两个输入端之间有无穷小的输入电压时，根据电压放大倍数的定义，运放的输出电压uo也将是。的电压值超出了运放输出的线性范围，使运放电路进入非线性工作区。 工作在非线性工作区的运放，输出电压不是正向的最大电压Uom，就是负向的最大电压Uom。输出电压与输入电压之间的关系曲线uo=f(ui) 称为运放的电压传输特性曲线，该曲线如图所示。,（1）输出电压uo只有两种可能的情况。 当upun 0时，输出uo为+Uom；当upun 0时，输出uo为Uom。,（2）由于理想运放的差模输入电阻为无穷大，故净输入电流为零，即ip=in=0。由此可见，理想运放电路仍具有“虚断”的特点，但其净输入电压不再为零，而是取决于电路的输入信号。,对于工作在非线性工作区的运放电路，上述两个特点是分析其输入信号和输出信号关系的基本出发点。,3集成运放电路工作在线性区的电路特征,对于理想运放，因Aod，当两个输入端之间有无穷小的输入电压时，运放电路的输出电压都将为，超出了运放输出的线性范围，使运放工作在非线性工作区。为了使运放工作在线性工作区，必须想办法减少运放的Aod或Au的值。在电路中引入负反馈，将的Aod变成有限值的Au，即可实现减少放大器Au的目的，使集成运放工作在线性工作区。,根据上面的分析可得集成运放工作在线性工作区的特征是：在电路中引入负反馈。该特征也是判断集成运放是否工作在线性工作区的重要依据。 分析工作在线性工作区的运算放大器输入信号和输出信号之间的关系时，所用的概念就是“虚短”和“虚断”的概念和关系式,8.4 基本运算电路 在运算电路中，以输入电压为自变量，输出电压为函数；当输入电压变化时，输出电压将按一定的数学规律变化，即输出电压反映了对输入电压某种运算的结果。 因此，集成运放必须工作在线性工作区。在深度负反馈的条件下，利用反馈网络能够实现各种数学运算。这些数学运算包括比例、加、减、积分、微分、对数和指数等。 注意：在运算电路中，无论是输入电压还是输出电压，均是对“地”而言的。,8.4.1 比例运算电路 1反相比例运算电路 （1）电路的组成,（2）电压放大倍数 利用“虚断”和“虚短”的概念可分析输出电压和输入电压的关系。,注意：“虚地”和接地是不同的两个概念。“虚地”的特征是电位与地相同，但不接地，它是“虚短”在同相输入端的电位为零时的特例。,说明输出电压和输入电压的大小成比例的关系，且相位相反（式中的负号说明输出电压和输入电压相位相反），这也是反相比例运算放大器名称的由来。,说明运放的反相输入端没有接地，却因同相输入端接地，使反相输入端也具有与“地”相同的电位，反相输入端的这种状态称为“虚地”。,2T形网络反相比例运算电路 （1）电路的组成,（2）电压放大倍数,3同相比例运算电路 （1）电路的组成 （2）电压放大倍数 （3）电压跟随器,【例8-1】如图所示的同向比例运算电路，已知Av=10， 且 R1=R2。 （1）求R3和R4与R1的关系； （2）当输入电压ui=2mV时，R1的接地点因虚焊而开路，求输出电压uo的值。,已知R1=R2，,R3=R4=10 R1,当R1的接地点断开时，相当于式7-26中的R1=，电路变成电压跟随器。根据电压跟随器输出电压与输入电压相等的特征可得,【例8-2】如图所示的比例运算电路，已知Av=-33，R1=10k，R2= R4=100k。求R5和R6的阻值。,【解】该运算电路由两级运算电路组成，第一个运放A1组成同相比例运算放大器，第二级A2组成反相比例运算放大器，根据多级放大器电压放大倍数的公式可得,根据Rp= Rn的关系可得R6的值为：,8.4.2 加减运算电路 1反相求和电路 （1）电路的组成,（2）输出电压与输入电压的关系,在R1= R2 =R的情况下可得,2同相求和电路 （1）电路的组成,（2）输出电压与输入电压的关系,2同相求和电路 （1）电路的组成 同相求和电路的组成如图7-23所示。由图7-23可见，增加同相比例运算放大器的输入端，即可构成同相求和电路。,（2）输出电压与输入电压的关系根据叠加定理和分压公式可得,根据“虚短”的概念可得,移项整理可得,将Rp= Rn的条件代入可得,在RP1= RP2 =R的情况下可得,由式7-31可见，图7-23所示电路的输出电压与输入电压的和成正比的关系，所以图7-23所示的电路称为同相求和电路。,3加减运算电路 （1）电路的组成,（2）输出电压与输入电压的关系,在R1= R2 = RP3= RP4 =R的情况下可得,【例8-3】分析如图所示电路的功能。,【解】该电路由四个运算电路组成的系统，其中的运放A1、A2和A3是反相求和电路，运放A4是减法电路。设四个光电二极管的输出电压分别为uA、uB、uC、和uD， 根据反相求和电路输出和输入的关系式可得,由输出电压的表达式可见，该电路可实现四个输入电压相加及两两相加后再相减的功能，具有这种功能的电路可用在CD-ROM中实现光电的转换。 CD-ROM中的激光拾音器。当激光拾音器中的激光束聚焦正确时，四个光电二极管接受的光照度相等，uo1的输出信号最大，该信号就是激光拾音器从光盘上读取的信号：uo2的输出为零，说明激光拾音器聚焦透镜工作在正确的聚焦位置上。 当激光拾音器中的激光束聚焦不正确时，四个光电二极管接受的光照度不相等，uo2的输出不等于零。uo2的输出信号与激光拾音器聚焦透镜聚焦的状态成正比，该信号可作为聚焦透镜的伺服信号，对聚焦透镜聚焦的状态进行自动跟踪校正。,【例8-4】设计一个满足 的运算电路。,【解】运算电路的设计除了考虑输出和输入之间的函数关系外，还应考虑平衡电阻的设置。反相求和电路的平衡电阻较同相求和电路更容易设置，所以在设计运算电路时，通常使用反相求