華中科技版模電

華中科技版模電第1頁(yè)/共58頁(yè)第2章集成運(yùn)放的線性應(yīng)用2.1集成電路運(yùn)算放大器1.集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.1集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖第2頁(yè)/共58頁(yè)圖2.1.2運(yùn)算放大器的代表符號(hào)（a）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)（b）國(guó)內(nèi)外常用符號(hào)第2章集成運(yùn)放的線性應(yīng)用2.1集成電路運(yùn)算放大器2.集成電路運(yùn)算放大器的代表符號(hào)第3頁(yè)/共58頁(yè)3.運(yùn)算放大器的電路模型圖2.1.3運(yùn)算放大器的電路模型通常：開(kāi)環(huán)電壓增益

Avo≥105（很高）

輸入電阻

ri≥106Ω（很大）

輸出電阻

ro≤100Ω（很?。?/p>

vO＝Avo(vP－vN)

（V－＜vO

＜V＋）

第4頁(yè)/共58頁(yè)3.運(yùn)算放大器的電路模型圖2.1.3運(yùn)算放大器的電路模型vO＝Avo(vP－vN)

（V－＜vO

＜V＋）

第5頁(yè)/共58頁(yè)3.運(yùn)算放大器的電路模型圖2.1.3運(yùn)算放大器的電路模型理想集成運(yùn)放

開(kāi)環(huán)電壓增益

Avo→∞輸入電阻

ri→∞輸出電阻

ro→0

vO＝Avo(vP－vN)

（V－＜vO

＜V＋）

虛斷第6頁(yè)/共58頁(yè)3.運(yùn)算放大器的電路模型圖2.1.3運(yùn)算放大器的電路模型理想集成運(yùn)放vO＝Avo(vP－vN)

（V－＜vO

＜V＋）

第7頁(yè)/共58頁(yè)理想集成運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作時(shí)稱集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)4.運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用模擬電壓比較器第8頁(yè)/共58頁(yè)集成運(yùn)放引入負(fù)反饋而理想運(yùn)放Avo→∞∴應(yīng)有vP

vN6.運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用稱工作于線性區(qū)靈活運(yùn)用虛短、虛斷概念分析集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路vO＝Avo(vP－vN)

（V－＜vO

＜V＋）

虛短第9頁(yè)/共58頁(yè)2.3運(yùn)放基本線性電路同相比例放大電路反相比例放大電路

求和電路(加法電路)求差電路(減法電路)積分電路和微分電路第10頁(yè)/共58頁(yè)利用虛短和虛斷得2.3.1同相比例放大電路電壓串聯(lián)負(fù)反饋（可作為公式直接使用）

輸入電阻

輸出電阻Ro→0→∞第11頁(yè)/共58頁(yè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋R2=0,R1=∞vi＝vp≈vn＝vo電壓跟隨器第12頁(yè)/共58頁(yè)電壓跟隨器的作用無(wú)電壓跟隨器時(shí)負(fù)載上得到的電壓有電壓跟隨器時(shí)ip≈0，vp≈

vsvo≈

vp≈

vs第13頁(yè)/共58頁(yè)根據(jù)虛短和虛斷（可作為公式直接使用）2.3.2反相比例放大電路電壓并聯(lián)負(fù)反饋為提高精度，一般取平衡電阻保證集成運(yùn)放的輸入級(jí)—差放的對(duì)稱性第14頁(yè)/共58頁(yè)若R1=R2，vo=-vI

——反相器（模擬）2.3.2反相比例放大電路輸入電阻

輸出電阻Ro→0第15頁(yè)/共58頁(yè)當(dāng)R2>>R3時(shí)，試證明VS＝(R3R1/R2)IM

解:根據(jù)虛斷有Is

=I2例2.3.3指針式（磁電式）直流毫伏表電路根據(jù)虛短有VP

=

VN

=0當(dāng)R2>>R3時(shí)第16頁(yè)/共58頁(yè)2.4.3求和電路(加法電路)根據(jù)虛短：若則有根據(jù)虛斷：反相比例求和電路輸出再接一級(jí)反相電路可得（加法運(yùn)算）可擴(kuò)展為多個(gè)輸入電壓相加第17頁(yè)/共58頁(yè)第一級(jí)反相比例第二級(jí)反相加法（1）利用信號(hào)取反求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算即當(dāng)時(shí)得（減法運(yùn)算）2.4.1求差電路(減法電路)第18頁(yè)/共58頁(yè)當(dāng)則若繼續(xù)有則

根據(jù)虛短、虛斷（2）差分式減法電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)差分信號(hào)的放大第19頁(yè)/共58頁(yè)此電路也可用疊加原理來(lái)分析①vi1單獨(dú)作用時(shí)，vi2接地為一反相比例放大器②vi2單獨(dú)作用時(shí)，vi1接地為一同相比例放大器則若有R3=R2則第20頁(yè)/共58頁(yè)此電路輸入電阻高、輸出電阻低，且抑制共模信號(hào)的能力強(qiáng)①②①式代入②式，得2.4.2儀用放大器通用數(shù)據(jù)放大器，常用于對(duì)傳感器輸出微弱信號(hào)放大第21頁(yè)/共58頁(yè)電路如圖所示，集成運(yùn)放輸出電壓的最大幅值為±14V，填表。－1－5－10－141.15.51114vI/V0.10.51.01.5vO1/VvO2/V第22頁(yè)/共58頁(yè)求電路的運(yùn)算關(guān)系

I3434vRRR×++2I21I1f)(RvRvR+-Ov=×21f)1(RRR+∥第23頁(yè)/共58頁(yè)求電路的電壓放大倍數(shù)A①②聯(lián)立①、②第24頁(yè)/共58頁(yè)虛地*7.4.5第25頁(yè)/共58頁(yè)*第26頁(yè)/共58頁(yè)或vi*第27頁(yè)/共58頁(yè)vi*第28頁(yè)/共58頁(yè)7.2.2電路能否實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能，若不能，請(qǐng)改正第29頁(yè)/共58頁(yè)R2、R3引入電流并聯(lián)負(fù)反饋由虛短又由虛短、虛斷此電路可視為壓控電流源7.2.3

設(shè)圖中運(yùn)放的Avo很大，(1)指出反饋類型(2)寫(xiě)出輸出電流io的表達(dá)式

(3)說(shuō)明電路功能第30頁(yè)/共58頁(yè)RCvsvcVsvct

ic不是常數(shù)∴vo隨t呈指數(shù)規(guī)律↑不是線性積分。如何能實(shí)現(xiàn)線性積分？必須恒流充電！回憶一階RC積分電路由一階系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程2.4.4積分電路和微分電路1.積分電路第31頁(yè)/共58頁(yè)根據(jù)“虛短”，得根據(jù)“虛斷”，得設(shè)電容器C的初始電壓為零，則（積分運(yùn)算）負(fù)號(hào)表示：vI為+,輸出為負(fù)向積分；vI為-,輸出為正向積分反相積分電路第32頁(yè)/共58頁(yè)

當(dāng)vI為階躍電壓時(shí)，有即為恒流充電vo由第33頁(yè)/共58頁(yè)第34頁(yè)/共58頁(yè)例2.4.3（b）t1t20840120t=0vo/Vt/μs（a）50－10t1t240120vI/Vt/μs圖8.1.7R=10K,C=5nF,V+=+15V,V-=-15VVc(0)=0,vI的波形為已知，求vo波形vo(t1)1=8Vvo(t2)=vo(t1)vIRC(t2-t1)=0V在正向積分段在反向積分段積分電路如圖所示：第35頁(yè)/共58頁(yè)iC=CdvCdt虛短iC=iR把積分電路的R、C對(duì)換位置，得微分電路虛斷2.微分電路iC=CdvIdt第36頁(yè)/共58頁(yè)若vi為正弦波則這表明隨著f↑→vo↑即此電路對(duì)高頻噪聲敏感！改進(jìn)電路：Rvo＋－Cvi..RPR'減小對(duì)高頻噪聲的增益第37頁(yè)/共58頁(yè)歸納與推廣上面討論的比例放大、加法、減法、積分、微分等運(yùn)算電路可用下面的一般電路形式實(shí)現(xiàn)：Z1、Zf

：S=jω表示微分運(yùn)算表示積分運(yùn)算感抗容抗改變Z1、Zf的形式，可實(shí)現(xiàn)各種基本運(yùn)算。傳遞函數(shù)RLC串、并聯(lián)電路的復(fù)數(shù)阻抗ZfZ1＋－AVi(S)Vo(S)I

(S)If(S)第38頁(yè)/共58頁(yè)

右側(cè)括號(hào)內(nèi)第一、二兩項(xiàng)表示比例運(yùn)算；第三項(xiàng)表示微分運(yùn)算；第四項(xiàng)表示積分運(yùn)算；傳遞函數(shù)：＋－R2voC2R1C1vI

此為比例-積分-微分運(yùn)算電路，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用于組成PID調(diào)節(jié)器。

比例-積分運(yùn)算用于提高調(diào)節(jié)精度，微分運(yùn)算則用于加速過(guò)渡過(guò)程第39頁(yè)/共58頁(yè)6.6變跨導(dǎo)式模擬乘法器P2956.6.1變跨導(dǎo)式模擬乘法器的工作原理6.6.2模擬乘法器的應(yīng)用第40頁(yè)/共58頁(yè)模擬乘法器的符號(hào)和等效電路：若vx、vy可正、可負(fù)——稱四象限模擬乘法器

與集成運(yùn)放結(jié)合，通過(guò)各種不同的外接電路，可實(shí)現(xiàn)乘法、除法、乘方、開(kāi)方等運(yùn)算，還可組成調(diào)制解調(diào)器等。vo=Kvxvy第41頁(yè)/共58頁(yè)1.運(yùn)算電路6.6.2放模擬乘法器的應(yīng)用乘方第42頁(yè)/共58頁(yè)除法

只有當(dāng)vX2為正極性時(shí)，才能保證運(yùn)算放大器是處于負(fù)反饋工作狀態(tài)，而vX1則可正可負(fù)，故屬二象限除法器。利用虛短和虛斷概念有得由乘法器的功能有模擬乘法器做為反饋環(huán)節(jié)第43頁(yè)/共58頁(yè)則∴v1必須為負(fù)值，否則引入正反饋。①負(fù)電壓開(kāi)平方電路②正電壓開(kāi)平方電路RRvIv2+=0v1=-v2=-Kvo2R1R2vIv3+=0又R2KR1vIVo=v1必須為正值，否則引入正反饋。開(kāi)平方運(yùn)算電路＋－＋－＋－KvXvYRvovI>0Rp2R2A1A2v2v3Rp1R1R——平方電路為反饋環(huán)節(jié)第44頁(yè)/共58頁(yè)

開(kāi)立方運(yùn)算電路設(shè)R1=R2

，－∴在反饋電路中，插入更多乘法器可以實(shí)現(xiàn)更高次開(kāi)方運(yùn)算電路。vI可正可負(fù)，電路都引入負(fù)反饋v2v3vIvo——立方電路為反饋支路第45頁(yè)/共58頁(yè)對(duì)音頻信號(hào)的調(diào)制：將音頻信號(hào)“裝載”于高頻信號(hào)的過(guò)程。分調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。通信領(lǐng)域，信號(hào)由發(fā)送端經(jīng)調(diào)制輸出；接收端對(duì)信號(hào)解調(diào)還原成原來(lái)的信息。如調(diào)幅廣播、調(diào)頻廣播3.用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻第46頁(yè)/共58頁(yè)模擬乘法器的輸出：調(diào)幅上式可改寫(xiě)為：可知，輸出電壓的頻譜由兩個(gè)邊頻——和頻、差頻

——上邊頻、下邊頻在模擬乘法器輸出端加一帶通濾波器，濾掉上邊頻信號(hào)，即為單邊頻振幅調(diào)制器。載波信號(hào)vc和調(diào)制信號(hào)vs分別加于模擬乘法器兩個(gè)輸入端。－載波信號(hào)調(diào)制信號(hào)Kvxvyvo1帶通濾波器單邊帶信號(hào)輸出vo=KVsVc2Cos(c-s)t第47頁(yè)/共58頁(yè)②解調(diào)：從調(diào)幅波中提取調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)。模擬乘法器兩輸入端分別接調(diào)幅波的下邊帶信號(hào)和載波信號(hào)，end載波信號(hào)Kvxvyvo2低通濾波器v1=V1Cos(c-s)t差頻信號(hào)vo=KV1Vc2