《集成運(yùn)算放特性》PPT課件.ppt

1、2.1 放大電路基礎(chǔ) 2.2 運(yùn)算放大器的基本概念 2.3 運(yùn)算放大器的開環(huán)傳輸特性 2.4 運(yùn)算放大器的線性模型 2.5 運(yùn)算放大器的非線性模型,第2章 集成運(yùn)算放大器的開環(huán)特性和等效模型,什么是放大？放大的實(shí)質(zhì)。 放大器的功能、電路模型和主要技術(shù)參數(shù) 差模信號(hào)、差模增益、共模信號(hào)、共模抑制比 運(yùn)算放大器的傳輸特性、頻率特性、線性模型和非線性模型 理想運(yùn)算放大器及其特性,2.1.1 放大電路的概念 2.1.2 放大電路的等效模型 2.1.3 放大電路的主要性能指標(biāo),2.1 放大電路基礎(chǔ),2.1.1 放大電路的概念,信號(hào)放大是對(duì)信號(hào)乘比例系數(shù)的運(yùn)算，比例系數(shù)稱為增益或放大倍數(shù)。,放大電路（放大

2、器）是實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大功能的電子電路。,當(dāng)有聲波輸入時(shí)，拾音器將聲波轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，音頻放大器將其幅度和功率放大并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器將輸出電壓信號(hào)還原成較強(qiáng)的聲波。 所以，放大器僅對(duì)輸入信號(hào)按一定比例(通常大于1)放大產(chǎn)生輸出信號(hào)，即輸出信號(hào)不失真地放大復(fù)制輸入信號(hào)。,當(dāng)無聲波輸入時(shí)，拾音器輸出電壓為0，音頻放大器的輸出電壓亦為0，揚(yáng)聲器沒有聲波輸出，即直流電源+V不直接產(chǎn)生輸出電壓。,雖然直流電源不能直接產(chǎn)生電壓輸出，但直流電源卻是輸出信號(hào)功率的源泉。例如，當(dāng)關(guān)掉電源時(shí)，揚(yáng)聲器無聲音輸出。 在輸入信號(hào)的控制下，放大器的直流電源按信號(hào)變化規(guī)律發(fā)出功率，幫助增大輸出信號(hào)幅度，從而實(shí)現(xiàn)了功率放大（信號(hào)

3、功率與其幅度的平方成正比）。 所以，放大器的實(shí)質(zhì)是信號(hào)功率的放大。 放大器必需包含有將直流電源功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)功率的電子元器件，稱為有源元件。由電路理論可知，有源元器件在電路中可以等效為受控電源。,綜上所述，在輸入信號(hào)頻率范圍內(nèi)，對(duì)于輸入輸出信號(hào)而言，包括直流電源在內(nèi)的放大電路等效為含有受控源的電阻性二端口網(wǎng)絡(luò)。 圖中，VS和RS表示信號(hào)源電壓和內(nèi)阻，RL表示負(fù)載。,放大電路的增益定義為：,根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)，增益分為：,電壓增益：,（無量綱）,2. 電流增益：,（無量綱）,3. 互阻增益：,4. 互導(dǎo)增益：,（電阻量綱）,（電導(dǎo)量綱）,5. 功率增益：,對(duì)于電阻性負(fù)載：,與放大電路的外特性等效的電

4、路稱為放大電路的等效模型。,2.1.2 放大電路的等效模型,電壓放大模型 電流放大模型 互阻放大模型 互導(dǎo)放大模,1.電壓放大模型,含有受控源的電阻性二端口網(wǎng)絡(luò),從輸出端看： 含獨(dú)立源電阻性電路等效為電阻輸出電阻和電壓源串聯(lián)。,戴維寧定理,從輸入端看： 無獨(dú)立源電阻性電路等效為電阻輸入電阻。,開路電壓增益,受控源Avovi反映了放大電路的電壓放大能力和功率放大能力，即將直流電壓源輸出功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)功率的能力。,輸出電壓：,負(fù)載電壓增益：,結(jié)論：輸出電阻越小、開路增益和輸入電阻越大，則電壓增益越大。,放大電路實(shí)際的輸入電壓：,信號(hào)源電壓增益：,綜上所述，設(shè)計(jì)放大器時(shí)，總是希望其開路電壓增益和輸入

5、電阻大（Ri RS）、輸出電阻很?。≧oRL）。 一個(gè)理想放大器的輸入電阻為無窮大、輸出電阻為0，等效為一個(gè)理想的電壓控制電壓源。,為了增大電壓增益，可用多個(gè)放大電路級(jí)聯(lián)。,結(jié)論：級(jí)聯(lián)放大器的電壓增益等于各個(gè)單級(jí)放大器的增益之積，輸入電阻等于第一級(jí)的輸入電阻（Ri1），輸出電阻等于最末級(jí)的輸出電阻（Ro2）。,(2) 電流放大模型,(1)電壓放大模型,對(duì)信號(hào)源或受控源進(jìn)行等效變換，電壓放大模型可等效變換為電流放大模型，互阻放大模型，互導(dǎo)放大模型。,開路電壓增益：,短路電流增益：,2其他形式的等效模型,輸入電阻和輸出電阻不變,電壓獨(dú)立源,電流獨(dú)立源,電壓受控源,電流受控源,(3) 互阻放大模型,

6、(1)電壓放大模型,開路電壓增益：,開路互阻增益：,輸入電阻和輸出電阻不變,電壓獨(dú)立源,電流獨(dú)立源,(4) 互導(dǎo)放大模型,(1)電壓放大模型,開路電壓增益：,短路互導(dǎo)增益：,輸入電阻和輸出電阻不變,電壓受控源,電流受控源,4種放大模型可以互相等效變換，所以，可采用任何一種模型表示實(shí)際放大器。無特別聲明，通常采用電壓模型。,2.1.3 放大電路的主要性能指標(biāo),放大電路的性能指標(biāo)是衡量其品質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，是正確使用的依據(jù)。 主要的性能指標(biāo)是輸入電阻，輸出電阻，增益，通頻帶寬，非線性失真系數(shù)，最大不失真輸出幅度，最大輸出功率和效率等。,輸入電阻和輸出電阻,已做了詳盡的闡述。,2. 增益,已做了詳盡的闡

7、述。 對(duì)于無量綱的增益，可用分貝表示。,對(duì)數(shù)運(yùn)算將乘法轉(zhuǎn)換成加法，故多級(jí)放大器的增益分貝數(shù)等于各單級(jí)增益分貝數(shù)之和。,3通頻帶寬,已知工程實(shí)際問題的有用信號(hào)通常是頻譜有限的。放大電路僅對(duì)有用信號(hào)放大，需要最大的增益；而對(duì)有用信號(hào)頻率范圍以外的干擾和噪聲信號(hào),增益減小，甚至為0，從而抑制無用信號(hào)。,實(shí)際放大器的增益頻率特性不能突變。,有用信號(hào)頻段的增益稱為中頻增益增益（Av），使增益下降為中頻增益的0.707倍所對(duì)應(yīng)的頻率稱為截止頻率或3dB頻率。,中頻區(qū),高頻區(qū),低頻區(qū),中頻區(qū)寬度稱為放大器的通頻帶寬（BW）：,中頻增益增益,fL -下限截止頻率,fH 上限截止頻率,例如，音頻放大器的中頻區(qū)為

8、20Hz,20kHz，帶寬近似為20kHz。,(a) 幅度失真,(b) 相位失真：相位不同,當(dāng)信號(hào)頻段與放大器的中頻區(qū)不相同時(shí)，將引起輸出信號(hào)失真，稱為頻率失真。失真是指輸入輸出波形不同。,2-基波 1-諧波,放大電路的輸出量隨輸入量變化的關(guān)系曲線稱為傳輸特性。理想放大器的輸出量與輸入量成正比,傳輸特性是一條過零點(diǎn)的直線。,4非線性失真系數(shù),但是,實(shí)際放大器由非線性的有源元件等組成非線性電路，傳輸特性不是直線。,非線性的傳輸特性可能引起失真。,放大器的非線性失真,虛線輸入信號(hào)在特性的線性區(qū)，輸出不失真。,實(shí)線輸入信號(hào)超出特性的線性區(qū)，輸出失真。,失真的輸出信號(hào)包含有基波和高次諧波。,非線性失真

9、系數(shù)定義為,非線性失真越嚴(yán)重，非線性失真系數(shù)越大。,5最大不失真輸出電壓幅度,定義為：在負(fù)載容許的非線線失真系數(shù)的條件下，當(dāng)輸入電壓再增大就會(huì)使輸出電壓產(chǎn)生非線性失真時(shí)的輸出電壓幅度。,在容許的非線線失真系數(shù)的條件下，負(fù)載能夠獲得的最大平均信號(hào)功率稱為最大輸出功率（Pom）。 通常，它與最大不失真輸出電壓幅度的平方成正比。,6最大輸出功率和效率,輸出功率源于直流電源發(fā)出的平均功率（Pv）。 效率定義為最大輸出功率與直流電源發(fā)出的平均功率之比的百分值，即,2.2 集成運(yùn)算放大器的基本概念,集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱為運(yùn)算放大器（Operational Amplifier）或運(yùn)放（OP），是一種特殊類型的

10、高增益集成電路放大器。,1運(yùn)算放大器的開環(huán)電路,運(yùn)算放大器與正確選取的外部電路元件可以組成信號(hào)處理電路，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，如放大、加、減、積分和微分等運(yùn)算。高增益的集成電路運(yùn)算放大器因此而得名。,運(yùn)放LM741的封裝圖,運(yùn)放的內(nèi)部電路主要由半導(dǎo)體元件和電阻元件組成，通常不包含電抗元件，全部元件集成制造在只有針尖大小的硅芯片上，封裝后形成電子器件。,本節(jié)介紹運(yùn)算放大器的外特性。,電路符號(hào),運(yùn)算放大器的開環(huán)電路,運(yùn)算放大器,同相輸入端,反相輸入端,輸出端,正、負(fù)電源端,電位參考節(jié)點(diǎn),輸入信號(hào),電源用節(jié)點(diǎn)電位表示,理論上，電源不直接產(chǎn)生輸出信號(hào),開環(huán)：信號(hào)只能從輸入端傳遞到輸出端,2差模信號(hào)和共模信號(hào),

11、任意輸入信號(hào)可分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)：,共模 抑制比,在電子系統(tǒng)中，差模信號(hào)是有用信號(hào)，需要增強(qiáng)； 共模信號(hào)則是無用信號(hào)或誤差信號(hào)，應(yīng)該抑制。,所以，運(yùn)算放大器的差模增益很大，通常可達(dá)104（80dB）以上，而共模增益卻很小，導(dǎo)致共模抑制比很大，通?？蛇_(dá)103（60dB）以上。,2.3 運(yùn)算放大器的開環(huán)傳輸特性,運(yùn)算放大器的輸出電壓與差模輸入電壓的函數(shù)關(guān)系稱為開環(huán)傳輸特性。 雙電源（VCC，-VEE）運(yùn)算放大器的開環(huán)傳輸特性：,整體非線性,局部線性,線性區(qū)：,飽和區(qū)：,線性范圍：,飽和電壓VOsat+、 VOsat-,差模輸入電壓Vidmax、 -Vidmax,線性區(qū)邊界輸入差模電壓Vidl

12、、最大差模輸入電壓Vidmax、飽和電壓VOsat+和VOsat-與運(yùn)算放大器的特性和電源電壓有關(guān)。 例如，運(yùn)算放大器LM741通常作用的電源電壓為15V，開環(huán)差模電壓增益為105。其VOsat+ =15V，VOsat-=-15V， Vidmax=13V， Vidl=0.15mV。所以，實(shí)際高增益運(yùn)算放大器的線性區(qū)很窄，開環(huán)工作通常處于飽和區(qū)（非線性區(qū)）。,由于開環(huán)增益很大和輸出電壓有限，實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)特性抽象為理想的開環(huán)特性。,具有理想開環(huán)特性的運(yùn)放稱為理想運(yùn)放。 理想運(yùn)放的開環(huán)增益、帶寬和輸入電阻是無窮大，輸出電阻為0，VOsat+=VOsat-= VCC 。,2.4.1 運(yùn)算放大器的交流

13、線性模型 *2.4.2直流電源和溫度的影響 2.4.3 運(yùn)算放大器的開環(huán)增益頻率特性,2.4 運(yùn)算放大器的線性模型,2.4.1 運(yùn)算放大器的交流線性模型,Rid,2Ric,2Ric,Ro,RL,應(yīng)用疊加原理,因此，應(yīng)用戴維寧定理，可以構(gòu)造出運(yùn)算放大器的線性模型（小信號(hào)模型），即線性等效電路，,輸出電壓為,實(shí)際運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓增益和共模抑制比是在規(guī)定負(fù)載的情況下測(cè)得的。,通常，開環(huán)電壓增益可達(dá)104（80dB）以上，共模抑制比可達(dá)103（60dB）以上。 差模信號(hào)和共模信號(hào)是同一數(shù)量級(jí)的量。實(shí)際運(yùn)算放大器的輸出電壓主要取決于差模輸入信號(hào)和開環(huán)電壓增益。,誤差項(xiàng)！,有用信號(hào)：差模信號(hào) 誤差信號(hào)

14、：共模信號(hào),*2.4.2直流電源和溫度的影響,但是，在直流電源作用下，實(shí)際運(yùn)算放大器的輸出電壓不為零，其值稱為輸出失調(diào)電壓VOO（是直流分量）。,理想情況下，要求輸出電壓也為0。,通常將直流電壓源對(duì)輸出電壓的影響等效為對(duì)輸入信號(hào)的影響，然后，利用交流等效電路計(jì)算輸出失調(diào)電壓。,Voo的大小是由運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路和外部電路引起的。,1運(yùn)算放大器內(nèi)部電路的影響,由于運(yùn)放內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)不理想,產(chǎn)生輸出失調(diào)電壓Voo。,稱為輸入失調(diào)電壓,2運(yùn)算放大器外部電路的影響,IBP,IBN,電源在輸入端產(chǎn)生偏執(zhí)電流。,定義：,輸入偏置電流,輸入失調(diào)電流,由電路，,共模電壓分量,差模電壓分量,偏執(zhí)電流在外部電阻

15、上引起差模電壓和共模電壓。,3考慮直流電源影響的線性模型,考慮對(duì)輸出電壓的最壞影響，電源在輸入端引起的最大差模電壓和最大共模電壓為,最大差模電壓為（差模電壓絕對(duì)值相加）：,最大共模電壓為（共模電壓絕對(duì)值相加）：,由疊加原理輸出電壓為：,信號(hào),電源,輸入誤差電壓和輸出誤差電壓主要是 和VID引起的。,輸入誤差電壓和輸出誤差電壓主要是 和VID引起的。,小信號(hào)誤差模型,運(yùn)算放大器的模型選擇,進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)，選擇小信號(hào)模型：,進(jìn)行誤差分析時(shí)，選擇小信號(hào)誤差模型，并令信號(hào)為零：,2.4.3 運(yùn)算放大器的開環(huán)增益頻率特性,電子等帶電粒子在半導(dǎo)體元件中移動(dòng)形成電流時(shí)具有一定的電荷積累效應(yīng)，這種效應(yīng)可用皮法（10-12F）級(jí)的電容元件模擬。,當(dāng)信號(hào)頻率很小時(shí)，電荷積累效應(yīng)不明顯，可以不考慮它對(duì)運(yùn)算放大器增益的影響。 但是，當(dāng)信號(hào)頻率足夠大時(shí)，電荷積累效應(yīng)將明顯地使增益隨頻率增大而減小。,-20dB/10倍頻程,fH-截止頻率或3dB頻率 fT-單位增益頻率或特征頻率。,在單位增益頻率范圍內(nèi)，大多數(shù)運(yùn)算放大器增益可表示為,f fH,f fH,-20dB/10倍頻程,當(dāng)f fH時(shí)，,f fH,f fH,當(dāng)f fH