武汉大学模电课件第六章PPT学习教案

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1、会计学1武汉大学模电课件第六章武汉大学模电课件第六章+理想运放的特性理想运放的特性1、开环电压增益、开环电压增益 Aod=2、差模输入电阻、差模输入电阻 Rid=3、输入偏置电流、输入偏置电流 IB1=IB2=04、输出电阻、输出电阻 R0=05、共模抑制比、共模抑制比 KCMR=6、频带宽度、频带宽度 BW=7、输入失调电压、输入失调电流以及、输入失调电压、输入失调电流以及它们的漂移均为零它们的漂移均为零 + + + ri ro + iI vI AvovI vO 第1页/共61页按功能分类按功能分类按工作区域分类按工作区域分类放大放大 信号传递，信号传递，AV、AI、AR（V/I）、）、AG

2、（I/V）运算运算 、 lndtdxxex处理处理 滤波、峰值、有效值、绝对值、限幅滤波、峰值、有效值、绝对值、限幅比较比较 判断电压大小判断电压大小信号产生信号产生 正弦、方波、三角波（第正弦、方波、三角波（第9章）章）线性应用线性应用非线性应用非线性应用 电压比较器电压比较器第2页/共61页 + V+ V- vP vNB vO O P - - N V- - V+ =15V 12V 70 V Vom=14V 必须引入必须引入负反馈负反馈，用，用Xf 抵消抵消Xi ，使，使Vid R3 ,R4 (k )I34I3424O)1()1(vRRvRRRRv R4 = 99k R3 = 1k )1(3

3、424I12ORRRRvRRv M4432O)111( vRRRRv 第5页/共61页 vI vO - - + Rf R1 A v v R2 = R1/Rf 电压电压串联串联负反馈负反馈虚短、虚断虚短、虚断I-vvv fO-1-0RvvRv I1fO)1(vRRv 性能特点性能特点输入电阻大（输入电阻大（Ri = ）运放共模输入电压运放共模输入电压 vi对运放对运放KCMR 要求较高要求较高 vI vO - - + A v v 电压跟随器电压跟随器第6页/共61页0- vvRfvoRsRPi1-v v2isi01 ivRisisiiiRR 12,则则fsfoRiRiv 2RfvoR1R2i1-

4、v v2isvR3LZ3i4iLi电流电流电压转换器电压转换器电压电压电流转换器电流转换器foLLLLsRvZiRZiv 123RZiiRZivLLLLLo 2311RRRRf 取取2RvisL第7页/共61页S11fS23231fO)1(vRRvRRRRRv Rf R1 vS2 vS1 vO N P + A R3 R2 特点：特点：电阻要配对、无虚地、电阻要配对、无虚地、电阻很大时才能获得高增益和高输入阻抗电阻很大时才能获得高增益和高输入阻抗1f231fRRvvARRRRidovd ，则，则取取ivRidid 输入电阻输入电阻11iRiRvid 虚短虚短12R 第8页/共61页第二级第二级A

5、3差分电路差分电路)(21(i1i221fOvvRRRRv 第一级第一级A1 、A2时当I2I1vv 时当I2I1vv I1O1)/(vRRv2121 I2O2)/(vRRv2121 )(O1O2fOvvRRv I1O1vv I2O2vv 0 O v第9页/共61页R2RfR1vS2vS1iIvONP+0PN vv1NS1-RvvfON-Rvv 2NS2-Rvv )(2S2f1S1fOvRRvRRv 反相比例加法反相比例加法NPvv fORRRv 3P2PI21PI10RvRvvRvv PfO)1(vRRv )(/(2I21I1321PRvRvRRRv 同相比例加法同相比例加法 R2 Rf R

6、1 vS2 vS1 iI vO1 N P + R R vO + 反相器反相器一、加减法电路一、加减法电路第10页/共61页(1) 求求vO 表达式表达式(2) 说明说明A1 , A2各构成各构成什么功能电路。什么功能电路。解解:第一级第一级A1反相比例反相比例第二级第二级A2反相加法反相加法S111fo1vRRv OvS222fvRR O122fvRR OvS111f22fvRRRR S222fvRR 利用反相信号求和利用反相信号求和 以实现减法运以实现减法运算算多级运放结构多级运放结构第11页/共61页 Rf R1 vS2 vS1 vO N P + A R3 R2 PNvv (2) fON1

7、NS1RvvRvv (1) 03P2PS2RvRvv 求求vO 表达式表达式S2323P )1(vRRRv 得：得：由由S11fN1f1O)(vRRvRRRv S11fS23231f1)(vRRvRRRRRR 解解: 方法一，虚短、虚断方法一，虚短、虚断方法二，叠加定理方法二，叠加定理 Rf R1 vS2 vS1 vO N P + A R3 R2 S11fOvRRv Rf R1 vS2 vS1 vO N P + A R3 R2 vS1单独作用，单独作用， vS2 =0 :vS2单独作用，单独作用， vS1 =0 :S23231fO)(1(vRRRRRv 反相比例反相比例同相比例同相比例第12页

8、/共61页(1)(1) 利用反相信号求和利用反相信号求和 OvS111f22fvRRRR S222fvRR (2)(2)利用差分式电路利用差分式电路S11fS23231fO)1(vRRvRRRRRv Rf R1 vS2 vS1 vO N P + A R3 R2 分析方法小结：分析方法小结：(1)(1) 基本的虚短、虚断基本的虚短、虚断(2)(2) 分解为基本电路（多个运放）分解为基本电路（多个运放）(3)(3) 叠加原理叠加原理特点：特点：有虚地、结构简单有虚地、结构简单输入电阻小输入电阻小特点：特点：电阻要配对、无虚地、电阻要配对、无虚地、输入电阻不等输入电阻不等第13页/共61页 R2 R

9、3 vS2 vS1 A1 vO1 N P + vO + + R1 + vO2 A2 A3 A4 vO4 vA R1 R2 R4 求电压增益表达式求电压增益表达式S1S2OVvvvA 解：解： A1、A2为电压跟随器，为电压跟随器，所以所以S2O2 S1O1vvvv 对对A3利用利用虚短虚短、虚断虚断有有2N1NO1RvRvv 2O4P1PO2RvvRvv O43O4vRRv A4为反相比例为反相比例解得：解得：3142VRRRRA )( O1O212O4vvRRv 第14页/共61页 C R vS vO + A R + 特点：特点： 反相比例反相比例 Rf C 输出表达式推导：输出表达式推导：

10、根据根据“虚短、虚断虚短、虚断”，得，得0PN vvRiCi CvCRii Rv0Sdt dCvC )0(10SC CtVdtvRCv)0(10SCO CtVdtvRCvv反相积分运算反相积分运算方法二：方法二： C ZC = 1/sCSO/1vRsCv SO1vRCsv 即即：dtds 令令：SO1vRCdtdv 则则，)0(1O0SO VdtvRCvt第15页/共61页voviRPRC0)3(1005. 01016064 Tdt 例如，设例如，设R=10k，C=0.05F。在。在t=0时时VCO=0。而。而v0经过经过+6V时，电子开关动作，若时，电子开关动作，若vi在在t=0时，由时，由

11、0 -3V，则则 解得解得T=1ms即延迟时间为即延迟时间为1msvit-3VtvoT+6V （1） 延迟延迟：将积分电路的输出作为电子开关的输入。：将积分电路的输出作为电子开关的输入。第16页/共61页vitvot（2）将方波变为三角波）将方波变为三角波 第17页/共61页voviRPRCiiC （3）移相）移相900iooVRCjVtARCdttARCv 即即)cos(1)sin(1设输入信号是正弦波，则设输入信号是正弦波，则vo比比vi超前超前900，且这个相位差与频率无关，但输出电压的幅度随频率升高而下降。，且这个相位差与频率无关，但输出电压的幅度随频率升高而下降。第18页/共61页i

12、iR工作原理工作原理因输入端存在因输入端存在“虚地虚地”，故，故 而而i也流过也流过R，故，故 电路存在的问题：电路存在的问题：（1）vo与与vi成正比，成正比，vo对对vi的变化非常敏感，故抗干扰能力差。的变化非常敏感，故抗干扰能力差。（2）RC环节对于反馈信号具有滞后作用，它和运放电路的滞后作用合在一起，可能引起自激振荡。环节对于反馈信号具有滞后作用，它和运放电路的滞后作用合在一起，可能引起自激振荡。（3）当）当vi突变时，突变时，vo过大，严重时将使电路不能正常工作。过大，严重时将使电路不能正常工作。voviRPRCdtdvCiidtdvRCiRvio改进措施：改进措施：限流限流限制限制

13、vo相位补偿相位补偿第19页/共61页缺点：缺点：（1）因）因VT和和IS是温度的函数，故运算精度受温度的影响。是温度的函数，故运算精度受温度的影响。（2）小信号时）小信号时 与与1相差不多，因而误差大。相差不多，因而误差大。（3）大电流时，伏安特性与）大电流时，伏安特性与PN结方程差别大，故上式只在小电流时成立。结方程差别大，故上式只在小电流时成立。TDVve1、对数电路、对数电路 iRiD工作原理工作原理voviRPRDRviiiRD oDvv TDTDVvsVvsDeIeIi ) 1(SiTDoRIvVvvln 设设vi0，D导通，则有导通，则有TDVvsieIRv TDSiVvRIv

14、ln第20页/共61页iRiDvoviRPRD以三极管代替二极管，以获得较大的工作范围。以三极管代替二极管，以获得较大的工作范围。 SCTBEVvsVvsECIiVveIeIIiTBETBEln)1( RviiiRC SiToRIvVvln mv26 BEv时时BEovv 而voviRPRiRiC注意：注意：vi必须大于零，电路的输出电压小于必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏伏第21页/共61页vivoRPRDifi1RvieIiofVvSDTi TiVvSoeRIv vivoRPRifiC第22页/共61页五、综合运算电路五、综合运算电路 加减法运算器加减法运算器反对数运算器反对数运算器

15、vo 对数对数运算器运算器vi3lnvi3 对数对数运算器运算器vi2lnvi2 对数对数运算器运算器vi1lnvi1 同相同相运算器运算器mlnvi1 反相反相运算器运算器-nlnvi2321321lnlnlnlninimiiiivvvvvnvm 321inimivvv第23页/共61页一、电压比较器的作用一、电压比较器的作用OLOVv vvOHOVv vv ， OHvOLvOvidv0+vvOv单限电压比较器单限电压比较器分类：分类：滞回（迟滞）电压比较器滞回（迟滞）电压比较器窗口电压比较器窗口电压比较器电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路

16、第24页/共61页 vI vO - - + A +VCC -VEE VREF 特点：特点：开环开环，)10( 5VO A运放工作在运放工作在非线性状态非线性状态下下 工作原理：工作原理：)(REFIVOOVvAv REFIVv 0O v OvCCOHOVVv REFIVv 0O v OvEEOLOVVv 传输特性：传输特性：直观直观 vO VOH VOL vI O VREF vO VOH VOL vI O VREF 逻辑逻辑1（高电平）（高电平）-vv 逻辑逻辑0（低电平）（低电平）-vv 第25页/共61页 vI vO - - + A +VCC -VEE VREF (a) vO VOH VO

17、L vI O VREF vI vO - - + A +VCC -VEE VREF (b) vO VOH VOL vI O VREF 同相比较同相比较 反相比较反相比较 vI vO - - + A +VCC -VEE (c) vI vO - - + A +VCC -VEE (d) vI vO - - + A +VCC -VEE (e) vO VOH VOL vI O vO VOH VOL vI O 同相过零比较器同相过零比较器 反相过零比较器反相过零比较器同同(c)图（虚断）图（虚断）第26页/共61页 求传输特性求传输特性 方向方向 输出电平输出电平VOH 、VOL 门限电压门限电压Vth v

18、I vO - - + A +VCC -VEE VREF (a) vO VOH VOL vI O VREF 同相同相和和反相反相Vom (运放线性范围运放线性范围=VCC- -VCES )Vom= VCC (忽略饱和压降忽略饱和压降)Vom= VZ (稳压电路稳压电路) vI vO - - + A +VCC -VEE VREF DZ1 DZ2 R 限流电阻限流电阻 输出输出vO翻转翻转时相应的时相应的输入电压输入电压显然当显然当v+ v-时状态翻转，可用时状态翻转，可用虚短、虚断虚短、虚断第27页/共61页 vI vO - - + A VREF VZ R3 2k 10k 10k R1 R2 设运

19、放是理想的，设运放是理想的， 且且VREF= - -1V, VZ= 5V，试求门限电压试求门限电压Vth ，画出传输特性，画出传输特性解解: 求门限电压求门限电压Vth 利用利用虚短虚短、虚断虚断0- vvREF211I212-VRRRvRRRv 02121 REFI- VvvV1 REFIth可得：可得：VvV 画传输特性画传输特性由稳压管电路，得：由稳压管电路，得：VO= VZ= 5V。 vI反相端反相端 反相电压比较器反相电压比较器 vO +5V vI O - -5V 1V 第28页/共61页 基本应用基本应用 判断电压大小，如安全监控等判断电压大小，如安全监控等 获取周期获取周期T 过

20、零比较器过零比较器 vI vO - - + A +VCC -VEE (c) vI vO - - + A +VCC -VEE (d) vI O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL vI O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL 第29页/共61页 vI vO - - + A +VCC -VEE VREF (a) vO VOH VOL vI O VREF vI O T 2 3 4 t t vO O VREF VOH VOL vI t Vth =VREF O vO VOH O t VOL 应为高电平应为高电平错误电平错误电平单门限比较器的抗干扰能力差单门限比较器的抗干扰能力

21、差第30页/共61页 vI vO - - + A +VCC -VEE VREF vI vO - - + A +12V - -12V VREF =4V R1 20k R2 20k vF 特点：特点：正反馈正反馈， VOFAA显然在显然在非线性状态非线性状态，输出只有，输出只有2种状态种状态 工作原理：工作原理：)(IFVOOvvAv 0REF先先令令vV621O2F RRvRv则：则：vI最大（最大（vI + +6V）vI居中（居中（- -6V vI + +6V）vI最小（最小（vI vF时时vO vO = VZRC反向充电反向充电vC vF = - -FVZ当当vC vF时时vO 周而复始，形

22、成振荡周而复始，形成振荡第37页/共61页 Rf vC C + A vO R1 R2 vF R VZ vO O VZ t O t FVZ FVZ VZ vC VZ VZ vO O VZ t O t FVZ FVZ VZ vC VZ VZ vO O VZ t O t FVZ FVZ VZ vC VZ VZ vO O VZ t O t FVZ FVZ VZ vC VZ VZ vO O VZ t O t FVZ FVZ VZ vC VZ VZ vO O VZ t O t FVZ FVZ VZ vC VZ VZ vO O VZ t O t FVZ FVZ VZ vC VZ VZ vO O VZ t O

23、 t FVZ FVZ VZ vC VZ VZ vO O VZ t T1 T2 O t FVZ FVZ VZ vC VZ 0+ 4. 计算周期计算周期 tevvvtv )()0()()( CCCC根根据据：ZC)0(FVv ZC)(Vv Z1C)(FVTv RC 1 ZZZZTeVFVVFV )21ln(211ln22121RRRCFFTT 问题：问题：能否调整占空比，产生矩形波？能否调整占空比，产生矩形波？第38页/共61页 C + A vC R R1 R2 vO DZ1 VZ DZ2 + Rf2 Rf1 D2 D1 VZ vO O VZ t T1 T2 O t FVZ FVZ VZ vC V

24、Z 0+ 问题：问题：能否同时产生方波和三角波？能否同时产生方波和三角波？第39页/共61页反相迟滞比较器反相迟滞比较器RC积分环节积分环节方波、三角波产生电路方波、三角波产生电路电路变换电路变换 Rf vC C + A vO R1 R2 vF R C R vS vO1 + A1 5.1k 0.047 F 反相积分电路反相积分电路 VZ DZ + vN vP vO2 R1 R2 R3 vI 2k 15k 5.1k A2 VZ= 8V 同相迟滞比较器同相迟滞比较器第40页/共61页求振荡频率；画出求振荡频率；画出vO1、vO的波形。的波形。 C R vS vO1 + A1 5.1k 0.047

25、F VZ DZ + vN vP vO2 R1 R2 R3 vI 2k 15k 5.1k A2 VZ= 8V 反相积分电路反相积分电路同相迟滞比较器同相迟滞比较器)0(1O10SO1 VdtvRCvt)0(O1O2 VtRCV0N21I221O1P vRRvRRRvRvV72. 2ZO21Ith FVvRRvV第41页/共61页tvO20vO10t求振荡频率；画出求振荡频率；画出vO1、vO的波形。的波形。 C R vS vO1 + A1 5.1k 0.047 F VZ DZ + vN vP vO2 R1 R2 R3 vI 2k 15k 5.1k A2 VZ= 8V )0()(O1O21O Vt

26、RCVtvZZZ1O)(2)2(FVFVTRCVTv ZZ4VFVRCT kHz3412 RCRRf第42页/共61页一、基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 滤波器：滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置。有源滤波器：有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。)(Itv)(Otv滤波电路滤波电路滤波电路传递函数定义时，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A)j ( A模，幅频响应)( 相位角，相频响应时延响应为时延响应为)( d)(d)(s 第43页/共61页低通（低通（LPF）用于工作信号为低频（或直流），并且需要削弱高次谐波或频率较高

27、的干扰和噪声等场合整流后滤波。高通（高通（HPF）用于信号处于高频，并且需要削弱低频的场合阻容放大器的耦合。带通（带通（BPF）用于突出有用频段的信号，削弱其它频段的信号或干扰和噪声载波通信。带阻（带阻（BEF）用于抑制干扰。全通（全通（APF）通阻通Av阻通Av通阻Av阻阻通Av第44页/共61页无源滤波电路：无源滤波电路：由无源元件R、L、C组成的滤波电路。有源滤波电路：有源滤波电路：由晶体管和R、C网络组成的滤波电路。 RviRLCvoviRLCLvo4、由集成运放（工作在线性区）和、由集成运放（工作在线性区）和RC网络组成的有源滤波电路的优点：网络组成的有源滤波电路的优点：（1）体积小

28、，重量轻，不需要加磁屏蔽。（2）电路中的集成运放可加串联负反馈，使ri高，ro低。（3）除了有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易调节。第45页/共61页1、低通滤波器、低通滤波器RviCvo最简单的滤波电路缺点：带负载的能力差，例如R=27k，RL=3k，对直流而言，vo只有vi的十分之一，而当RL断开时，vo=vi，0111111jRCjCjRCjvvioRC10其中ivv0当为了提高带负载的能力，可以减小R，提高C，但这不现实，此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。第46页/共61页nsAsA 1)(0传递函数传递函数101RRAf 特征角频率特征角频率RCn1 20)(1)(

29、nAjA 幅频相应为幅频相应为第47页/共61页 可由低通和高通串联得到可由低通和高通串联得到1111CR 必须满足必须满足3、 带通滤波电路带通滤波电路RC+vPvIvOR1C1+vIR2C2+vOA0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO 1 2 AA0O 2 1通带通带阻带阻带阻带阻带低通特征角频率低通特征角频率2221CR 高通特征角频率高通特征角频率12 第48页/共61页可由低通和高通并联得到必须满足必须满足12 R1C1+vIR+vOR2C2+RRA0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO 1 2 AA0O 1 2通带通带阻带阻带通带通带 一阶有源滤波电路通带

30、外衰减速率慢（一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。第49页/共61页1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路11/RRAfvf)()(sVsVAPovf压控电压源电路（压控电压源电路（VCVS）)(11)(sV/sCR/sCsVAPvIRf+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例vOvIRfC+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例RvOvICRfRC+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例vAARvOvICRfRC+vPR1放大电路放大电路同相

31、比例同相比例vAARvO对于滤波电路，有RsVsVAi)()(/sCsVsVoA1)()(0)()(RsVsVPA得滤波电路传递函数)()()(sVsVsAio2)()3(1sCRsCR-AAvfvf（二阶）（二阶）第50页/共61页vfAA 0RCn1 称为称为通带增益通带增益vfAQ 31称为称为特征角频率特征角频率称为称为等效品质因数等效品质因数则2220)(nnnsQsAsA )()()(sVsVsAio 2)()3(1sCRsCR-AAvfvf 滤波电路才能稳定工作滤波电路才能稳定工作时时，即即当当 3 03 vfvfAA注意：注意：第51页/共61页2220)()(11lg20)(

32、lg20QAjAnn 归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应2)(1)(nnQarctg 用代入，可得传递函数的频率响应 j s2220)(nnnsQsAsA 第52页/共61页直流时的直流时的幅频响应幅频响应电压增益电压增益下降下降-40db在在Q0.707和和= n时，时，出现出现-3db的转折点的转折点2220)()(11lg20)(lg20QAjAnn 第53页/共61页将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。传递函数传递函数2220)(nnsQssAsA2220)(1)(1lg20)(lg20QAjAnn归一化的幅频响应归一化的幅频响应滤波电路才能稳定工作时， 3 v

33、fACRCRfR1Roviv第54页/共61页第55页/共61页可由低通和高通串联得到令传递函数传递函数2)()-(31)(sCRsCRAsCRAsAvfvfvfvfAAA-30RC10vfAQ3120000)(1)(sQsQsAsA第56页/共61页第57页/共61页双双T T选频网络选频网络第58页/共61页双双T带阻滤波电路带阻滤波电路第59页/共61页1、理想运放工作时，两输入端之间的电压差为零，输入电流为零；2、运放有两种工作状态：线性和非线性；3、运放的两种基本电路为同相放大器和反相放大器；4、利用运放的两种基本电路可以组成运算电路（加减法加减法、积分、微分积分、微分、对数、反对数、乘法器等）5、运放与电阻电容可构成滤波器电路，实现对频率的选择作用。第60页/共61页