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1、6.1 6.1 差分放大器差分放大器差分放大器的分析差分放大器大信号输入时的传输特性举例差分放大器的失调和温漂第1页/共219页绪论一.集成电路（Integrated Circuit简称IC）采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块硅单晶上，形成具有特定电路功能的单元电路。二.摩尔定律 未来10年中芯片上的晶体管数将每年翻一番（1965年）芯片上的晶体管数量每两年将翻一番（1975年）第2页/共219页绪论三.集成电路的特点（同分立器件电路相比）：1.集成电路中电阻、电容等无源器件不能象分立元件电路那样任意选用；集成电路中电阻阻值偏大将占用硅片较大的面积
2、，不利于集成；集成电路中的电容是利用PN结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。第3页/共219页绪论2.两者的设计思想正好相反3.同一集成电路中的元件参数一致性和温度均一性较好，很容易制造对称性较高的电路。分立元件电路：尽量少用晶体管，以降低成本；集成电路：则尽量减少电阻、电容等无源器件，用晶体管等有源器件所取代。第4页/共219页6.1 差分放大器 引子：为什么引入差分放大器？1.直流信号的放大在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的信号进行放大。例如生物电的放大，或某些自动控制中的控制信号。把这种变化十分缓
3、慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为 直流信号。直流放大器是放大直流信号的一种放大器（当然也可以放大交流信号）。直流信号不同于直流电。第5页/共219页 引子：为什么引入差分放大器？2.直流放大器面临的问题电容耦合放大器无法放大直流信号，耦合电容很难传送缓变信号。直流放大器常常采用直接耦合方式。两个问题：1）级与级之间的直流工作状态互相影响2）零点漂移第6页/共219页 引子：为什么引入差分放大器？1）级与级之间的直流工作状态互相影响调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。第7页/共219页 引子：为什么引入差分放大
4、器？现象：输入电压为零，输出端电压表指针偏离零点或起始值，出现忽大忽小的不规则摆动。2）零点漂移定义：输入电压为零时，输出还有缓慢变化的电压产生，输出电压偏离起始值而上下波动，使输出端产生缓慢变化的电压。零点漂移简称零漂。引起零漂的外界因素：时间漂移：由于晶体管和其他元件的参数本身老化作用引起的，与电 路设计无关。温度漂移：由于晶体管的参数随着环境温度的变化而变化所造成的。电源电压变化引起的漂移：当电源电压变化时，电路的直流电平配制 受到某种破坏而导致输出零点的变动。第8页/共219页 引子：为什么引入差分放大器？为什么是矛盾？为了获得高的直流增益，可以增加级数，但同时输出漂移电压也加大。为了
5、减小零漂可以引入负反馈，但同时放大器对直流信号的放大能力 也减弱了。寻求新方法解决矛盾！抵消采用特殊形式的电路使漂移电压互相抵消。引入特殊的负反馈对零点漂移有很强的负反馈，对有用直流信号无负反馈。例如乙类推挽功放电路，每个管子产生大量的谐波失真，但在负载上，偶次谐波互相抵消了。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和小的零点漂移。矛盾！调制型直流放大器（框图）第9页/共219页 差分放大器的分析1.电路形式 基本形式（长尾电路）两个性能完全相同的共发射极电路拼接而成。如何消除零漂？输入信号为零，电路对称 某种因素产生零漂，如温度升高，电路对称，晶体管参数相同，靠电路对称消除零漂！第10页/共2
6、19页 差分放大器的分析1.电路形式 射极电阻的几种不同形式输入信号分别加到两管基极，输出两种取法：从单管集电极取 单端输出 从两管集电极之间取 双端输出第11页/共219页 差分放大器的分析1.电路形式 差分式放大电路的组态基于不同的应用场合，有双、单端输入和双、单端输出的情况。单端输入时，另一端接地。双入双出双入单出单入双出单入单出第12页/共219页 差分放大器的分析2.工作原理 输入信号的分析1）差模输入信号：即两管输入信号大小相等、相位相反，称为差模输入信号，记为2）共模输入信号：即两管输入信号大小相等、相位相同，称为共模输入信号，记为零漂引起的就是共模信号，为有害信号。第13页/共
7、219页 差分放大器的分析2.工作原理 输入信号的分析问题：差分放大器的两个输入信号往往是一对任意数值的信号，一般 ，即，非差模也非共模，该怎样分析？解决方法：对输入信号进行分解，把一对任意数值的输入信号分解为差模信号和共模信号的叠加，求出差模信号和共模信号分别作用于差分放大器时的输出结果，然后利用叠加原理，得出差分放大器在一对任意数值输入信号作用下的性能指标。第14页/共219页 差分放大器的分析2.工作原理 输入信号的分析令具体分解方法：第15页/共219页 差分放大器的分析2.工作原理 输入信号的分析例子：差模输入信号（任一端都不接地）共模输入信号第16页/共219页 差分放大器的分析2
8、.工作原理 电阻 的分析1）差模信号作用下：相同VT1：VT2：流过 的信号电流彼此抵消，在 上无信号电压两管均为共射放大器，完成放大差模信号的作用。反之亦然。两管各极电流的变化正好相反，当第17页/共219页 差分放大器的分析2.工作原理 电阻 的分析2）共模信号作用下：两管相应电流始终相等，流过 的信号电流为 ，产生的电压为引入了电流串连负反馈，使得从每个管子集电极输出时的共模电压大大减小了。第18页/共219页 差分放大器的分析2.工作原理 结论 共模等效差分放大器对差模信号具有放大作用，而对共模信号具有抑制作用。差模输入信号正是要放大的有用输入信号，而共模输入信号则是有害的输入信号（零
9、点漂移）。结论差模等效第19页/共219页 差分放大器的分析3.差模电压放大倍数和差模输入电阻1）差模电压放大倍数单端输出差模电压放大倍数第20页/共219页 差分放大器的分析双端输出差模电压放大倍数双端输出只要输入电压有差别，输出就变动！第21页/共219页 差分放大器的分析3.差模电压放大倍数和差模输入电阻2）差模输入电阻第22页/共219页 差分放大器的分析4.共模电压放大倍数和共模输入电阻1）共模电压放大倍数单端输出共模电压放大倍数和 成反比，越大，越小。第23页/共219页 差分放大器的分析单端输出共模电压放大倍数双端输出共模电压放大倍数单端输出时，射极电阻 引入了电流串联负反馈，使
10、得共模输出电压大大减小；双端输出、电路对称时，则共模输出电压为零，即共模输入电压完全被抑制。第24页/共219页 差分放大器的分析4.共模电压放大倍数和共模输入电阻2）共模输入电阻第25页/共219页 差分放大器的分析5.输出电阻 无论是差模输入还是共模输入，输出端是一样的，输出电阻统一用 表示。第26页/共219页 差分放大器的分析6.共模抑制比 衡量差分放大器放大差模信号和 抑制共模信号的能力定义：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。Common Mode Rejection Ratio越大，表示差分放大器对共模信号的抑制能力越强。第27页/共219页 差分放大器的分析6.共模
11、抑制比1，双端输出时，使电路尽可能对称；增大发射极电阻，受到发射极电源电压的限制。寻找一 种电阻：它对直流呈现很小的阻值，而对交流呈现非常 大的阻值；减小共模输出电压提高共模抑制比的方法：单端输出时，恒流源电路3，引入共模负反馈。2，第28页/共219页 差分放大器的分析6.共模抑制比 提高方法，电路举例1）恒流源电路2）引入级间共模负反馈第29页/共219页 差分放大器的分析（往后）7.几种放大器方式性能参数比较双入双出双入双出双入单出双入单出单入双出单入双出单入单出单入单出射极电阻或射极电流源内阻以上对应电路均未接基极电阻或信号源内阻忽略不计。第30页/共219页 差分放大器的分析8.差分
12、放大器的组合形式1）共集-共基差分放大器 分析：双端输入、单端输出；VT5、VT6构成基本电流源，作为VT4的有源负载；CC组态CB组态第31页/共219页 差分放大器的分析8.差分放大器的组合形式1）共集-共基差分放大器第32页/共219页 差分放大器的分析8.差分放大器的组合形式2）共集-共射差分放大器分析：双端输入、单端输出；VT5、VT6构成基本电流源，作为VT4的有源负载；CE组态CC组态第33页/共219页 差分放大器的分析8.差分放大器的组合形式2）共集-共射差分放大器第34页/共219页 差分放大器的分析例6-1 某差分放大器已知 ，dB，已知 为负值，求输出电压 。9.例题分
13、析解：第35页/共219页 差分放大器的分析9.例题分析例6-2 某差分放大器两个输入端的信号分别为 和 ，输出电压 ，三者的关系是 。试求该差分放大器的差模电压放大倍数 和共模电压放大倍数及共模抑制比。解：第36页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性1.双极型晶体管差分放大器的传输特性考虑大信号的输入特性，晶体管的小信号电路已不适用，要从晶体管特性基本关系式出发，结合电路进行研究。第37页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性1.双极型晶体管差分放大器的传输特性双曲正切函数第38页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性1.双极型晶体管差分放大器的传输特性差分放大器传
14、输特性第39页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性从传输特性得到的结论：1）当差模输入电压 时，差动放大器处于平衡状态，即 2）在平衡状态的工作点附近 范围内，与 呈线性关系 第40页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性怎样扩大差分放大器的线性范围？引入负反馈 射极电阻射极电阻增大，线性工作范围改善程度越好。第41页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性从传输特性得到的结论：3）当差模输入电压超过 时，输出电压基本不变，这表明差动放大器在大信号输入时，具有良好的限幅特性。差分型限幅器4）定义：差分放大器跨导为mV改变恒流源电流就可以改变跨导，从而改变差模电压增益，所
15、以带有恒流源的差分放大器可以用来实现自动增益控制。第42页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性例6-3 电路如图所示，已知 ，VT1、VT2参数相同，求差模电压放大倍数 。解：直接利用第43页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性2.场效应管差分放大器的传输特性目的：提高差分放大器的输入电阻电路对称，双端输出第44页/共219页 差分放大器大信号输入时的传输特性2.场效应管差分放大器的传输特性传输特性第45页/共219页 例题分析例6-4 电路如图所示，已知 ，VT1、VT2参数相同 ，且设 ，毫安表内阻 ，求：（1）静态时的 和 ；（2）当 时，流过毫安表的电流。分析：静态
16、时，即输入为零，放大器处于平衡状态，毫安表无电流流过；输入为2V时，VT1工作在限幅区，VT2工作在截止状态。第46页/共219页 例题分析 解：（1）静态（2）流过毫安表的电流第47页/共219页 例题分析例6-5 差动放大器如图所示，假设电路完全对称，电路参数为：，管子参数为：。求：（1）电路静态时的 ；（2）双端输出差模电压放大倍数 ；（3）双端输出共模电压放大倍数 及 共模抑制比 ；（4）差模输入电阻 和共模输入电阻 ；（5）输出电阻 。第48页/共219页 例题分析解：分析：双端输入、双端输出；负载上无直流电流流过，显然对直流状态无影响；负载的中间点电位始终不变，相当于差模信号的零电
17、位；差模信号输入时的等效负载为 。（1）（2）第49页/共219页 例题分析 由于电路对称，有（3）（4）（5）第50页/共219页 例题分析例6-6 差动放大器如图所示，VT1、VT2特性、参数相同，对交流呈现的内阻为（1）差模输入电阻 ；（2）；（3）若电阻精度为1%，求最坏情况下 的共模抑制比；（4）共模输入电阻 ；第51页/共219页 例题分析解：（1）第52页/共219页 例题分析（2）注意输出电压极性的规定（3）第53页/共219页 例题分析（4）第54页/共219页 例题分析例6-7 差动放大器如图所示，VT1、VT2特性、参数相同，要求（1）和 ；（2）和 ；第55页/共219
18、页 例题分析解：（1）第56页/共219页 例题分析第57页/共219页 例题分析（2）第58页/共219页 例题分析例6-8 如图电路，求分析：做出交流等效电路，整理得到下图。第59页/共219页 例题分析解：管子参数均相同第60页/共219页 例题分析解：两点结论：同相；电压增益增大（公式中分母没有2）。第61页/共219页 差分放大器的失调和温漂现象和定义失调：差分放大器在理想状态下，当输入信号为零时，其双端输出电压也为零。但对实际差分放大器而言，由于电路不完全对称，因而零输入时，对应的输出电压并不为零。分为电压失调和电流失调失调漂移：差分放大器的失调往往是随着时间、温度、电源电压等外界
19、因素的变化而变化。降低了放大器的灵敏度第62页/共219页差分放大器的失调和温漂1.输入失调电压 及其温度漂移 输出失调电压折算到输入端的电压显然要使输出电压为零，就必须在输入端加入一能抵消输入失调电压的补偿电压。引起输入失调电压的原因：（1）晶体管的 不对称性；（2）集电极电阻的相对误差。输入失调电压漂移是由不对称性和集电极电阻的漂移引起的。第63页/共219页2.输入失调电流 及其温度漂移 假如差分放大器两管的基极偏置电流不相等，两信号源的内阻相等，则会在输入端产生一个输入误差电压，输入失调电流：静态输出电压为零时，两管基极偏置电流之差。由管子的 和集电极电阻 的相对误差引起。差分放大器的
20、失调和温漂第64页/共219页结论：差动放大器的失调是由于电路中管子参数和电阻等的不对称而引起的。失调电压和失调电流都随着温度的变化而变化。为了尽可能地减小失调和漂移，要求电路尽可能地对称。方法：常用差动对管(它是在一个基片上制作两个相同的管子，这样容易使参数一致)来构成差动放大器。差分放大器的失调和温漂第65页/共219页6.2 6.2 集成运算放大器典型电路介绍集成运算放大器典型电路介绍双极型集成运算放大器F741集成运算放大器的组成第66页/共219页6.2 集成运算放大器典型电路介绍双极型集成运放F741高增益，高输入阻抗的第二代集成运放F741由输入级、中间级和输出级三级组成。第67
21、页/共219页6.2 集成运算放大器典型电路介绍双极型集成运放F741输入级：VT1-VT9，采用有源负载的共集-共基（VT1-VT4）电路提高放大器的差模输入电阻和差模输入电压范围。VT5、VT6和VT7组成小电流源改进电路，作为差分放大器集电极的有源负载，并将双端输入信号转变成单端输出信号。这一级可以获得较高的电压增益。第68页/共219页6.2 集成运算放大器典型电路介绍双极型集成运放F741中间级：有VT16、VT17组成复合管的单级共射放大器，并由VT13作为它的有源负载。高的输入电阻保证输入级有较高的电压增益。提高中间级的电压增益。30pF补偿电容，可以保证闭环稳定工作。第69页/
22、共219页6.2 集成运算放大器典型电路介绍双极型集成运放F741输出级：VT14和互补复合管VT18、VT19组成准互补输出级。消除交越失真输出级二极管保护电路第70页/共219页集成运放的组成1.CMOS集成运放组成 CC14573为例CC14573是一个四可编程运算放大器，它用P沟道和N沟道增强型MOS场效应管以单片结构组成低功耗运算放大器。偏置电路：由P沟道增强型MOS场效应管 VT5、VT6和外接偏置电阻组成。VT5、VT6构成基本电流源。输入级:由VT1、VT2、VT3、VT4和VT6组成。VT1、VT2组成差分放大器，VT3、VT4作为它的有源负载，VT6提供工作电流。输出级:由
23、VT7、VT8构成一共源放大器。第71页/共219页集成运放的组成2.NMOS集成运放1）NMOS的单级共源放大器或差分放大器与CMOS放大器相比，其电压增益较低。为了提高NMOS放大器的电压增益，采用一些特殊电路，使电路结构较为复杂。2）为了保证零输入时零输出，NMOS运放一定要有电平位移电路。而CMOS运放的电平位移靠器件的互补性能来实现，没有专门的电平位移电路。3）为提高NMOS运放的输出性能，输出级采用特殊的电路形式，它比CMOS互补输出电路复杂。NMOS运放与CMOS运放相比，它有下列不同之处：第72页/共219页6.3 6.3 集成运算放大器的性能参数和模型集成运算放大器的性能参数
24、和模型性能参数模型第73页/共219页6.3 集成运放的性能参数和模型性能参数1）输入偏置电流 ()：当运算放大器的输出直流电压为 零时，其两输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，即双极型管1pA1A左右 场效应管：一般小于1nA 2）输入失调电流 ：其值范围一般为1nA10A。偏置电流越大，其输入失调电流也越大。第74页/共219页性能参数3）输入失调电压 ：一般为mV数量级。对于高精度、低漂移类型的运算放大器，可以做到小于1V。双极型管作为输入级场效应管作为输入级4）差模开环电压增益 即线性区域的斜率。第75页/共219页性能参数5）共模电压增益 ：当共模信号输入时，运放输出电压的变化
25、量与输入电压变化量的比值，即6）共模抑制比 ：频率的函数 7）差模输入阻抗 ：差模输入电阻 和差模输入电容 构成，在低频时仅指差模输入电阻。双极型管：几十千欧到几兆欧 场效应管：通常大于109第76页/共219页性能参数8）共模输入阻抗 ：输入共模信号时，共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模输入电阻 。9）输出阻抗 ：在低频时，它即为运放的输出电阻 ，一般为几十至几百欧。10）最大差模输入电压 ：运放两输入端所允许加的最大电压差。11）最大共模输入电压 ：在线性区共模输入电压的最大值。第77页/共219页性能参数12）额定输出电压 ：指在特定的负载条件下，
26、运放能输出的最大不失真电压幅度。通常与电源电压相差12V。13）-3dB带宽 和单位增益带宽 ：直流电压增益 第78页/共219页性能参数14）转换速率 ：在额定负载条件下，当输入阶跃大信号时，运放在线性区输出电压的最大变化速率称为转换速率，即 图中输出电压上升部分的斜率最大值就是转换速率。第79页/共219页性能参数14）转换速率 ：转换速率也可以用频率范围来表示，定义全功率带宽 为在正弦输入电压作用下，把运放接成单位增益情况下，不失真输出电压振幅达到额定值 的最高频率。上图画出了由于转换速率太小，而造成输出波形产生非线性失真的情况。图(a)是输入信号电压的频率稍大于全功率带宽，输出电压已经
27、来不及跟随激励电压而变化，使正弦波产生明显失真；图(b)是当 时，使得输出电压根本来不及达到额定输出电压值，致使正弦波变成了三角波。第80页/共219页15）静态功率 ：运放在空载和没有输入信号情况下要求电源供给的直流功率。6.3 集成运放的性能参数和模型等于全部电源电压(正电源与负电源绝对值之和)与静态电流的乘积。模型第81页/共219页6.4 6.4 理想运放及其基本组态理想运放及其基本组态理想集成运算放大器集成运放的基本组态第82页/共219页6.4 理想运放及其基本组态理想集成运算放大器特点：输入失调电压开环电压放大倍数差模输入电阻输出电阻频带无限宽输入失调电流共模抑制比干扰和噪声都不
28、存在第83页/共219页理想集成运算放大器理想运放模型符号传输特性线性放大区等效电路正向饱和区等效电路负向饱和区等效电路比电源电压小12V第84页/共219页理想集成运算放大器分析方法：1）线性放大区两个输入端无电流，两个输入端之间开路；两个输入端“虚短路”。理想运放特性（线性区）第85页/共219页理想集成运算放大器分析方法：2）饱和区两个输入端无电流，两个输入端之间开路；比较两个输入端电压大小。高电平输出低电平输出理想运放特性（饱和区）第86页/共219页集成运放的基本组态1.反相放大组态存在负反馈，运放工作在线性区输入电压在一定范围内时，输出电压和输入电压相位相反，大小仅取决于反馈回路电
29、阻比。虚地：反相输入端没有真正接地，而具有地电位虚地第87页/共219页集成运放的基本组态1.反相放大组态传输特性反相跟随器 输入电阻：反相放大组态的实质是电压并联负反馈，具有低的输入阻抗和输出阻抗。第88页/共219页集成运放的基本组态例题分析例6-9 已知 ，试画出输出波形。解：受 的限制第89页/共219页集成运放的基本组态例题分析例6-10 求输出的表达式。解：利用叠加原理第90页/共219页集成运放的基本组态2.同相放大组态存在负反馈，运放工作在线性区输入电压在一定范围内时，输出电压和输入电压同相，大小仅取决于反馈回路电阻比。第91页/共219页集成运放的基本组态2.同相放大组态同相
30、跟随器 同相放大组态的实质是电压串联负反馈，输入电阻很大，理想运放为无穷大。第92页/共219页集成运放的基本组态例题分析例6-11 求 。解：无电流。第93页/共219页集成运放的基本组态3.差分放大组态反相放大组态和同相放大组态二者结合输入信号 可以认为是 ，利用叠加原理，分别计算 对输出的贡献 和 ，然后合成，即 第94页/共219页集成运放的基本组态3.差分放大组态结论：运放特性理想且外接元件 参数满足特定条件差分运算放大器只对差模输入信号实现运算，输出无共模分量，且闭环增益仅取决于外接电阻比。作用：抑制共模成分第95页/共219页集成运放的基本组态3.差分放大组态虚短路 差模输入电阻
31、共模输入电阻对于理想运放，共模输出电压为零，输出端相当于接地，所以(R1+R2)与(R3+R4)是并联关系。第96页/共219页6.5 6.5 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用信号放大及检测电路信号运算电路信号处理电路第97页/共219页6.5 集成运算放大器的应用信号放大及检测电路1.高输入阻抗放大器1）输入电阻自举扩展电路 A1：主放大器 A2：正反馈，提供电流反相比例放大器第98页/共219页信号放大及检测电路1）输入电阻自举扩展电路实际上，两者之间阻值总有一定的偏差，同时为了放大器稳定工作，防止电路自激振荡，也必须人为地使 略大于 保证 为正值。第99页/共219页信号放大及检
32、测电路2）同相串联差分式高输入阻抗放大器输入信号加于两个运放的同相输入端，差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电阻之和，提高了输入电阻。利用迭加原理，分别作用于输入端第100页/共219页信号放大及检测电路2）同相串联差分式高输入阻抗放大器双端输入，输入电阻为无穷大。第101页/共219页信号放大及检测电路2.可编程增益放大器若S1接通，则同相跟随器若S2接通，则同相放大器若S3接通，则第102页/共219页信号放大及检测电路2.可编程增益放大器若S4 接通，则结论：放大器有4种增益水平，其大小取决于外电阻R1-R4，改变电阻大小即可改变增益。如果在电路中接入译码器B对开关 进行控制，则可以减
33、少控制位数。第103页/共219页信号放大及检测电路码控四段转换可编程增益放大器 为数字选通信号，译码输出后控制 开关 的选通。第104页/共219页信号放大及检测电路3.测量放大器 均为同相输入，具有双端输入、双端输出形式。为差分组态，实现减法运算。第105页/共219页信号放大及检测电路3.测量放大器输出与输入之间成线性放 大关系。调节电位器 即可方便地改善增益。电路特点：输入电阻极高。共模抑制比极高。增益调节方便。第106页/共219页信号运算电路1.全加器能进行加法和减法运算的电路利用线性叠加原理，得到：结论：对输出的贡献只决定于 而与 无关，或者说 不参与运算。第107页/共219页
34、信号运算电路1.全加器将电路加以推广，可以得到进行加法运算和减法运算的全加器。如果所有输入网络与反馈网络的元件都是纯电阻，且满足则第108页/共219页信号运算电路例题分析例6-12 试用一个运算放大器构成如下运算关系且要求每路输入电阻不小于 。解：电路设计如右图，选择则第109页/共219页信号运算电路2.积分器和微分器1）积分器结论：输出电压与输入电压的积分成正比。利用积分器可以构成线性良好的扫描电路。第110页/共219页信号运算电路例题分析例6-13 电路如下图所示，求输出电压 表达式。解：第111页/共219页信号运算电路例6-14 电路如下图所示，输入电压 波形如下图所示，设 时，
35、电容C 上的初始电压为零，试画出 波形。解：输入信号是方波，采用分段积分。输出波形第112页/共219页信号运算电路2.积分器和微分器2）微分器将积分器电路中电容和电阻的位置调换，就构成微分器。输出电压与输入电压的微分成正比。第113页/共219页信号运算电路例6-15 设电路和 、波形如图所示。试画出 波形（提示：JFET导通时的电阻可忽略不计）。解：场效应管夹断，运放组成全加器电路场效应管导通，第114页/共219页信号运算电路例6-16 电路及输入电压 波形如图所示，1）说明场效应管 VT和二极管VD的作用；2）画出 的波形，并标出其幅值。解：VD截止，VT导通，短路线 VD导通，VT夹
36、断，积分功能VD控制VT的工作状态，VT控制电路的工作状态输出波形第115页/共219页信号运算电路3.对数和反对数放大器1）对数放大器二极管伏安特性输出电压与输入电压的对数成正比。图中二极管常用三极管连接而成。第116页/共219页信号运算电路2）反对数（指数）放大器输出电压与输入电压的反对数（指数）成正比。将对数放大器电路中二极管和电阻的位置调换，构成反对数放大器。二极管伏安特性图中二极管常用三极管连接而成。第117页/共219页信号运算电路4.乘法和除法运算由对数和反对数放大器不难构成乘法和除法运算电路，原理如下图，第118页/共219页信号处理电路1.电压比较器作用：判断输入信号电压之
37、间的相对大小。输出只有两种稳定工作状态：高电平输出低电平输出1）单限比较器参考电平第119页/共219页信号处理电路专用集成电压比较器LM139/339系列集成电压比较器，由4个独立的精密电压电压比较器组成，具有低功耗、低失调的特点，输入失调电压2mV，失调电流3nA，可在单双电源下工作。第120页/共219页信号处理电路2）迟滞比较器带有正反馈的比较器，又称施密特触发器正反馈支路工作原理当 从很负逐渐增大时，假设初始状态由于 很负，使得 ，运放输出为正向最大值，即此时 是参考电平和输出电压共同作用的叠加，上门限电压第121页/共219页信号处理电路2）迟滞比较器当 从很负逐渐增大到 时，由于
38、强正反馈，输出将跳变到负向最大值，即 此时下门限电压减小 ，输出电压仍维持在 。直到 时，才又跳变到正向最大值，即第122页/共219页信号处理电路2）迟滞比较器 传输特性输入由小变大时的传输特性输入由大变小时的传输特性完整的传输特性第123页/共219页信号处理电路2）迟滞比较器迟滞比较器存在两个比较门限，两者之差为：上门限电压下门限电压门限宽度迟滞比较器又称为双限比较器第124页/共219页信号处理电路例题分析例6-17 已知 的输出 ，为理想二极管。试分析电路的工作原理，画出传输特性曲线。分析：只要 中任有一个为高电平，输出 即为高电平；只有 均为低电平，输出 才为低电平。两个单限比较器
39、构成的或门电路第125页/共219页信号处理电路解：结论：只有当 取值介于3-6V间时，电路输出为低电平，；否则，电路输出为高电平，第126页/共219页信号处理电路2.波形产生电路1）正弦波文氏桥振荡器桥形RC网络接在输出端与同相输入端之间，则起振条件是相移等于零。零相移桥式振荡器 第127页/共219页信号处理电路1）正弦波文氏桥振荡器要求 和 之间相移在某个频率上为零，则虚部为零，振荡频率满足幅度平衡条件的运放的闭环增益应等于3。第128页/共219页信号处理电路2）方波发生器脉冲和数字系统的信号源运放以比较器方式工作。利用电容两端电压 和 相比较，来决定输出 是高电平还是低电平。如果
40、为高电平，则对电容C 充电，使 增加；如果 为高电平，则对电容C 放电，使 减小。电容两端电压的变化又使输出不断翻转，得到方波。第129页/共219页信号处理电路2）方波发生器瞬态电路三要素公式第130页/共219页信号处理电路2）方波发生器第131页/共219页信号处理电路对称的方波和三角波发生器电路A1为迟滞比较器，A2为反相积分器，共同组成正反馈电路，形成自激振荡，由A1输出方波，A2输出三角波。第132页/共219页信号处理电路3.波形变换电路1）半波整流电路 运放与二极管配合，可组成波形变换电路。反相型运放电路 正极性负极性截止导通零负极性正极性导通截止第133页/共219页信号处理
41、电路1）半波整流电路 输入 输出 传输特性 0第134页/共219页信号处理电路全波整流电路 将VD1、VD2放入到负反馈环内，以改善性能。传输特性实际电路原理图第135页/共219页例题分析例6-18 试画出下图所示电路的传输特性。解：信号处理电路VD2导通，VD1截止VD2截止，VD1导通传输特性第136页/共219页信号处理电路3.波形变换电路2）峰值检波电路同相跟随器二极管导通，运放构成同相跟随器，电容充电时间常数 很小，充电速率很快；二极管截止，电容电压值保持不变。输出电压跟随信号的峰值而变，并保持信号的最大值。第137页/共219页信号处理电路3.波形变换电路3）限幅电路特点：当输
42、入信号进入限幅区后，输出信号不再跟随输入信号变化，而保持在某个固定值上。单限限幅器第138页/共219页信号处理电路3）限幅电路 二极管的接法决定了对输出电压的正向进行限幅。如果要进行负向限幅，只要将图中的二极管和稳压管都反接一下即可。若想获得双向限幅效果，只要将二极管换成稳压管，背靠背串接即可。传输特性第139页/共219页信号处理电路4.有源滤波电路1）低通滤波器功能：使低于某一频率(如f0)的信号能通过，而高于f0 信号不能通过。一阶有源低通滤波器（反相型）第140页/共219页信号处理电路1）低通滤波器归一化的幅频特性 第141页/共219页信号处理电路1）低通滤波器目的：提高增益和带
43、负载能力方法：可将RC无源网络接到运放的同相输入端 缺点：滤波效果不够好。理想的 低通滤波器,其幅频特性应 该呈矩形。第142页/共219页信号处理电路1）低通滤波器上图所示低通滤波器的幅频特性，在 时有3dB衰减；而当 时，以20dB/10倍频程的速率下降，衰减不够快。第143页/共219页信号处理电路二阶有源低通滤波器电路AB节点A：节点B：第144页/共219页信号处理电路二阶有源低通滤波器电路AB类似谐振回路的品质因素 为不同值时对幅频特性的影响 需要指出:当 时，将趋于无穷大，意味着电路将产生自激振荡，因此 必须小于 ，且要求元器件性能稳定。第145页/共219页信号处理电路4.有源
44、滤波电路2）高通滤波器将低通滤波器中起滤波作用的电阻、电容互换即可变成高通滤波器。两者是“镜像”关系。第146页/共219页信号处理电路4.有源滤波电路3）带通滤波器功能：允许某一频带内的信号通过，而处于该频带外的信号都不能通过。可以由低通和高通电路结合而成。优点：改变 和 的比例就可改变频带宽度而不影响中心频率。中心角频率频带宽度品质因数若只能让某一频率的信号通过，则称为选频放大器。第147页/共219页信号处理电路4.有源滤波电路4）带阻滤波器功能：在规定的频带内信号不能通过(或受到很大衰减)，而在其余频率范围，则信号能顺利通过。原理方框图 第148页/共219页信号处理电路4.有源滤波电
45、路若是阻止某一频率分量通过，称这种带阻滤波器为陷波器。第149页/共219页信号处理电路4.有源滤波电路陷波器电路 第150页/共219页信号处理电路5.取样保持电路方框图原理电路波形图实际电路第151页/共219页信号处理电路6.其他应用举例1）模拟电感电路求下图所示电路的输入阻抗，并说明其性质。虚短第152页/共219页信号处理电路1）模拟电感电路此电路实质上是一模拟电感电路第153页/共219页信号处理电路2）恒流源电路求证：当满足 时，与负载电阻 无关。证明：恒流源第154页/共219页6.6 实际集成运放电路的误差分析实际工程简化应注意的几点:对输入为交流信号的运放电路，可以将模型中
46、电压源短路，电流源开路。对反相输入的运放，共模抑制比可忽略不计。对同相输入的运放，共模抑制比引入的误差就不可忽略。可以将失调误差和增益误差分别考虑，然后叠加组合，得到总误差。如果讨论某个(些)参数的影响，则其它参数可视为理想的。第155页/共219页例6-19 下图所示的反相放大器电路中，设运放的开环电压增益 ，求与理想运放比较，它的闭环电压增益是多少？相对误差是多少？由于输入为低频信号，和 均可不予考虑，可认为开路，可认为为零。6.6 实际集成运放电路的误差分析第156页/共219页解：由输入和输出共同作用产生，利用叠加原理6.6 实际集成运放电路的误差分析第157页/共219页解：增益的相
47、对误差：6.6 实际集成运放电路的误差分析第158页/共219页例6-20 如图所示的同相放大器电路，设开路电压增益、共模抑制比为有限值，其他参数均为理想值，试推导 的表达式。解：6.6 实际集成运放电路的误差分析第159页/共219页解：式中6.6 实际集成运放电路的误差分析第160页/共219页解：6.6 实际集成运放电路的误差分析例6-21 分析参数失调引起的误差。令 并考虑 为无穷大，则第161页/共219页解：6.6 实际集成运放电路的误差分析减小输出失调电压，令即运算放大器反相输入端和同相输入端的直流电阻相等时，输出失调电压最小。结论：设计运算放大器电路时，一定要使反相输入端和同相
48、输入端直流电阻平衡，即满足 第162页/共219页解：6.6 实际集成运放电路的误差分析例6-22 若同时考虑增益误差和失调误差，试写出总的误差的表达式。同时考虑增益误差和失调误差 是仅仅考虑增益误差时的闭环电压增益。总的误差 表示增益误差，表示失调误差 第163页/共219页6.7 6.7 在系统可编程模拟器件在系统可编程模拟器件ispPACispPAC概述在系统可编程模拟器件ispPAC10的 电路结构在系统可编程模拟器件ispPAC10的 设计应用第164页/共219页概述In-system Programmable（Lattice公司）ispPAC10及ispPAC20可提供的三种编程
49、性能：可对设计功能进行编程，以适应对信号的放大、转换、滤波等不同功能；可对设计性能进行编程，从而可很容易地调整电路的增益、带宽和阀值；可对器件中功能块的互连进行编程，以实现电路重构。第165页/共219页概述 在计算机中利用PAC Designer软件对ispPAC10及ispPAC20进行电路设计模拟及方案下载后，ispPAC10、ispPAC20可实现如下功能：信号调整:如信号的放大、衰减、滤波等；信号处理:如信号的求和、求差、积分运算等；信号变换:指信号的D/A变换。第166页/共219页在系统可编程模拟器件ispPAC10的电路结构ispPAC10的内部结构框图PAC是该器件最基本的组
50、成单元，它由两个仪用放大器和一个输出放大器构成差分输入差分输出电路，电路中配有必要的电阻电容。第167页/共219页在系统可编程模拟器件ispPAC10的电路结构ispPAC10中PAC的电路结构图每个PAC有两个输入，两个输出端，输入阻抗109，共模抑制比为69dB，可编程增益调整范围为-1010。第168页/共219页在系统可编程模拟器件ispPAC10的电路结构 PAC可以单独使用，独立地构成电路工作，也可以通 过编程以不同的方式连接起来，这时ispPAC10器件可实现 更为复杂的电路功能，如110000倍的放大、求和、积分、滤波等。下图表示4个PAC级联使用的情况。单独使用 级联使用第