模拟电子技术基础课件(第五版)

模拟集成电路的特点：
•电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几 十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；
• 电容利用PN结结电容，一般不超过几十pF。需要大 电容时，通常在集成电路外部连接。不能制电感，级 与级之间用直接耦合； • 二极管用三极管的发射结代。比如由NPN型三极管 短路其中一个PN结构成。
集成运放的工作区域
uO
线性区域：
输出电压与其两个输入端的电压 之间存在线性放大关系，即
+UOM
uP-uN
-UOM
u Aod (uP uN )
O
Aod为差模开环放大倍数
非线性区域：
输出电压只有两种可能的情况： +UOM或-UOM
UOM为输出电压的饱和电压。
例2.2.1 电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益 Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=12V。 (1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=? 输入电流ii=? (2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。
图2.1.2 运算放大器的代表符号 （a）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号
▷表示信号从左(输入端)向右(输出端)传输的方向。
2. 运算放大器的电路模型
通常： 开环电压增益 Avo的105 （很高）
输入电阻
ri 106Ω （很大）
输出电阻
ro 100Ω （很小）
图2.1.3 运算放大器的电路模型
P N O vo
当vo=±Vom=±12V时
vP vN
12V /(2 105 ) 60 A
ii (vP vN ) / ri
图2.1.3 运算放大器的电路模型
60 A /(0.6 106 )
100 pA
例2.2.1 电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入 电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。 (2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。
图2.2.1 运放的简化电路模型
理想：ri≈∞ ro≈0 Avo→∞ vo＝Avo(vp－vn)
三、理想运放的非线性工作区
uO +UOM
理想特性
O
u+u
UOM
图 7.1.3 集成运放的电压传输特性
工程上理想运放的参数
1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd≥80dB即可。
2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的 电阻大2～3个量级即可。 3.输出电阻Ro= 0，实际上Ro比输入端外电路的电阻 小1～2个量级即可。
理想运算放大器的特性
(1)虚短（vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0）
由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80 dB以 上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V～14 V。 因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等 电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两 输入端的电位越接近相等。
2. 中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源 负载及复合管可提高电压增益。 3. 输出级：互补对称功放。
4. 偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电 流源电路组成。
集成运算放大器的符号
vN或v–：反相输入端，信号从此端输入(vP=0)，输出信 号和输入信号反相。
vP或v+：同相输入端，信号从此端输入(vN=0) ，输出信 号和输入信号同相。 vO：输出端。 vN vN vO vO vP vP
1.4 放大电路模型
A. 电压放大模型
另一方面，考虑到 输入回路对信号源的 衰减 有 vi
Ri vs Rs Ri
要想减小衰减，则希望…？
Ri Rs
理想情况
Ri
1.4 放大电路模型
B. 电流放大模型
Ais ——负载短路时的
电流增益 由输出回路得
Ro io Ais ii Ro RL
图2.1.3 运算放大器的电路模型
例2.2.1 电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入 电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。 (1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=? 输入电流ii=? 解：由 v v v / A
时域
A. 正弦信号
v( t ) Vm sin(ω0 t θ )
T 2π
0
0 2πf 0
1.2 信号的频谱
1. 电信号的时域与频域表示
B. 方波信号
满足狄利克雷条件，展开成 傅里叶级数
方波的时域表示
v( t )
VS 2VS 1 1 (sin ω0 t sin3ω0 t sin5ω0 t ) 2 π 3 5 VS 其中 0 2 π ——直流分量 T 2
运算放大器外形图
2.1 集成电路运算放大器
1. 集成电路运算放大器的内部组成单元
集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和 低输出电阻的多级直接耦合放大电路。
图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图
V ,V , vP , vN , vO
运算放大器方框图 1. 输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂 移的影响，提高整个电路共模抑制比。
2.2 理想运算放大器
1. vo的饱和极限值等于运放 的电源电压V＋和V－
2. 运放的开环电压增益很高 若（vP－vN）＞0 则 vO= +Vom=V＋ 若（vP－vN）＜0 则 vO= –Vom=V－
3. 若V－< vO <V＋ 则 （vP－vN）0 4. 输入电阻ri的阻值很高 使 iP≈ 0、iN≈ 0 5. 输出电阻很小， ro ≈ 0
3. 增益
反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量 转换为输出信号能量的能力。
四种增益
vo Av vi
io Ai ii
vo Ar ii
io Ag vi
其中 Av、Ai 常用分贝（dB）表示。
电压增益 20 lg Av 电流增益 20 lg Ai
(dB) (dB)
功率增益 10 lg AP
幅度谱
相位谱
1.2 信号的频谱
C. 非周期信号
傅里叶变换： 周期信号 非周期信号 离散频率函数 连续频率函数
气温波形
非周期信号包含了所有可能的频 率成分（0 ≤ ） 通过快速傅里叶变换（FFT） 可迅速求出非周期信号的频谱函 数。
气温波形的频谱函数（示意图）
1.3 模拟信号和数字信号
模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。 数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。
2VS ——基波分量 π 2VS 1 ——三次谐波分量 π 3
1.2 信号的频谱
2. 信号的频谱
频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位 随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。
B. 方波信号
VS 2VS 1 1 v( t ) (sin ω0 t sin3ω0 t sin5ω0 t ) 2 π 3 5
则电流增益为
io Ro Ai Ais ii Ro RL Rs i i is Rs Ri
由此可见
RL
Ai
要想减小负载的影响，则希望…？ 由输入回路得
Ro RL
理想情况 Ro
要想减小对信号源的衰减，则希望…？ Ri Rs 理想情况 Ri 0
1.4 放大电路模型
Ri ——输入电阻
Ro ——输出电阻
RL 由输出回路得 vo Avovi Ro RL vo RL 则电压增益为 Av Avo vi Ro RL
由此可见
RL
Av
即负载的大小会影响增益的大小
要想减小负载的影响，则希望…？ （考虑改变放大电路的参数）
Ro RL
理想情况 Ro 0
vO＝Avo(vP－vN)
（ V－＜ vO ＜V＋ ）
注意输入输出的相位关系
2. 运算放大器的电路模型
当Avo(vP－vN) V＋ 时 vO＝ V＋ 当Avo(vP－vN) V-时 vO＝ V-
电压传输特性 vO＝ f (vP－vN)
线性范围内 vO＝Avo(vP－vN) Avo——斜率
电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值
“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时， 可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路， 简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。
(2)虚断（ip＝-in ＝ (vp－vn) / ri ≈0）
由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M 以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A， 远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两 输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接 近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时， 可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假 开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。
(dB)
1.5 放大电路的主要性能指标
4. 频率响应
A.频率响应及带宽
在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态 响应，称为放大电路的频率响应。
电压增益可表示为
Vo ( j) Av ( j) Vi ( j) Vo ( j ) [ o ( ) i ( )] ( j ) V
Vo1 是输出电压信号基波分量的 有效值，Vok是高次谐波分量的有效 值，k为正整数。
end
2.1 集成电路运算放大器 2.2 理想运算放大器 2.3 基本线性运放电路 2.4 同相输入和反相输入放大电 路的其他应用