清华大学电子电路与系统基础(2)第一讲

vn1
1 vout Av 0
vout
舍入误差 vn1 0.0001 vin v out 9.9994
李国林 电子电路与系统基础
R2 R1
R 1 vin 2 vin 10vin R1 1 R2 1 1 公式变得极度简单 Av 0 R 1
• 鼓励参加
– 一些思路的探讨，对理论课的加强
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运算放大器 大纲
• 运算放大器及其外端口特性
• 理想运算放大器特性
• 负反馈线性应用
– 四种负反馈放大器 – 其他…
• 非线性应用
– 开环 – 闭环
• 负反馈 • 正反馈
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分段折线近似
vout Vsat
正饱和区
• 分段线性是对强非线性 的常见处理手法
– 运放转移特性曲线
Vsat Av 0 vid V sat vid vid vid

线性区
O
vid
1 1 R R 2 1 Av 0 Rout
v vin n1 R1 1 1 vout 0 Rout R2 1 R2

1 vin v R2 n1 R1 1 vout 0 Rout
21
理想运放电路模型
iid
vip
vout Vsat ,Vsat
iid vid Rin vout Av 0 vid Rout iout
二端口网络描述方程
vout vid
iid 0 vid 0
二端口网络描述方程 ????限定性条件？？
vin Av 0 vin Rin
vout
负饱和区
Vsat
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Vsat Av 0
Av0极大 很小
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13V/200000=65V
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饱和区外端口特性等效电路
vip
vout Vsat
vout Vsat
vid vin
正饱和区等效电路
Vsat
iid 0 vout Vsat
vout
Rout
假设工作在线性区 这是负反馈保障的
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标 准 的 结 点 电 压 分 析 法
R1

R2

vin

vd
Rin Av 0 vd
vout
Rout
1 1 1 R R R in 2 1 1 R2
1 R2 vn1 1 1 v n 2 Rout R2
输出短路保护
输出级
741运放内部晶体管电路
VCC
Q12
Q9
Q8 Q13 B
Q13 A
Q14 Q19 Q15 Q18 Q21
vip
R5
39k
Q1 Q3 VCC Q7
Q2 Q4
vin CC
30 pF
R6 R7
27
R10
40k
vo
22
VCC Q16 Q6
Q17 Q22
100
Q20 Q23 Q24
vin R1 Av 0 vn1 Rout
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解 的 形 式 复 杂
1 1 1 R R R in 2 1 1 R2 1 1 1 R R R in 2 1 1 Av 0 R2 Rout
公式又过于复杂
v vin n1 R1 1 1 vout 0 Rout R2
0.0011005 0.0001 vn1 0.001 2666.6666 0.0134 v 0 vin out vn1 0.0001 v vin 9 . 9994 out
Rout
vid vin
iout
O
vout Vsat
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实际放大器参数
vip
vid vin
Rin Av 0 vid
vout
Rout
VCC ,VEE 15V
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二、理想运算放大器
– 助教联系方式和作业批改班级分配情况见网络学堂
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习题课
• 周3晚上7:20，具体地点网络学堂通知
– 本周周3晚上7:20，……
• 自由参加
– 第一周 上学期期末考题+第6章：电路抽象基本概念 – 第二周 第6章：电路抽象---元件抽象，适用条件 – 第三周开始，主要讨论前2周的作业问题
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一、运算放大器
• 运算放大器OPA，operational amplifier，是一种具有特殊 性质的电压放大器
– 通过恰当地选择外围器件，它可以被用来构造各种运算单元
• 负反馈：放大，加法，减法，积分，微分，对数，… • 正反馈：比较，触发，振荡，…
• 1947年命名，1968年，FairChild推出了运算放大器A741
vout
Av 0 1 R R vin out 2 1 1 1 1 1 1 Av 0 1 R1 R R R R R R R R 2 1 in 2 2 out 2 out
iid vid Rin vout Av 0 vid Rout iout
二端口网络g参量描述方程
• 既然是电压放大器，除了电压增益 （传输特性）外，还有端口阻抗特性
vout Vsat ,Vsat
vout Vsat
iid
vip
线性模型的限定性条件
vid Rin Av 0 vid
vout Vsat
• 输入仅在零附近，可近 似认为是线性放大器
vout Av 0 vid
• 很快就进入饱和
O
vid
调零电路确保过原点
Vsat
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– saturation – 所谓饱和，就是某个量 B随另一个量A的变化而 变化，当B随A的变化变 缓，或者不再变化时， 就称为B进入饱和状态 – 运放饱和电压比电源电 压小1-2V
vn1 1 vout 0.00005vin Av 0
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不 同 层 次 模 型 的 解
vout R2 H vin R1
1 Rout R2 R2 1 R 1 R R 2 1 in 1 Rout Av 0 R 2 1 1 R2 R1
运放一阶模型：考虑有限增益的影响
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理想模型是如何简化分析的？
R2 : 10k vout
vin
R1 : 1k
vout H ? vin
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采用较为精确的二阶模型
vin
R1

R2

vd
Rin Av 0 vd
vid
O
vip
二端口网络描述方程
vid
vout Vsat
vid vin
负饱和区等效电路
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Vsat
iid 0 vout Vsat
vid
Vsat
10
二端口网络描述方程
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线性区外端口特性 等效电路
• 实际运算放大器
– 电压放大倍数很大：200000=106dB – 输入电阻很大：2M – 输出电阻很小：75
运放二阶模型：有限增益，有输入输出电阻
• 理想运算放大器
– 电压放大倍数无限大 – 输入电阻无限大 – 输出电阻为零
运放理想模型
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• 理想电压放大器
– 压控压源 – 输入电阻无限大 – 输出电阻为零
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李国林 电子电路与系统基础
不能提供直观理解 数值结果？
R1 1k R2 10k Rin 2 M Rout 75 Av 0 200000
1 1 1 R R R2 in 1 1 Av 0 R2 Rout 1 R2
50k
Q11
Q10
Q5
5k
R4
1k
R1
R3
50k 1k
R2
R9
50k
R8
VEE
6
端口抽象后，只关注外端口特性
Noninverting Input 同相输入端 i
vip
p
VCC ห้องสมุดไป่ตู้ip VCC
vid
io
io
Output 输出端
vin i n i p
Inverting Input 反相输入端
R2 R1
原理分析采用理想模型为宜
• 一眼看出结果来：直观结果
– 原理分析模型越简单越好
R1 : 1k R2 : 10k vout
v H out vin
理想运放
vin

R2 10 R1
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vout 9.9994 vin
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Rout 0 Av 0
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iout I sc , I sc
vout Vsat ,Vsat
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虚短 virtual short circuit
• 运算放大器具有强大的运算能力
– 线性应用：要点是高增益
• 线性负反馈网络，深度负反馈，运放工作在线性区
– 形成理想线性受控源（放大），加法（Mixer，DAC），滤波
– 非线性应用
• 下节课讨论
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直流偏置参考源
差分输入级
中间放大级
电子电路与系统基础II
理论课第1讲 运算放大器
李国林 清华大学电子工程系
联系方式
• 李国林
– EMAIL：guolinli@tsinghua.edu.cn – TEL(O)：62781842 – 罗姆楼4105房间
• 答疑
– 每个周四下午2:00-4:30 – 平时只要确认我在办公室，可随时来答疑 – 也可EMAIL答疑
1 R2 vn1 1 1 v n 2 Rout R2
vin R1 Av 0 vn1 Rout
1 vin vn1 R2 R1 1 1 vout 0 Rout R2
vout v B 9.9994vin
李国林 电子电路与系统基础
特殊情况，记不住
我们偏好简单形式的解析解！
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R1 1k R2 10k Rin 2 M Rout 75 Av 0 200000
保留主项，舍弃小项
1 1 1 R R R2 in 1 1 Av 0 R2 Rout
二阶模型的解
Rout R2 Rin

R2 R1 1
一阶模型的解
Av 0
Rin , Rout 0
Av 0 1
理想模型的解 R2 Rin , Rout 0 R1 Av 0 仅和外接电阻有关，和运放无关 20 这是我们希望的：随便换个运放，得到相同的结果
vo
vid
vin
741 OPA
VEE
调平衡电位器
vo
（b）运放符号： （带地）
vo
V EE
（a）实际运放外部连接关系
（c）运放符号： （默认带地）
vout f vid f vip vin
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非线性的电压转移特性曲线