第二章運算放大器

1、2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器2.2 理想運算放大器理想運算放大器2.3 基本線性運放電路基本線性運放電路2.4 同相輸入和反相輸入放大電同相輸入和反相輸入放大電 路的其他應(yīng)用路的其他應(yīng)用 掌握基本運算電路的構(gòu)成及其掌握基本運算電路的構(gòu)成及其信號運算關(guān)系；信號運算關(guān)系； 掌握運算放大器線性應(yīng)用與非掌握運算放大器線性應(yīng)用與非線性應(yīng)用的特點。線性應(yīng)用的特點。集成電路的優(yōu)點：集成電路的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集

2、成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路； 2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器集成電路：集成電路： Integrated Circuit，縮寫IC 通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件、電容和電阻等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。n 集成運算放大器是一種電子器件，采用一定制造工藝將大量半導(dǎo)體三極管、電阻、電容等元件及它們之間的連線制作在同一小塊單晶硅的芯片上，并具有一定功能的電子電路。完成信號的運算、處理、變換、測量和信號產(chǎn)生電路。求差（減法）、求和（加法）、積分、微分電路方框圖電路方框

3、圖中間級中間級輸入級輸入級輸出級輸出級偏置電路偏置電路盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移,盡量提高盡量提高KCMRR , 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大盡可能大中間級應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)中間級應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)輸出級主要提高帶負(fù)載能力，給出輸出級主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流足夠的輸出電流io ，輸出阻抗，輸出阻抗 ro小。小。偏置電路可提供穩(wěn)定的偏置電流，以偏置電路可提供穩(wěn)定的偏置電流，以穩(wěn)定各部分的工作點。穩(wěn)定各部分的工作點。 集成運算放大器是模擬集成電路集成運算放大器是模擬集成電路, ,基本組成基本組成部分如圖：部分如圖：電路的簡單說明電路的簡單說明運算放大器方框圖運算放

4、大器方框圖 輸入級：輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器帶恒流源的差分放大器 。 中間級：中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。 偏置電路偏置電路: 一般由一般由各種恒流源等電路各種恒流源等電路組成。組成。 輸出級：輸出級：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強，一般由互補功率放大電路或射極輸出器構(gòu)成。能力強，一般由互補功率放大電路或射極輸出器構(gòu)成。輸入級輸入級輸出級輸出級中間級中間級集

5、成運放的基本結(jié)構(gòu)集成運放的基本結(jié)構(gòu)2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器1. 集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元圖圖2.1.1 集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖一般采用三級以上多級放大器由正負(fù)兩個電源供電兩個輸入端P、N，一個輸出端O，以正、負(fù)電源中間點作為參考電位點。輸入級u組成：差分式放大電路（第六章）對輸入級的要求：對輸入級的要求： 輸入阻抗輸入阻抗 Ri 盡可能大。盡可能大。( (為什么？為什么？) )同相輸入端P：當(dāng)P端加入電壓信號vP(vN=0)時，輸出O端的電壓vo與vp相位相同。反相輸入端N：當(dāng)N端加入電壓信號vN(v

6、P=0)時，輸出O端的電壓vo與vN相位相反。u輸入：vN、vP u輸出：vo1=Av1(vP-vN) 其中：Av1是輸入級電壓增益u輸入：vN、vP u輸出：vo1=Av1(vP-vN) 其中：Av1是輸入級電壓增益中間級u組成：由一級或多級電壓放大電路u作用：提高電壓增益u前一級的輸出vo1在該級進行電壓放大，輸出電壓vo2=Av1Av2(vP-vN), 其中Av2為中間級的電壓放大倍數(shù)。對中間級的要求對中間級的要求? ? 足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。輸出級u組成：功率放大電路u作用：為負(fù)載提供一定的功率。u輸出級無電壓放大功能，電壓增益Av3=1u能利用輸入電壓vo2的控

7、制作用，給外接低阻值負(fù)載提供一定的功率。對輸出級的要求對輸出級的要求? ?主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流輸出電流io，即輸出阻抗即輸出阻抗ro小。小。圖圖2.1.1 集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖運放的輸出電壓vo=Avo(vP-vN)Avo=Av1Av2 運放的開環(huán)電壓增益運放由輸出端到輸入端無外接反饋元件時的電壓增益。2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器圖圖2.1.2 運算放大器的代表符號運算放大器的代表符號（a）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號 （b）國內(nèi)外常用符號）國內(nèi)外常用符號表示信號從左（輸入端）向右（輸

8、出端）傳輸?shù)姆较蜻\算放大器的引線運算放大器的引線運算放大器的符號中有三個引線端，兩個輸入端，一個輸出端。一個稱為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號+表示；另一個稱為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相反，用符號“-”表示。輸出端在輸入端的另一側(cè)。2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型圖圖2.1.3 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型F包含：輸入端口、輸出包含：輸入端口、輸出端口和供電電源端口和供電電源輸入端口：輸入電阻輸入端口：輸入電阻 ri 106 （很大）（很大）輸出端口：輸出電阻輸出端口：輸出電阻ro與與受控電壓源受控電壓源Avo(vP-vN

9、)串聯(lián)串聯(lián) ro 100 （很小）（很?。?vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意輸入輸出的相位關(guān)注意輸入輸出的相位關(guān)系系F開環(huán)電壓增益開環(huán)電壓增益 Avo的的105 （很高）（很高）2. 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V 時時 vO +Vom =V 當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V- -時時 vO-Vom= V- -vOAvo(vPvN) （ V vO V ）正負(fù)飽和極限值正負(fù)飽和極限值 當(dāng)當(dāng)V- Avo(vPvN) 性能不穩(wěn)定性能不穩(wěn)定解解決辦法？決辦法？ 引入引入負(fù)反饋負(fù)反饋 （后面會（后面會討論）討論）書P85例2.1.1 關(guān)于運放電壓傳輸特性

10、自己看2.2 理想運算放大器理想運算放大器1. vO的飽和極限值等于運放的電源的飽和極限值等于運放的電源電壓電壓V和和V 2. 運放的開環(huán)電壓增益很高，很小的差運放的開環(huán)電壓增益很高，很小的差分輸入電壓就可驅(qū)使運放進入飽和區(qū)分輸入電壓就可驅(qū)使運放進入飽和區(qū) 若（若（vPvN）0 則則 vO= +Vom=V 若（若（vPvN）0 則則 vO= Vom=V 3. 若若V vO R3時，時，（1）試證明）試證明VS( R3R1/R2 ) IM 解解:（1）根據(jù)虛斷有）根據(jù)虛斷有 II =0所以所以 I2 = IS = VS / R1 例例2.3.3直流毫伏表電路直流毫伏表電路（2）R1R2150k

11、，R31k ，輸入信號電壓輸入信號電壓VS100mV時，通過時，通過毫伏表的最大電流毫伏表的最大電流IM(max)？ 又又根據(jù)虛短有根據(jù)虛短有 VP = VN =0R2和和R3相當(dāng)于并聯(lián)，所以相當(dāng)于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - - IM )所以所以1S332M)(RVRRRI 當(dāng)當(dāng)R2 R3時，時，VS( R3R1/R2 ) IM （2）代入數(shù)據(jù)計算即可）代入數(shù)據(jù)計算即可 理想運算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為了保證線性運用，運放必須在閉環(huán)(負(fù)反饋）下工作。 理想運算放大器的特性 (1)(1)虛短虛短 由于運放的電壓放大倍數(shù)很大

12、，而運放的輸出電壓是有限的，一般在10 V14 V。因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于 “短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。 “虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。 (2)(2)虛斷虛斷 由于運放的差模輸入電阻很大，一般都在1 M以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1 A，遠小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。 “虛斷”是指在分析運放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路

13、，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。 2.4 同相輸入和反相輸入同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用放大電路的其他應(yīng)用2.4.1 求差電路求差電路2.4.2 儀用放大器儀用放大器2.4.3 求和電路求和電路2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路2.4.1 求差電路（減法運算）求差電路（減法運算）（利用差分式電路實現(xiàn)減法運算利用差分式電路實現(xiàn)減法運算） 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。輸入相結(jié)合的放大電路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(當(dāng)當(dāng),2314RRR

14、R 則則)(i1i214ovvRRv 若繼續(xù)有若繼續(xù)有,14RR 則則i1i2ovvv 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和n n、p p點的點的KCLKCL得：得：pnvv 2.4.1 求差電路求差電路時，時，2314RRRR )(i1i214ovvRRv（該電路也稱為差分電路或減法電路該電路也稱為差分電路或減法電路）輸出電壓輸出電壓v vo o與輸入電壓（與輸入電壓（v vi2i2- -v vi1i1）之差成正比。之差成正比。當(dāng)當(dāng)R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4, ,利用虛短、虛斷，在（利用虛短、虛斷，在（vi2-vi1）作用下，流入）作用下，流入v vi2i2端端口的電流

15、等于流出口的電流等于流出v vi1i1端口的電流，則端口的電流，則vi2-vi1=(R2+R1)i=2R1i，因此，因此輸出電阻輸出電阻 R RO O0 0增益增益為為從放大器角度看從放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 輸入電阻輸入電阻1122RivvRiii由虛斷可得：由虛斷可得：2I3 23uRRRu 由虛短可得由虛短可得 uu 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1I2I1FOuuRRu 則則 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1I2IOuuu 則則輸出與兩個輸入信號的差值成正比。輸出與兩個輸入信號的差值成正比。11232311IFIF)(OuRRuRRR

16、RRu 1F11I1IO RRRuuu 111I iRuu uRRu)1(1F O2I3 231F)1(uRRRRR 1I1F2I3 231F)1(uRRuRRRRR 1I1F OuRRu OOO uuu 缺點：比例系數(shù)調(diào)缺點：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。節(jié)不方便。 用差分輸入方式構(gòu)成的減法運算電路的輸入電阻用差分輸入方式構(gòu)成的減法運算電路的輸入電阻較低。為了提高減法運算電路的輸入電阻，可采用雙較低。為了提高減法運算電路的輸入電阻，可采用雙運算放大器組成同相輸入減法運算電路。運算放大器組成同相輸入減法運算電路。減法電路減法電路 O1vS111fvRR 第一級反相比例第一級反相比例第二級反相加法第二級反

17、相加法 OvS222fvRR O122fvRR 利用反相信號求和以實現(xiàn)減法運算利用反相信號求和以實現(xiàn)減法運算 Ov即即S111f22fvRRRR S222fvRR 當(dāng)當(dāng) 時時22f11f RRRR ，得得2S1SOvvv （減法運算）（減法運算）2.4.1 求差電路求差電路一種高輸入電阻的差分電路一種高輸入電阻的差分電路( (書書P35P35例例2.4.1)2.4.1)第二級第二級A A2 2差分放大電路，輸出電壓可利用疊加原理求差分放大電路，輸出電壓可利用疊加原理求第一級第一級A A1 1同相放大電路，輸出電壓同相放大電路，輸出電壓11211)1 (iovRRvv vi2i2=0=0時，時，

18、A A2 2為反相放大電路，為反相放大電路，11212222)1 (iovRRRRvv vo1o1=0=0時，時，A A2 2為同相放大電路，為同相放大電路，2222222222)(1 (iovRRRRRv2.4.1 求差電路求差電路一種高輸入電阻的差分電路一種高輸入電阻的差分電路( (書書P35P35例例2.4.1)2.4.1)2222222222)(1 (iovRRRRRv11212222)1 (iovRRRRv第一級為同相輸入放大電路，所以電路的輸入電阻無窮大第一級為同相輸入放大電路，所以電路的輸入電阻無窮大電路的總輸出電壓電路的總輸出電壓222ooovvv當(dāng)當(dāng)R R1 1=R=R212

19、1時時)2(122222iiovvRRv2.4.2 儀用放大器儀用放大器第一級：運放A1、A2同相輸入接法組成差分放大電路R1、R2組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，A1、A2兩輸入端，利用虛短和虛斷，211vvvR)2/()(124311RRvvRvR2.4.2 儀用放大器儀用放大器211vvvR)2/()(124311RRvvRvR)(21 (22112112431vvRRvRRRvvR2.4.2 儀用放大器儀用放大器根據(jù)差分放大電路，)(21 ()(2112344334vvRRRRvvRRvo)21 (123421ORRRRAvvvv電路的電壓增益在儀用放大電路中，通常R2，R3，R4為定值，R1用可變電

20、阻代替，調(diào)節(jié)R1，即可改變電壓增益Av根據(jù)差分放大電路，)21 (123421ORRRRAvvvv)(21 ()(2112344334vvRRRRvvRRvo根據(jù)差分放大電路，電路的電壓增益)21 (123421ORRRRAvvvv輸入電阻Ri輸出電阻Ro0應(yīng)用：測量系統(tǒng)中2.4.3 求和電路求和電路1ni1Rvv - -3onRvv - 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷、虛地虛斷、虛地和和n n點的點的KCLKCL得：得：2i231i13ovvvRRRR - -0pn vv2ni2Rvv - - 則有則有2i1iovvv - -（該電路也稱為加法電路）（該電路也稱為加法電路）1、接成多端輸入的、接成多

21、端輸入的反相輸入求和放大電路反相輸入求和放大電路321RRR 若若這是求和運算，負(fù)號是由于反這是求和運算，負(fù)號是由于反相輸入引起的。輸出端再加一相輸入引起的。輸出端再加一級反相電路，就可消去負(fù)號級反相電路，就可消去負(fù)號擴展到多個輸入電壓相加，書擴展到多個輸入電壓相加，書P38例例2.4.2也可利用同相放大電路組成也可利用同相放大電路組成習(xí)題習(xí)題2.4.5aR2RfR1vS2vS1iIvO1NP+RRvO+1I211112uRRRu 同理，同理，uI2單獨作用時單獨作用時 1F )1(O uRRu? u212111111F )1(OuRRRRRu 1I2111211F)1 (uRRRRR )(1

22、(2I2111111I2111211FOuRRRuRRRRRu 方法方法2：2I2111111I211121uRRRuRRRu uRRu)1(1FO)(1(2I2111111I2111211FOuRRRuRRRRRu 思考思考u+=?u+ 加法運算電路與運放本身的參數(shù)無關(guān)加法運算電路與運放本身的參數(shù)無關(guān), ,只要電阻只要電阻阻值足夠精確阻值足夠精確, ,就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性. .2.4.3 求和電路求和電路習(xí)題2.4.5（a）利用同相放大電路組成求和電路4321RRRR若若povRRv)1 (34利用疊加原理，運放同相輸入端電位為：22111212iip

23、vRRRvRRRv)(1)(1 (21122134iiovRvRRRRRv21iiovvvI11F11)1(OuRRu I22F212F2)1(OOuRRuRRu I22F2I11F12F2)1()1(uRRuRRRR 解：解： 例2：已知ui10.5V，ui22V，ui31V, 運算放大器構(gòu)成何電路，求uO。解解: )2(501005 . 02010010 uA1為反向加法器為反向加法器, A2為差分電路。為差分電路。V5 . 1 2)30601(i30uu uO13060 V5 . 1 2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路1. 積分電路積分電路式中，負(fù)號表示式中，負(fù)號表示vO與

24、與vI在相位上是相反的。在相位上是相反的。根據(jù)根據(jù)“虛短、虛地虛短、虛地”，得得根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”，得得0N v0I i因此因此RiiI12v 電容器被充電，其充電電流為電容器被充電，其充電電流為2i設(shè)電容器設(shè)電容器C的初始電壓為零，則的初始電壓為零，則 tRCtiCd1d1I2ONvvv tRCd1IOvv（積分運算）（積分運算）2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路當(dāng)當(dāng)vI I為階躍電壓時，為階躍電壓時，電容將以恒流的電容將以恒流的方式進行充電，輸出電壓方式進行充電，輸出電壓v vo o與時間與時間t t成成近似線性關(guān)系近似線性關(guān)系: :vO與與 t 成線性關(guān)系成線性關(guān)系 tR

25、Cd1IOvvtRCVI tV I1. 積分電路積分電路當(dāng)t=,-vo=VI;當(dāng)t ，vo增大到Vom運放輸出電壓最大值受直流電源電壓的限制，進入飽和狀態(tài)，vo不變，積分停止 由虛短及虛斷性質(zhì)可得由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i1 = iFtuCRuCddF1I tuCddOF tuCRud1IF1O tuCiCddFF 1I1Rui iF =?uC+ 0IF1d10OtutuCRuCtt d1 0IF1O0tutuCRtt iFi1uitO積分飽和積分飽和線性積分時間線性積分時間UO(sat)uOtO+ UO(sat)uI = UI 0 uI = UI 0 輸出電壓隨時輸出電壓隨時間線性變化間線性變化線性積分時間線性積分時間線性積分時間線性積分時間F1IO(sat)0CRUUt tUCRud1IF1OtCRUF1I 采用集成運算放大器組成的積分電路采用集成運算放大器組成的積分電路, 由于電路由于電路的的uO = uC，而電容的充電電流，而電容的充電電流 基本上是恒定的，故基本上是恒定的，故 uO 是時間是時間 t 的一次函數(shù)，從而的一次函數(shù)，從而