(天津大學(xué)模電課件)2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 運算放大器運算放大器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)用在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個電路中元器在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個電路中元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。簡單來說，稱為集成電路。簡單來說，集成電路是把元器件和集成電路是把元器件和連接導(dǎo)線全部制作在一小塊硅片上而連接導(dǎo)線全部制作在一小塊硅片上而成的電路。成的電路。集成電路按其功能來分，

2、有數(shù)字集成電路和模擬集成電路按其功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路種類繁多，有運算放大器、集成電路。模擬集成電路種類繁多，有運算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源和音像設(shè)備中常用的其他模擬集成電路等。常用的其他模擬集成電路等。引引 言言l模擬集成電路的特點：模擬集成電路的特點：電阻值電阻值不能很大，精度較差，阻值一般在幾十歐至幾不能很大，精度較差，阻值一般在幾十歐至幾十千歐。需要大電阻時，通常用恒流源替代；十千歐。需要大電阻時，通常用恒流源

3、替代； 電容電容利用利用PN結(jié)結(jié)電容，一般不超過幾十結(jié)結(jié)電容，一般不超過幾十pF。需要大。需要大電容時，通常在集成電路外部連接。電容時，通常在集成電路外部連接。不能制電感，級不能制電感，級與級之間用直接耦合；與級之間用直接耦合； 二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代。比如二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代。比如由由NPN型三極管型三極管短路其中一個短路其中一個PN結(jié)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)成。運算放大器外形圖運算放大器外形圖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,PNOV V v v

4、 v 運算放大器方框圖 輸入級輸入級：均采用差動放大電路組成，可減小溫度漂：均采用差動放大電路組成，可減小溫度漂移的影響，提高整個電路共模抑制比。移的影響，提高整個電路共模抑制比。2. 中間級中間級：多采用有源負(fù)載的共射極放大電路，有源：多采用有源負(fù)載的共射極放大電路，有源負(fù)載及復(fù)合管可提高電壓增益。負(fù)載及復(fù)合管可提高電壓增益。3. 輸出級輸出級：互補(bǔ)對稱功放。：互補(bǔ)對稱功放。4. 偏置電路偏置電路：用以供給各級直流偏置電流，由各種電：用以供給各級直流偏置電流，由各種電流源電路組成。流源電路組成。表示信表示信號從號從左左( (輸輸入端入端) )向右向右( (輸輸出端出端) )傳輸傳輸?shù)姆较?。?/p>

5、方向。vNvPvOvNvPvOvN或或v：反相輸入端反相輸入端，信號從此端輸入，信號從此端輸入(vP=0)，輸出信，輸出信號和輸入信號反相。號和輸入信號反相。vP或或v+：同相輸入端同相輸入端，信號從此端輸入，信號從此端輸入(vN=0) ，輸出信，輸出信號和輸入信號同相。號和輸入信號同相。vO：輸出端輸出端。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通常：通常： 開環(huán)電壓增益開環(huán)電壓增益 Avo的的

6、 105 （很高）（很高） 輸入電阻輸入電阻 ri 106 （很大）（很大） 輸出電阻輸出電阻 ro 100 （很?。ê苄。?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 V 當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V- -時時 vO V- -電壓傳輸特性電壓傳輸特性 vO f (vPvN)線性范圍內(nèi)線性范圍內(nèi) vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率輸出電壓與其兩個輸入端的電壓輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即之間存在線性放大關(guān)系，即)(odONPuuAu集成運放

7、的工作區(qū)域集成運放的工作區(qū)域線性區(qū)域：線性區(qū)域：Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)為差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩種可能的情況：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓。為輸出電壓的飽和電壓。uOuP-uN+UOM-UOM例例2.2.1 電路如圖電路如圖2.1.3所示，運放的開環(huán)電壓增益所示，運放的開環(huán)電壓增益Avo=2105,輸入電阻輸入電阻ri=0.6M，電源電壓，電源電壓V+=+12V,V-=-12V。(1)試求當(dāng)試求當(dāng)vo=Vom=12V時輸入電壓的最小幅值時輸入電壓的最小幅值vP-vN=?輸入電流輸入電流ii=?(2)畫出傳輸特性曲線畫

8、出傳輸特性曲線vo=f(vP-vN)。說明運放的兩個區(qū)域。說明運放的兩個區(qū)域。 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例例2.2.1 電路如圖電路如圖2.1.3所示，運放的開環(huán)電壓增益所示，運放的開環(huán)電壓增益Avo=2105,輸入輸入電阻電阻ri=0.6M，電源電壓，電源電壓V+=+12V,V-=-12V。(1)試求當(dāng)試求當(dāng)vo=Vom=12V時輸入電壓的最小幅值時輸入電壓的最小幅值vP-vN=? 輸入電流輸入電流ii=?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解：由解：由/PNOvovvvA當(dāng)當(dāng)vo=Vom=12V時時512/(2 10 )60VA PNvv

9、()/iPNiivvr660/(0.6 10 )A 100pA 例例2.2.1 電路如圖電路如圖2.1.3所示，運放的開環(huán)電壓增益所示，運放的開環(huán)電壓增益Avo=2105,輸入輸入電阻電阻ri=0.6M，電源電壓，電源電壓V+=+12V,V-=-12V。 (2)畫出傳輸特性曲線畫出傳輸特性曲線vo=f(vP-vN)。說明運放的兩個區(qū)域。說明運放的兩個區(qū)域。 解：取解：取a點（點（+60V,+12V），）， b點（點（-60V,-12V），連接），連接a、b兩點得兩點得ab線線段，其斜率段，其斜率Avo=2105, vP-vN 60 V，則運放進(jìn)入非線性區(qū)。，則運放進(jìn)入非線性區(qū)。運放的電壓傳輸特

10、性如圖所示。運放的電壓傳輸特性如圖所示。Avo=2105(+60V,+12V)(-60V,-12V)2.2 理想運算放大器理想運算放大器1. vo o的飽和極限值等于運放的飽和極限值等于運放的電源電壓的電源電壓V和和V 2. 運放的開環(huán)電壓增益很高運放的開環(huán)電壓增益很高 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 I1 =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）R1

11、R2150k ，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1s332mRVRRRI)( 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

12、積分電路和微分電路2.4.1 求差電路求差電路 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。大電路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(當(dāng)當(dāng),2314RRRR 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 求差電路求差電路從放大器角度看從放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 時，時，2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益為

13、增益為（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）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2.4.2 儀用放大器儀用放大器)21(123421ORRRRA vvvv2.4.3 求和電路求和電路1ni1-Rvv3on-Rvv 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N N點點的的KCLKCL得：得：2i231 i13o-vRRvRRv 321RRR 若若0pn vv2ni2-Rvv 則有則有2i1 io-vvv （該電路也稱為加法電路）（該電路也稱為加法電路）2.4.3 求和電路的進(jìn)一步討論求和電路的進(jìn)一步討論Vi3-+ARfRVoIfR3I3I

14、dVi2R2I2Vi1I1R18.1.1 求和電路00_VVId虛短、虛斷)(332211RVRVRVRViiifofIIII321特點：調(diào)節(jié)某一路信號的輸入電阻不影響其他路輸入與輸出 的比例關(guān)系； 稱為支路增益，一般11. 求和電路/fnRR2.4.4 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，式中，負(fù)號表示負(fù)號表示vO與與vI在相位上是相反的在相位上是相反的。根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”，得得根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”，得得0NPvv0i i因此因此12ii IvRsC1Ov tRCd1IOvv（積分運算）（積分運算）即即RvvsCvvNIoN1相當(dāng)于微分相當(dāng)于積分，其中Ss12.

15、4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路1. 積分電路積分電路根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”，得得根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”，得得0NPvv0i i因此因此21ii 即即cNIiRvvdtdVCiCc又又即即dtdVCdtdVCRvOCI tRCd1IOvv2.4.4 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，有為階躍電壓時，有vO與與 t 成線性關(guān)系成線性關(guān)系 tRCd1IOvvtRCVi tV i 1. 積分電路積分電路積分電路的用途將方波變?yōu)槿遣ǚe分電路的用途將三角波變?yōu)檎也ǚe分電路的用途tUu sinmI tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先先 90 。因此，此時積分電路的作用是。因此，此時積分電路的作用是移相移相。 tuIOUm 2 3圖圖 7.2.172.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路2. 微分電路微分電路tRCddIOvv 根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”，得得根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”，得得0NPvv0i i因此因此ii 1IRsCvOv即即RvvsCvvoNNI1相當(dāng)于微分相當(dāng)