第四章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用

1、電子技術(shù)基礎(chǔ)精品資源共享課電子技術(shù)基礎(chǔ)精品資源共享課河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院1第四章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用主講人：詹華偉河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章21.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Avd= ，實(shí)際上，實(shí)際上Avd80dB即可。即可。 一、理想運(yùn)放的性能指標(biāo)（一、理想運(yùn)放的性能指標(biāo)（動(dòng)畫動(dòng)畫） 2.差模輸入電阻差模輸入電阻Rid= ，實(shí)際上，實(shí)際上Rid比輸入端外電路的電阻大比輸入端外電路的電阻大23個(gè)個(gè)量級(jí)即可。量級(jí)即可。 3.輸出電阻輸出電阻Ro=0，實(shí)際，實(shí)際Ro比輸入端外電路的電阻小比輸入端

2、外電路的電阻小12個(gè)量級(jí)即可。個(gè)量級(jí)即可。 5.帶寬足夠?qū)挘舷藿刂诡l率帶寬足夠?qū)?，上限截止頻率 fH= 。 4.共模抑制比足夠大，共模抑制比足夠大，KCMR = 。 實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器都可以視為理想的。實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器都可以視為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。7.1.2 7.1.2 理想運(yùn)算放大器的兩個(gè)工作區(qū)理想運(yùn)算放大器的兩個(gè)工作區(qū) 6.失調(diào)電壓、失調(diào)電流和他們的溫漂均為零，且無任何內(nèi)部噪聲失調(diào)電壓、失調(diào)電流和他們的溫漂均為零，且無任何內(nèi)部噪聲

3、。河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章3 (1)(1)虛短虛短 開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80dB80dB以上，輸出電壓一般在以上，輸出電壓一般在10 V10 V14 V14 V，差模，差模輸入電壓不足輸入電壓不足1 mV1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于“短路短路”。 開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端電位越接近。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端電位越接近。 理想運(yùn)算放大器具有理想運(yùn)算放大器具有“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的特性。的特性。 為保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)為保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)( (負(fù)反饋）下工作

4、。負(fù)反饋）下工作。 二、理想運(yùn)放在線性工作區(qū)（二、理想運(yùn)放在線性工作區(qū)（動(dòng)畫動(dòng)畫）)(NPodouuAuNPNPoduuuuA0河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章4 通用型運(yùn)輸入電阻都在通用型運(yùn)輸入電阻都在1 M1 M 以上。輸入電流不足以上。輸入電流不足1 1 A A，可把運(yùn)放的兩輸，可把運(yùn)放的兩輸入端視為開路，入端視為開路， 輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。 “ “兩虛兩虛”是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開短路，這一特性稱為虛假開短路。短路，

5、這一特性稱為虛假開短路。 顯然不能將兩輸入端真正斷短路。顯然不能將兩輸入端真正斷短路。 (2)(2)虛斷虛斷0NPiiiR河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章5集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特征特征是是電路引入了負(fù)反饋。電路引入了負(fù)反饋。OMOMoodUUuA或河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章6理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的兩個(gè)特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的兩個(gè)特點(diǎn)：輸出電壓分別為輸出電壓分別為凈輸入電流為零。凈輸入電流為零。OMUOMONPUuuuOMONPUuuu0NPii河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南

6、師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章77.2 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路 積分微分運(yùn)算電路積分微分運(yùn)算電路 對(duì)數(shù)指數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)指數(shù)運(yùn)算電路 加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路 乘法除法運(yùn)算電路乘法除法運(yùn)算電路河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章8為提高精度，一般取為提高精度，一般取f12/ RRR 7.2.1 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路滿足電路滿足深度深度負(fù)反饋條件，負(fù)反饋條件，虛短虛短和和虛斷虛斷成立。成立。一、一、反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路IfOuRRun 運(yùn)算放大器輸入端無共模信號(hào)運(yùn)算放大器輸入端無

7、共模信號(hào)n 運(yùn)算電路輸入電阻較小運(yùn)算電路輸入電阻較小輸出與輸入反相輸出與輸入反相1、基本電路、基本電路河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章92、T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路2M1IRuRuIMuRRu1232M4MRuRuRuuMoIMuRRRuRRRu124o432/IouRRRRRRu)/1 (342142目的：在高比例系數(shù)時(shí)，為避免目的：在高比例系數(shù)時(shí)，為避免RF阻值太大。阻值太大。河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章10電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋二、二、同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路IfO)1

8、 (uRRun 運(yùn)算放大器輸入端有共模信號(hào)運(yùn)算放大器輸入端有共模信號(hào)n 運(yùn)算電路輸入電阻很大運(yùn)算電路輸入電阻很大輸出與輸入同相輸出與輸入同相電壓跟隨器電壓跟隨器IOuu 輸入電阻大，輸輸入電阻大，輸出電阻小。出電阻小。在電路中作用與在電路中作用與分離元件的射極輸分離元件的射極輸出器相同，但是電出器相同，但是電壓跟隨性能好。壓跟隨性能好。河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章117.2.2 加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路一、求和運(yùn)算電路一、求和運(yùn)算電路 1. 反相求和運(yùn)算電路反相求和運(yùn)算電路33f2I2f1I1fORRu-IuuRRuRRf321RRRR若若則有則有3

9、2 I1 IOu-Iuuu河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章12（疊加原理）（疊加原理）333222111,IfOIfOIfOuRRuuRRuuRRu332211321IfIfIfOOOOuRRuRRuRRuuuu河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章132. 同相求和運(yùn)算電路同相求和運(yùn)算電路33p2I2p1I1ppRRuIuuRRuRR4321/RRRRRp)RR()1 (u33p2I2p1I1poIfuuRRuRRRRfNpRRRR/)R111(u332I21I1oIfuuRuRR河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范

10、大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章14疊加原理疊加原理314231422I43124311I4321432p/R/uIuRRRRRRuRRRRRRRuRRRRRRR)()1 (uoPfuRR河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章15雙端輸入求和運(yùn)算電路雙端輸入求和運(yùn)算電路 當(dāng)當(dāng)ui1=ui2 =0時(shí)，用時(shí)，用疊加原理分別求出疊加原理分別求出ui3=0和和ui4 =0時(shí)的輸出時(shí)的輸出電壓電壓uop。 當(dāng)當(dāng)ui3 = ui4 =0時(shí)，時(shí)，分別求出分別求出ui1=0，和，和ui2 =0時(shí)的時(shí)的uon。二、加二、加 減運(yùn)算電路減運(yùn)算電路 差動(dòng)輸入差動(dòng)輸入河南師范大學(xué)物

11、理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章16I22fI11fo1uRRuRRu)()( 2I21I1f4I43I3fo2o1oRuRuRRuRuRuuu時(shí)，當(dāng) 5f4321RRRRRRR)(u I2I1I4I3fouuuuRR于是于是I42fI31fo2uRRuRRunpRR 河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章17利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算I1fI2fffO)(uRRuRRRRRRu則則)(I1I2fOuuRRu若繼續(xù)有若繼續(xù)有,fRR 則則I1I2Ouuu河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子

12、工程學(xué)院第四章第四章18O1uI111f)1 (uRR第一級(jí)同相比例第一級(jí)同相比例第二級(jí)差分比例第二級(jí)差分比例Ouo132fuRRI232f)1 (uRR 高輸入電阻高輸入電阻差分比例運(yùn)算電路差分比例運(yùn)算電路當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)12f31f RRRR，（減法運(yùn)算）（減法運(yùn)算）)(1 (I1I232fuuRRuo河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章197.2.3 積分、微分運(yùn)算電路積分、微分運(yùn)算電路式中，負(fù)號(hào)表示式中，負(fù)號(hào)表示uO與與uI在相位上是相反的。在相位上是相反的。因此因此RuiiI1c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tiCuCd1OtuR

13、Cud1IO一、反相積分運(yùn)算電路一、反相積分運(yùn)算電路 （動(dòng)畫動(dòng)畫）河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章20畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。積分器的輸入和輸出波形積分器的輸入和輸出波形 當(dāng)當(dāng)uI為階躍電壓為階躍電壓時(shí)，有時(shí)，有dtuRCuIO1tRCuI)(12IttuuO與與 t 成線性關(guān)系成線性關(guān)系河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章21 t0oUdtRC1utui0UMomUTRC1U URCUTomM tuo0-UomTM積分時(shí)限積分時(shí)限 dtuRC1uio= t

14、URC設(shè)設(shè)Uom=15V,U=+3V, R=10k ,C=1 ,C=1 F F=0.05秒秒河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章22方波輸入信號(hào)方波輸入信號(hào)dtuRCuomO1tRCuom)(12omttudtuRCuomO1tRCuom)(23omttuomuu IomuuI河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章23 正弦波輸入信號(hào)正弦波輸入信號(hào)dtuRCuIO1Cju1otdtRCsin1tRCcos1 這里要注意當(dāng)輸入信號(hào)在某一個(gè)時(shí)間段等于零時(shí)，積分器的輸出是不變的，這里要注意當(dāng)輸入信號(hào)在某一個(gè)時(shí)間段等于零時(shí)，積分器的

15、輸出是不變的，保持前一個(gè)時(shí)間段的最終數(shù)值。保持前一個(gè)時(shí)間段的最終數(shù)值。 因?yàn)樘摰氐脑?，積分電阻因?yàn)樘摰氐脑?，積分電阻 R 兩端無電位差，因此兩端無電位差，因此 C 不能放電，故輸出電不能放電，故輸出電壓保持不變。壓保持不變。RuIoCuj河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章24練習(xí)練習(xí): : 畫出在畫出在給定輸入波形給定輸入波形作用下積分器作用下積分器的輸出波形。的輸出波形。(a) 階躍輸入信號(hào)階躍輸入信號(hào)(b)方波輸入信號(hào)方波輸入信號(hào)積分器的輸入和輸出波形圖積分器的輸入和輸出波形圖河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章25二、二、 微分電路（微分電路（動(dòng)畫動(dòng)畫）tRCudduIOtRCtRCRiRiddu ddu u ICCRO顯然河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章26實(shí)用實(shí)用 微分電路微分電路2111ZZDDCR、tRCudduIO輸出波形輸出波形河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院第四章第四章27即即例例7.2.41c1ii2c2iiRutuCtuCtuCtuCt