模電第2章運(yùn)算放大器課件

1、2.1 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器2.2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器2.3 基本線性運(yùn)放電路基本線性運(yùn)放電路2.4 同相輸入和反相輸入放大電路的同相輸入和反相輸入放大電路的 其他應(yīng)用其他應(yīng)用2.1 集成電路運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路。 運(yùn)算放大器方框圖 1.輸入級(jí) 使用高性能的差分放大電路，它必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。 4.偏置電路 提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。 3.輸出級(jí) 由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電壓或電流。具體

2、電路參閱功率放大器。 2.電壓放大級(jí) 要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級(jí)的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。 運(yùn)算放大器的引線 運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。一個(gè)稱為同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)+表示；另一個(gè)稱為反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相反，用符號(hào)“-”表示。輸出端在輸入端的另一側(cè)，在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有+號(hào)。集成放大器的符號(hào)運(yùn)運(yùn)算算放放大大器器外外形形圖圖 1.差模電壓放大倍數(shù)Avd=，實(shí)際上Avd80dB即可。2.2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器 2.差模輸入電阻Rid=，實(shí)際上Rid比輸入端外

3、電路的 電阻大23個(gè)量級(jí)即可。3.輸出電阻Ro= 0，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻 小12個(gè)量級(jí)即可。 4.帶寬足夠?qū)挕?.共模抑制比足夠大。 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。 理想運(yùn)算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，這兩個(gè)特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用。為了保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)(負(fù)反饋）下工作。 理想運(yùn)算放大器的特性 (1)(1)虛短虛短 由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般都在80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在10 V14 V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端

4、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(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)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(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般都在1 M以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1 A，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\(yùn)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(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。 (3)集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài).

5、運(yùn)放的電壓傳輸特性：運(yùn)放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運(yùn)放的運(yùn)放的Aod=104Ui1mV時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當(dāng)當(dāng)Aod 時(shí)，線性區(qū)時(shí)，線性區(qū)0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui.理想運(yùn)算放大器：理想運(yùn)算放大器：開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod=差摸輸入電阻差摸輸入電阻 Rid=輸出電阻輸出電阻 Ro=0為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給

6、運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負(fù)反饋！電路中有負(fù)反饋！運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（虛短（u+=u-）虛斷（虛斷（ii+=ii-=0）. 線性區(qū)線性區(qū)uu+A+RiiRuu+ffoi11. 非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！電路開環(huán)工作或引入正反饋！運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui注意：注意： 集成運(yùn)算放大器

7、在使用時(shí)，總是與外部反饋網(wǎng)集成運(yùn)算放大器在使用時(shí)，總是與外部反饋網(wǎng)絡(luò)相配合，以實(shí)現(xiàn)各種不同功能。絡(luò)相配合，以實(shí)現(xiàn)各種不同功能。 在運(yùn)算的輸出與輸入之間引入線性負(fù)反饋，在運(yùn)算的輸出與輸入之間引入線性負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)線性比例、加法、積分和微分等運(yùn)算；可以實(shí)現(xiàn)線性比例、加法、積分和微分等運(yùn)算； 引入非線性負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)、反對(duì)引入非線性負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法、除法等運(yùn)算；數(shù)、乘法、除法等運(yùn)算； 引入線性的正反饋或者正負(fù)反饋相結(jié)合，可以引入線性的正反饋或者正負(fù)反饋相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)各種模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生等功能。實(shí)現(xiàn)各種模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生等功能。2.3 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)

8、算放大器 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路 積分電路積分電路 微分電路微分電路 減法電路減法電路 加法電路加法電路比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路 （1）反相比例運(yùn)算電路）反相比例運(yùn)算電路 例1：試求理想運(yùn)算放大器的輸出電壓和電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式。 電壓增益 Avf= Vo /Vi =Rf /R1反相比例運(yùn)算電路根據(jù)虛斷 I-= I+ 0解： I-I+根據(jù)虛短 V+ V- 0Ii = (Vi V-)/R1 Vi/R1If = (V- Vo )/Rf -Vo/RfIi If Vi/R1=-Vo/Rf電壓并聯(lián)負(fù)反饋（2）同相比例運(yùn)算電路）同相比例運(yùn)算電路例2：試求理想運(yùn)算放大器的輸出電壓和電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式。電

9、壓增益同相比例運(yùn)算電路根據(jù)虛斷 I-= I+ 0解：根據(jù)虛短 V+ V- Vi011VRRRVVVfi11101RRRRRVVAffiVf電壓串聯(lián)負(fù)反饋vIvO- -+RfR1AvNvP電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋I1fO)1(vRRv 運(yùn)算放大器輸入端共模信號(hào)較大運(yùn)算放大器輸入端共模信號(hào)較大 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vIvO- -+AvNvP電壓跟隨器電壓跟隨器IOvv 加法電路加法電路-反相加法求和反相加法求和1NS1-RvvfON-Rvv 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N點(diǎn)點(diǎn)的的KCL得：得：2S2f1S1fO-vRRvRRv f21RRR 若

10、若0PN vv2NS2-Rvv R2RfR1vS2vS1iIvONP+則有則有2S1SO-vvv （加法運(yùn)算）（加法運(yùn)算）輸出再接一級(jí)反相電路輸出再接一級(jí)反相電路R2RfR1vS2vS1iIvO1NP+RRvO+2S1SOvvv 可得可得思考：多個(gè)輸入的求和思考：多個(gè)輸入的求和例3：求U01的數(shù)值。33221101IfIfIfURRURRURRU解：64)6(424V8 同相輸入求和電路同相輸入求和電路 在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了同相輸入求和電路。入支路，就構(gòu)成了同相輸入求和電路。 因運(yùn)放具有因運(yùn)放具有虛斷的特性，虛斷的特性，對(duì)

11、運(yùn)放同相輸對(duì)運(yùn)放同相輸入端的電位可入端的電位可用疊加原理求用疊加原理求得得:同相比例運(yùn)算電路ifVRRV)1 (10雙端輸入求和電路雙端輸入求和電路 雙端輸入也稱差動(dòng)輸入，輸出電壓表雙端輸入也稱差動(dòng)輸入，輸出電壓表達(dá)式的推導(dǎo)方法與同相輸入運(yùn)算電路相似達(dá)式的推導(dǎo)方法與同相輸入運(yùn)算電路相似。 當(dāng)vi1=vi2 =0時(shí)，用疊加原理分別求出vi3=0和vi4 =0時(shí)的輸出電壓vop。當(dāng)vi3 = vi4 =0時(shí)，分別求出vi1=0，和vi2 =0時(shí)的von。先求 )/1 () /() /()/1 () /() /(21f34i4321f43i34opRRRRRRvRRRRRRRRvRRv )/1 ()

12、 /() /()/1 () /() /(21f34i434421f43i3433opRRRRRRvRRRRRRRRRRvRRRRv )/1 ()/1 (21fi44p21fi33pRRRvRRRRRvRR )(/)/(i44pi33pff21f21vRRvRRRRRRRRR )(4i43i3nfpRvRvRRRop v式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf 再求on vi22fi11fonvRRvRRv)()( 2i21i1f4i43i3nfponopoRvRvRRvRvRRRvvvnpf4321 RRRRRRRRR時(shí)，當(dāng))( i2i1i4i3fovvvvRRv于是于是思考：思考

13、：P50 2.4.6減法電路減法電路1O111,sfvvRR如果第一級(jí)反相比例第一級(jí)反相比例第二級(jí)反相加法第二級(jí)反相加法)()(21222122OSSfsofvvRRvvRRv（1）利用反相信號(hào)求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算）利用反相信號(hào)求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算 時(shí)時(shí)22fRR若2S1SOvvv （減法運(yùn)算）（減法運(yùn)算） 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。電路。fON1NS1RvvRvv （2）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3P2PS20RvRvv S11fS23231f1O)(vRRvRRRRRRv 當(dāng)當(dāng),231fRR

14、RR 則則)(S1S21fOvvRRv 若繼續(xù)有若繼續(xù)有,1fRR 則則S1S2Ovvv 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N、P點(diǎn)的點(diǎn)的KCL得：得：PNvv 例例4 典型電路典型電路:三運(yùn)放電路三運(yùn)放電路(儀表放大器儀表放大器) (書上書上P36)UO積分電路積分電路式中，負(fù)號(hào)表示式中，負(fù)號(hào)表示vO與與vS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”0PN vv即即0I vRviiS12 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 tRvCtiCvvd1d1S2OI tvRCvd1SO（積

15、分運(yùn)算）（積分運(yùn)算）例例5:5:畫出積分器畫出積分器的輸出波形。的輸出波形。(a) 階躍輸入信號(hào)解：tRCVviO 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，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 R 兩端無電位差，因此C 不能放電，故輸出電壓保持不變。(b)方波輸入信號(hào)微分電路：微分電路：u-= u+= 0RiUFOdtduCii1 F1ii dtduRCuio u i+uoRR2i1iFCt=0,電容初始電容初始電壓為電壓為0)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0tsinui 例例6：,求求uo。dtduRCuio u i+uoRR2i1iFC90作業(yè)：作業(yè)： 2.3.1 2.3.2 2.4.2 2.4.6 2.4.7 2.4.8 2.4.9ovovpfopfpoPNvRRvRvRvvvv)1 (3322111212SSPvRRRvRRRvfRRRR32121SSOvvv2.4.8在同相輸人加法電路如圖在同相輸人加法電路如圖所示，求輸出電壓；R1R2R3Rf時(shí)，？解 輸出電壓為)(112112213SSfovRvRRRRRvVVvVVvOO4,32211 2.4.7電路如圖電路如圖所示，設(shè)運(yùn)放是理想的，試求vO1、vO2及vO的值。解 A1、A2組成電壓跟隨電路VvvRvvRvvRvvVVVVRRRV