第二章-運(yùn)算放大器(第五版)

1、1 集成電路運(yùn)算放大器2 理想運(yùn)算放大器3 基本線性運(yùn)放電路4 同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用一、主要內(nèi)容一、主要內(nèi)容二、重點(diǎn)及難點(diǎn)二、重點(diǎn)及難點(diǎn)1 掌握理想放大器的基本特點(diǎn)及典型放大電路的應(yīng)用2 難點(diǎn)典型放大電路的應(yīng)用在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中元器在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)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成的電路。的電路。集成電路按其功能來分，有數(shù)

2、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(yùn)算放大器、集成電路。模擬集成電路種類繁多，有運(yùn)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 言言運(yùn)算放大器外形圖運(yùn)算放大器外形圖2.1 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖圖2.1.1 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)

3、構(gòu)框圖,PNOV V v v v 運(yùn)算放大器方框圖1. 輸入級(jí)差分放大輸入級(jí)差分放大：均采用差動(dòng)放大電路組成，可減：均采用差動(dòng)放大電路組成，可減小溫度漂移的影響，提高整個(gè)電路共模抑制比。小溫度漂移的影響，提高整個(gè)電路共模抑制比。2. 中間級(jí)電壓放大中間級(jí)電壓放大：多采用有源負(fù)載的共射極放大電：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。路，有源負(fù)載及復(fù)合管可提高電壓增益。3. 輸出級(jí)功率放大輸出級(jí)功率放大：互補(bǔ)對(duì)稱功放。：互補(bǔ)對(duì)稱功放。4. 偏置電路偏置電路：用以供給各級(jí)直流偏置電流，由各種電：用以供給各級(jí)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(hào)從號(hào)

4、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?。的方向。vNvPvOvNvPvOvN或或v：反相輸入端反相輸入端，信號(hào)從此端輸入信號(hào)從此端輸入(vP=0)，輸出信，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)反相。號(hào)和輸入信號(hào)反相。vP或或v+：同相輸入端同相輸入端，信號(hào)從此端輸入信號(hào)從此端輸入(vN=0) ，輸出信，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)同相。號(hào)和輸入信號(hào)同相。vO：輸出端輸出端。圖圖2.1.2 運(yùn)算放大器的代表符號(hào)運(yùn)算放大器的代表符號(hào)（a）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào) （b）國內(nèi)外常用符號(hào)）國內(nèi)外常用符號(hào)2. 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型圖圖2.1.3 運(yùn)算放大器的電

5、路模型運(yùn)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 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2. 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V 時(shí)時(shí) vO V 當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V- -時(shí)時(shí) 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(gè)輸入端的電壓輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之

6、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(yùn)放的工作區(qū)域集成運(yùn)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(yùn)放的開環(huán)電壓增益所示，運(yùn)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(shí)輸入電壓的最小幅值時(shí)輸入

7、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出傳輸特性曲線vo=f(vP-vN)。說明運(yùn)放的兩個(gè)區(qū)域。說明運(yùn)放的兩個(gè)區(qū)域。 圖圖2.1.3 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)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(yùn)放的開環(huán)電壓增益所示，運(yùn)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(shí)輸入電壓的最小幅值時(shí)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(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型解：由解：由/PNOvo

8、vvvA當(dāng)當(dāng)vo=Vom=12V時(shí)時(shí)512/(2 10 )60VA PNvv()/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(yùn)放的開環(huán)電壓增益所示，運(yùn)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(yùn)放的兩個(gè)區(qū)域。說明運(yùn)放的兩個(gè)區(qū)域。 解：取解：取a點(diǎn)（點(diǎn)（+60V,+12V），）， b點(diǎn)（點(diǎn)（-60V,-12V），連接），連接a、b兩點(diǎn)得兩點(diǎn)得ab線線段，其斜率段，其斜率Avo=2105, vP

9、-vN 60 V，則運(yùn)放進(jìn)入非線性區(qū)。，則運(yùn)放進(jìn)入非線性區(qū)。運(yùn)放的電壓傳輸特性如圖所示。運(yùn)放的電壓傳輸特性如圖所示。Avo=2105(+60V,+12V)(-60V,-12V)2.2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器1. vo o的飽和極限值等于運(yùn)放的飽和極限值等于運(yùn)放的電源電壓的電源電壓V和和V 2. 運(yùn)放的開環(huán)電壓增益很高運(yùn)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(shí)，時(shí)，（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 = I

10、s = Vs / R1 例例2.3.3直流毫伏表電路直流毫伏表電路（2）R1R2150k ，R31k ，輸入信號(hào)電壓輸入信號(hào)電壓Vs100mV時(shí)，通過時(shí)，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(shí)，時(shí)，Vs( R3R1/R2 ) Im （2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可）代入數(shù)據(jù)計(jì)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

11、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),RRRR2314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(diǎn)的點(diǎn)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14i1i2odRR

12、vvvAv 時(shí)，時(shí)，2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益為增益為（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）例例2.4.1 一種高輸入電阻的差分電路如圖一種高輸入電阻的差分電路如圖2.4.22.4.2所示。求輸所示。求輸出電壓的表達(dá)式，并說明其特點(diǎn)出電壓的表達(dá)式，并說明其特點(diǎn))i11121i2222o1i2222ov(vv(vvRRRRRRR同相放大求差電路輸入阻抗為無窮大2.4.2 儀用放大器儀用放大器)21(123421ORRRRA vvvv同相放大求差電路2.4.3 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

13、N點(diǎn)點(diǎn)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）解，該電路為求和電路虛短、虛斷1. 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(shí)，有為階躍電壓時(shí)，有vO與與 t 成線性

14、關(guān)系成線性關(guān)系 tRCd1IOvvtRCVi tV i 1. 積分電路積分電路vO與t成線性關(guān)系，電容器被充電，使其電壓達(dá)到運(yùn)放的輸出最大幅度時(shí)，進(jìn)入非線性區(qū)，由于受到限幅保持輸出最大值。2.4.4 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 1設(shè)C初始電壓vc(0)=0V，當(dāng)輸入電壓vIuit0t0uotuisin若輸入：若輸入：則：則：)90sin(costRCtRCuo高頻信號(hào)將產(chǎn)生較大的噪聲。高頻信號(hào)將產(chǎn)生較大的噪聲。Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須越大，運(yùn)放的

15、線性范圍越小，必須在在輸出與輸入輸出與輸入之間之間加負(fù)反饋加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)。分析多放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行?？梢苑謩e對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。0or例、已知下圖所示各電路中的集成運(yùn)放均為理想運(yùn)例、已知下圖所示各電路中的集成運(yùn)放均為理想運(yùn)放。放。1. 試說明各運(yùn)放組成何種電路；試說明各運(yùn)放組成何種電路；2. 試分別求解各電路的運(yùn)算關(guān)系。試分別求解各電路的運(yùn)算關(guān)系。 解：圖（解：圖（a）所示電路）所示電路A1A1為求和運(yùn)算電路、為求和運(yùn)算電路、 A2A2為為積

16、分電路。積分電路。 d1 )1 ()( )a (O1OI343421f2I21I1fO1tuRCuuRRRRRRRuRuRu練習(xí)、練習(xí)、 電路如下圖所示，集成運(yùn)放輸出電壓電路如下圖所示，集成運(yùn)放輸出電壓的最大幅值為的最大幅值為14V，填表。，填表。 uI/V0.10.51.01.5uO1/V uO2/V 解：解：uO1(Rf /R) uI10 uI，uO2(1+Rf /R ) uI11 uI。當(dāng)集成運(yùn)放工作到非線性區(qū)時(shí)，輸出電壓不是14V，就是14V。uI/V0.10.51.01.5uO1/V151014uO2/V1.15.51114練習(xí)、練習(xí)、 在下圖（a）所示電路中，已知輸入電壓uI的波形

17、如圖（b）所示，當(dāng)t0時(shí)uO0。試畫出輸出電壓uO的波形。 解解：輸出電壓的表達(dá)式為 )(d11O IO21tutuRCutt)()(100 )()(10101 )()(11O12I1O12I75112IOtuttututtututtuRCuO若t0時(shí)uO0，則t5ms時(shí) uO10055103V2.5V。當(dāng)uI為常量時(shí) 當(dāng)t15mS時(shí) uO100(5)10103（2.5）V2.5V。因此輸出波形如下圖所示。 電壓電壓電流變換電路電流變換電路測(cè)量放大電路測(cè)量放大電路單電源供電放大電路單電源供電放大電路穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源電壓電壓電流變換電路電流變換電路 電流電流電壓變換電路電壓變換電路IsUo= -

18、IsRfUoRfRP-+RLUsUo-+R1IL 電壓電壓電流變換電路電流變換電路IL=Us/R1測(cè)量放大電路測(cè)量放大電路 電橋放大器電橋放大器RfRRR RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R主要用于非電量測(cè)量如壓力，溫度，應(yīng)變等。主要用于非電量測(cè)量如壓力，溫度，應(yīng)變等。RX的阻值隨被測(cè)量的變化而變，的阻值隨被測(cè)量的變化而變，RX=R+ R.當(dāng)當(dāng)RX=R時(shí)電橋平衡，時(shí)電橋平衡，Ui=0,Uo=0當(dāng)當(dāng)RX產(chǎn)生產(chǎn)生 R變化時(shí)，輸出電壓將變化變化時(shí)，輸出電壓將變化 Uo， Uo正比于正比于 R。當(dāng)電阻當(dāng)電阻RfR,且相對(duì)變化且相對(duì)變化 = R/RU-時(shí)，時(shí)，Uo為正飽和值為正飽和值 當(dāng)當(dāng)U+U-時(shí)，時(shí)，Uo為負(fù)飽和值為負(fù)飽和值 閉環(huán)運(yùn)放的兩種基本電路閉環(huán)運(yùn)放的兩種基本電路1. 反相放大器。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器，反相放大器。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器，