第二章 集成運算放大器

1、 第二章 集成運算放大器電子電路基礎(chǔ)電子電路基礎(chǔ)運算放大器運算放大器 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 信號運算電路信號運算電路 2.5 小結(jié)小結(jié)運放符號：運放符號：vv+ vo v v+ voA0 2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器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)框圖運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型+-vPvoriAvo(vP-vN)+-rovNNPO+-V-V+r ri i

2、：通常為：通常為1M1M , , 有的可達有的可達100100M M 以上。以上。A Avovo：一般在：一般在10105 5 10 107 7之間。之間。r ro o ：通常為：通常為100100 或更低或更低。集成運放線性放大區(qū)線性放大區(qū)所對應(yīng)的輸入信號范圍很小范圍很小。例如設(shè)Avo=105， 、 為10V，則Vim10/105 10-4V 100uVomVomV集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性 由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的稱其所謂的理想運放理想運放

3、。 2.2 理想運算放大器理想運算放大器理想運放的條件理想運放的條件oAir0or)vv(vvooA虛短虛短vv0iI放大倍數(shù)與負載無關(guān)，可以放大倍數(shù)與負載無關(guān)，可以分開分析。分開分析。虛斷虛斷運放工作在線性區(qū)的特點運放工作在線性區(qū)的特點分析運放組成的線性電路的出發(fā)點分析運放組成的線性電路的出發(fā)點虛短虛短虛斷虛斷放大倍數(shù)與負載無關(guān)，放大倍數(shù)與負載無關(guān)， 可以分開分析可以分開分析。0iIvvIivv+ vo2.3 基本線性運放電路基本線性運放電路作用：作用：將信號按比例放大。將信號按比例放大。類型：類型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。2.3.1 同相放大電路同相放大電路

4、（a）電路圖）電路圖 （b）小信號電路模型）小信號電路模型圖圖2.3.1 同相放大電路同相放大電路1. 基本電路基本電路 2.3.1 同相放大電路同相放大電路2. 負反饋的基本概念負反饋的基本概念 開環(huán)開環(huán) 閉環(huán)閉環(huán) 反饋：將放大電路輸出量，反饋：將放大電路輸出量，通過某種方式送回到輸入回路通過某種方式送回到輸入回路的過程。的過程。 瞬時電位變化極性瞬時電位變化極性某時刻電位的斜率某時刻電位的斜率電路有電路有 vo Avo (vpvn)引入反饋后引入反饋后 vn 0，vp(vi)不變不變 (vpvn) vo o 使輸出減小了，增益使輸出減小了，增益Avvo/ /vi下降了，這時的反饋稱為下降了

5、，這時的反饋稱為負反饋負反饋。2.3.1 同相放大電路同相放大電路3. 虛假短路虛假短路 圖中輸出通過負反饋的作用，圖中輸出通過負反饋的作用，使使vn n自動地跟蹤自動地跟蹤vp p，即即vp pvn n，或或vididvp pvn n0 0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短虛短。 由于運放的輸入電阻由于運放的輸入電阻ri很大，所以，運放兩輸入端之間的很大，所以，運放兩輸入端之間的 ip- -in (vpvn) / ri 0，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為虛斷。虛斷。 由運放引入負反饋而得到的由運放引入負反饋而得到的虛短虛短和和虛斷虛斷兩個重要概念，是兩個重要概念，是分析由

6、運放組成的各種線性應(yīng)用電路的利器，必須熟練掌握。分析由運放組成的各種線性應(yīng)用電路的利器，必須熟練掌握。2.3.1 同相放大電路同相放大電路4. 幾項技術(shù)指標(biāo)的近似計算幾項技術(shù)指標(biāo)的近似計算（1）電壓增益電壓增益Av 根據(jù)虛短和虛斷的概念有根據(jù)虛短和虛斷的概念有 vpvn， ip- -in0o211npivvvv RRR所以所以12121io1RRRRRA vvv（可作為公式直接使用）（可作為公式直接使用）2.3.1 同相放大電路同相放大電路4. 幾項技術(shù)指標(biāo)的近似計算幾項技術(shù)指標(biāo)的近似計算（2）輸入電阻）輸入電阻Ri 輸入電阻定義輸入電阻定義 iiiivR 根據(jù)虛短和虛斷有根據(jù)虛短和虛斷有 v

7、ivp，ii ip0所以所以 iiiivR（3）輸出電阻）輸出電阻Ro Ro0同相放大器的特點：同相放大器的特點：1、電壓增益為正，且大于等于、電壓增益為正，且大于等于1。2、輸入電阻電阻很大。、輸入電阻電阻很大。3、輸出電阻低，負載能力較強。、輸出電阻低，負載能力較強。4、存在共模輸入信號。、存在共模輸入信號。2.3.1 同相放大電路同相放大電路5. 電壓跟隨器電壓跟隨器根據(jù)虛短和虛斷有根據(jù)虛短和虛斷有vovn vp vi1io vvvA（可作為公式直接使用）（可作為公式直接使用）電壓跟隨器的作用電壓跟隨器的作用無電壓跟隨器時無電壓跟隨器時 負載上得到的電壓負載上得到的電壓sssLsLo01

8、. 011001vvvv RRR電壓跟隨器時電壓跟隨器時ip00，vpvs根據(jù)虛短和虛斷有根據(jù)虛短和虛斷有vovn vp vs 電壓跟隨器電壓跟隨器vIvO- -+AvNvP電壓跟隨器，輸入電阻大，輸出電阻電壓跟隨器，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。在電出器相同，但是電壓跟隨性能好。在電路中常用作阻抗變換器或緩沖器。路中常用作阻抗變換器或緩沖器。例例I1 + + - R1A vNvP直流電壓表電路如圖所示。直流電壓表電路如圖所示。設(shè)磁電式電流表滿度電流設(shè)磁電式電流表滿度電流IM=100uA, 當(dāng)當(dāng)R1=2M時

9、，時，求可測的最大輸入電壓求可測的最大輸入電壓Vs解：解：111RVRVIIsNM)V(RIVMs20010210100661由分析可知，電壓表的讀數(shù)正比于由分析可知，電壓表的讀數(shù)正比于Vs,與信號源內(nèi)阻和儀表內(nèi)阻無關(guān)。與信號源內(nèi)阻和儀表內(nèi)阻無關(guān)。RmIM磁電式磁電式電流表電流表+-VsRs（2 2）反相放大器反相放大器信號從反相端輸入信號從反相端輸入 vi vO - - + Rf R1 A vN vP R2 i1iff12/ RRR 稱為平衡電阻稱為平衡電阻0,1vviif根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”有：有：111RvRvviiiivRRv1fO得到：得到：fOfOfRvRvvi v

10、i vO - - + Rf R1 A vN vP R2 1RRvvAfioVF反相放大器的特點：反相放大器的特點：1、運放的反相輸入端為、運放的反相輸入端為虛地虛地。2、共模信號輸入信號為、共模信號輸入信號為0。3、輸入電阻小、輸入電阻小, Ri = R14、輸出電阻低，負載能力較強。、輸出電阻低，負載能力較強。電位為電位為0 0，虛地，虛地例例i1if vi vO - - + R2R1 A vN vP RpR3R4v含有含有T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相放大器如圖所示。求電壓放大器如圖所示。求電壓放大倍數(shù)。放大倍數(shù)。解：解：ovR/RRR/Rv4234212RvRviif143232RR

11、RRRRAVF不用高值電阻就能獲得高增益不用高值電阻就能獲得高增益當(dāng)當(dāng)R2 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 ，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

12、 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end2.4 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)(i1i214ov

13、vRRv 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uoR1R1A3R2R2+uo2uo1+A1A2RRRWui1ui2ab+2.4.2 儀用放大器儀用放大器1 iauu 2ibuu WbaWooRuuRRuu

14、221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRR虛短路：虛短路：虛開路：虛開路：uo2uo1+A1A2RRRWui1ui2ab+)(21212iiWWouuRRRRRu 三運放電路是差三運放電路是差動放大器，放大動放大器，放大倍數(shù)可變。倍數(shù)可變。 由于輸入均在同由于輸入均在同相端，此電路的相端，此電路的輸入電阻高。輸入電阻高。)(1212ooouuRRuuoR1R1A3R2R2+例：例：由儀用放大器組成的溫度測量電路。由儀用放大器組成的溫度測量電路。E=+5VRRRRtuiRt ：熱電阻：熱電阻集成化儀用放大器集成化儀用放大器uoR1R1R2R2_A2RRRW+A1+A3Rt=f

15、 (TC)E=+5VRRRRtuiERRRREERRRutttti)( 22ERRRRRRRRRuRRRRRuttWWiWWo)( 2221212uoR1R1R2R2_A2RRRW+A1+A32.4.3 求和電路求和電路1ni1Rvv - -3onRvv - 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和n n點點的的KCLKCL得：得：2i231i13ovvvRRRR - -321RRR 若若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）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，負號表示式中，負號表示vO

16、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，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 I1. 積分電路積分電路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tRCddIOv

17、v end例：例：A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現(xiàn)，現(xiàn)有信號變化范圍為有信號變化范圍為-5V+5V。試設(shè)計一電平抬高。試設(shè)計一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)殡娐?，將其變化范圍變?yōu)?+5V。+5V-5V+5V+2.5V電平抬高電路電平抬高電路A/D計算機計算機uiuouo = 0.5ui+2.5 Vuo =0.5ui +2.5 V =0.5 (ui +5) V_+10k 20k +5V5k ui20k uo1) 5( 5 . 0) 5(20101iiouuu) 5( 5 . 020201ioouuuuo_+20k 20k 10k 運算電路運算電路要求要求1. 熟記各種單運放組成的基本運算電路的電熟記各種單運放組成的基本運算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。路圖及放大倍數(shù)公式。2. 掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算。掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算。3. 會用會用 “虛開路虛開路(ii=