模擬電子技術(shù)第二章運算放大器

第二章運算放大器2.1集成電路運算放大器2.2理想運算放大器2.3基本線性運放電路2.4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用集成電路運算放大器：簡稱集成運放，是模擬集成電路中應(yīng)用極為廣泛的一種器件

用于信號的運算、處理、變換、測量和信號產(chǎn)生電路，而且還可用于開關(guān)電路中。

具有非線性的特性，但在許多情況下，它作為線性電路的器件，很容易用來設(shè)計各種應(yīng)用電路。介紹集成運算內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)、理想運算放大器和電路模型。

學(xué)習(xí)這些應(yīng)用電路，啟發(fā)創(chuàng)新思維，打破對電子技術(shù)的神秘感。學(xué)生學(xué)完這章后，就能應(yīng)用集成運放初步地設(shè)計一些簡單有用的應(yīng)用電器。分析由理想運放和電阻、電容等元件構(gòu)成的簡單應(yīng)用電路，包括基本的同相放大電路，反相放大電路和由它組成的加法、減法、積分、微分電路及儀用放大器。２.１集成電路運算放大器１.集成電路運算放大器內(nèi)部組成單元(1)結(jié)構(gòu):由輸入級，中間級，輸出級三級組成輸入級：差分放大電路組成，其對稱性可以提高整個電路性能中間級：電壓放大，提高電壓增益，由多級組成輸出級：為負載提供功率，其電壓增益為１雙電源供電反相輸入端N(Negative):vn表示其電壓(2)端口:輸出端O

(Output):vo表示其電壓同相輸入端P(Positive):vp表示其電壓電壓vp,vn

,vo

都是以正、負電源的中間接點作為參考電位點，即０電位點。實際運放P,N和O端電壓間的相位是確定的(3)信號相位：當(dāng)P端加vp，vn＝０，則vo與vp同相當(dāng)Ｎ端加vn，vp＝０，則vo與vn反相(４)信號傳輸:∴輸出級無電壓放大，對負載提供一定功率所以運放的輸出電壓:其中開環(huán)電壓增益(５)運算放大器的符號：國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定符號國內(nèi)外常用符號２運算放大器的電路模型：供電電源供電電源輸入端口用輸入電阻模擬輸出端口用輸出電阻和與它串聯(lián)的受控電壓源模擬三個參數(shù)的值是由運放內(nèi)部電路所確定的。輸出電壓不可能超越正、負電源電壓值，即所以用下列表達式來描述：設(shè)vｐ＞vＮ，正飽和負飽和線性區(qū)０ab所以，運算放大器的電壓傳輸特性：ab段幾乎是一條垂直線，因為它的斜率的值很大的緣故，所跨越的范圍稱為線性區(qū)上、下兩條水平線，分別表示正、負飽和極值，為非線性區(qū)，又稱為限幅區(qū)。正飽和負飽和線性區(qū)０ab２.２理想運算放大器：由運放的電壓傳輸特性知，它的中心部分的斜度很陡峭正飽和負飽和線性區(qū)０ab且輸入電阻值很高，輸出電阻值很低由此建立運放的理想模型２、運放的開環(huán)電壓增益Avo很高由此可得理想運放的電路模型它表示輸入端是開路的，即：即得到圖：０ab2.3基本線性運算電路依據(jù):將運放視為理想運放2.3.1同相放大電路1.基本電路加到運放的同相輸入端“＋”和地之間產(chǎn)生電壓：2.負反饋的基本概念輸入信號電壓的瞬時電位變化極性如圖中的（＋）號所示:

輸入信號電壓vi

加到同相端，輸出電壓vo與其同相位,即輸出輸入電壓極性相同;反相輸入端的電壓為反饋電壓vf

其極性亦為（＋）而凈輸入電壓:電壓增益也減小:這就是負反饋,可表為:負反饋的作用:利用輸出電壓3.虛假短路

由于同相和反相兩輸入端之間出現(xiàn)虛短現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短。這種現(xiàn)象稱為虛斷虛短和虛斷兩條重要概念，對于分析由運放組成的各種線性應(yīng)用電路將十分有益，必須熟練握。應(yīng)當(dāng)注意的是，虛短是本質(zhì)的，而虛斷則是派生的而運放的輸入電阻的阻值又很高，因而流經(jīng)兩輸入端之間電流：在同相放大電路中，加到兩輸入端的電壓大小接近相等，相位相同是它在閉環(huán)工作狀態(tài)下的重要特征。4.幾項技術(shù)指標(biāo)的近似計算(1)電壓增益Av

:由上式可以看出:(2)輸入電阻Ri:(3)輸出電阻Ro

:(4)電壓跟隨器:在同相放大電路中，令輸出電壓就是反饋電壓，利用虛短的概念，有：電路稱為電壓跟隨器：輸出與輸入電壓大小相等，方向相同如圖示電路:根據(jù)虛短,有:例2.3.1如圖示電路:磁電式電流表指針偏移滿刻度時,流過動圈電流解:根據(jù)虛短概念,有:根據(jù)KCL,有:根據(jù)虛斷概念,有:2.3.1反相放大電路1.基本電路同相端接地,R2跨接在反相端與輸出端之間由虛斷概念知:反相輸入端電位為地電位——稱為虛地虛地的存在是反相放大電路在閉環(huán)工作狀態(tài)下的重要特征2.幾項技術(shù)指標(biāo)的近似計算(1)電壓增益Av

:由虛短,有:由虛斷,有:反相,為負值A(chǔ)v值僅與外接電阻比有關(guān)當(dāng)R1=R2,為反相電路,即:(2)輸入電阻Ri

與輸出電阻Ro例2.3.2如圖示電路:求:(1)Av=vo/vi,(3)用R2

代替T形網(wǎng)絡(luò),且(2)解:②①由②：③①代入③：2.4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用2.4.1求差電路用來實現(xiàn)兩個電壓vi1

、vi2相減的求差電路，又稱差分放大電路。反相輸入和同相都有輸入信號由虛短和虛斷，有:(1)(2)(1)代入(2)

:(3)(4)則輸入電壓為:當(dāng)電路中所以輸入電阻為:輸出電阻Ro很小2.4.2儀用放大器A1、A2同相輸入接法：構(gòu)成第一級差放電路；輸入信號v1、v2

分別加在A1、A2

的同相端A3為第二級差放大電路由虛短和虛斷，有:由上例(4)，有：2.4.3求和電路vi1、vi2

都加在反相端，有：疊加定理的應(yīng)用2.4.3積分電路和微分電路1.積分電路即輸入輸出為積分關(guān)系，但相位相反若輸入信號為階躍電壓：vitvI為恒流源充電，vo

與時間t成線形關(guān)系tv0vIvom2.微分電路即輸入輸出為微分關(guān)系，但相位相反若輸入信號為階躍電壓：vitvIv0t第二章作業(yè)P472.3.22.4.62.4.92.4.10密切相關(guān)，由于的值很高，容易導(dǎo)致性能不穩(wěn)定。后面將討論到，為使由集成運放所組成的各種應(yīng)用電路能穩(wěn)定地工作在線性區(qū)，必須引入負反饋。例２．１．１電路如圖２．１．３所示，運放的開環(huán)電壓增益，解（１）輸入電壓的最小幅值（２）畫傳輸特性曲線取a點（＋＜時，電路工作在線性區(qū)，＞則運放進入非線性區(qū)。運放的電壓傳輸特性如圖２．１．５所示．，作用于反相輸入端“－”由于的極性與由上述過程看出，負反饋作用是式中（２）輸入電阻Ｒi從式中看出輸出電壓很小。如將電壓跟隨器接在高內(nèi)阻的信號源與負載之間，如圖２．３．３b所示，因電壓跟隨器的輸入電阻該電路幾乎不從信號源吸取電流，2.3.2反相放大電路1.基本電路電路如圖2.3.5a所示,輸入電壓通過R1作用于運放的反相端,