第二章運(yùn)算放大器

第二章運(yùn)算放大器掌握內(nèi)容：理想運(yùn)放的特性應(yīng)用了解內(nèi)容：各種運(yùn)算電路的組成

重點(diǎn)：基本運(yùn)算電路的分析計(jì)算

難點(diǎn)：求差與求和電路

本章學(xué)時(shí)：3第二章運(yùn)算放大器2.1集成電路運(yùn)算放大器2.2理想運(yùn)算放大器2.3基本線(xiàn)性運(yùn)放電路2.4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用

主要內(nèi)容：

引言集成電路運(yùn)算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用極為廣泛的一種器件，不僅用于信號(hào)的運(yùn)算、處理、變換、測(cè)量和信號(hào)產(chǎn)生電路，還可用于開(kāi)關(guān)電路中。集成電路運(yùn)算放大器是采用一定制造工藝將大量半導(dǎo)體三極管、電阻、電容等元件及連線(xiàn)制作在同一小塊單晶硅的芯片上，并具有一定功能的電子電路.2.1集成電路運(yùn)算放大器1.集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.1集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖運(yùn)放的代表符號(hào)：圖2.1.2運(yùn)算放大器的代表符號(hào)（a）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)（b）國(guó)內(nèi)外常用符號(hào)表示信號(hào)從左（輸入端）向右（輸出端）傳輸?shù)姆较?.運(yùn)算放大器的電路模型圖2.1.3運(yùn)算放大器的電路模型用一個(gè)包含輸入端口、輸出端口和供電電源端的電路模型代表。輸入端口用輸入電阻ri來(lái)模擬，輸出端口用輸出電阻ro和串聯(lián)的受控電壓源Avo(vp-vn)模擬。電源是運(yùn)放內(nèi)部電路運(yùn)行所必需的能源。圖2.1.3運(yùn)算放大器的電路模型通常：開(kāi)環(huán)電壓增益

Avo的≥105

（很高）

輸入電阻

ri

≥106Ω

（很大）

輸出電阻

ro

≤100Ω

（很?。?/p>

vO＝Avo(vP－vN)（V－＜vO＜V＋）

理想情況下可以擴(kuò)展到正、負(fù)飽和極限值。

當(dāng)Avo(vP－vN)≥V＋時(shí)

vO＝

V＋

當(dāng)Avo(vP－vN)≤

V-時(shí)

vO＝

V-電壓傳輸特性

vO＝

f

(vP－vN)線(xiàn)性范圍內(nèi)vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率2.2理想運(yùn)算放大器vO的飽和極限值等于運(yùn)放的電源電壓

V＋和V－

2.由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益很高

若（vP－vN）＞0

則vO=+Vom=V＋

若（vP－vN）＜0

則vO=–Vom=V－

3.若V－<vO<V＋則（vP－vN）0

4.輸入電阻ri的阻值很高，使iP≈0、

iN≈0

5.輸出電阻很小，ro

≈0理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vO＝Avo(vN－vP)圖2.2.1運(yùn)放的簡(jiǎn)化電路模型2.3基本線(xiàn)性運(yùn)放電路2.3.1同相放大電路2.3.2反相放大電路2.3.1同相放大電路（a）電路圖圖2.3.1同相放大電路1.基本電路

2.負(fù)反饋的基本概念

反饋：將放大電路輸出量，通過(guò)某種方式送回到輸入回路的過(guò)程。

瞬時(shí)電位變化極性電路有vo

＝Avo(vp－vn)引入反饋后

vn0，vp(vi)不變→

(vp－vn)↓→

vo↓

使輸出減小了，增益Av＝vo/vi下降了，這時(shí)的反饋稱(chēng)為負(fù)反饋。3.虛假短路即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。這種現(xiàn)象稱(chēng)為虛假短路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛短。

由于運(yùn)放的輸入電阻ri很大，所以，運(yùn)放兩輸入端之間的

ip＝in＝(vp－vn)/ri

≈0，這種現(xiàn)象稱(chēng)為虛斷。

由運(yùn)放引入負(fù)反饋而得到的虛短和虛斷兩個(gè)重要概念，是分析由運(yùn)放組成的各種線(xiàn)性應(yīng)用電路的工具，必須熟練掌握。4.幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（1）電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有

vp≈vn，ip＝in＝0所以閉環(huán)電壓增益，總大于1，引入反饋后，電壓增益只取決于運(yùn)放的外部電路的元件值，與運(yùn)放本身無(wú)關(guān)。（2）輸入電阻Ri

輸入電阻定義

根據(jù)虛短和虛斷有

vi＝vp，ii＝ip≈0所以（3）輸出電阻Ro

5.電壓跟隨器根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vi輸出電壓與輸入電壓大小相等，方向相反，因此，該電路稱(chēng)為電壓跟隨器.電壓跟隨器的作用無(wú)電壓跟隨器時(shí)負(fù)載上得到的電壓電壓跟隨器時(shí)ip≈0，vp＝vs根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vs負(fù)載變，輸出電壓幾乎不變。消除負(fù)載對(duì)輸出電壓的影響。2.3.2反相放大電路（a）電路圖（b）由虛短引出虛地vn≈0

圖2.3.5反相放大電路1.基本電路

2.幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（1）電壓增益Av

反相端為虛地點(diǎn)，

vn≈

vp＝

0

，

ii＝0（虛斷）所以i1＝i2

即R2=R1時(shí)，v0=-vi反相電路.（2）輸入電阻Ri

（3）輸出電阻Ro

Ro→0當(dāng)R2>>R3時(shí)，（1）試證明VS＝(R3R1/R2)IM

解:（1）根據(jù)虛斷有II

=0所以I2

=IS

=VS

/

R1

例2.3.3直流毫伏表電路（2）R1＝R2＝150k，R3＝1k，輸入信號(hào)電壓VS＝100mV時(shí)，通過(guò)毫伏表的最大電流IM(max)＝？又根據(jù)虛短有VP

=

VN

=0所以–I2R2

=R3(I2-IM)所以當(dāng)R2>>R3時(shí)，VS＝(R3R1/R2)IM

（2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：IM(max)=100uA2.4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2.4.2儀用放大器2.4.3求和電路2.4.4積分電路和微分電路2.4.1求差電路

從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。當(dāng)則

根據(jù)虛短、虛斷和n、p點(diǎn)的KCL得：從放大器角度看時(shí)，增益為若繼續(xù)有則例：一種高輸入電阻的差分電路第一級(jí)：第二級(jí)：差分式放大電路，利用疊加原理求得。vi2=0vo1=0總的電壓增益：由于電路中第一級(jí)為同相輸入放大電路，電路的輸入電阻無(wú)窮大。2.4.2儀用放大器2.4.3求和電路根據(jù)虛短、虛斷和n點(diǎn)的KCL得：若則有（該電路也稱(chēng)為加法電路）例：同相輸入加法電路

根據(jù)兩個(gè)分析依據(jù)“虛短”“虛斷”由圖可知其中故A+NPA+NP若2.4.4積分電路和微分電路1.積分電路根據(jù)“虛短”，得根據(jù)“虛斷”，得因此電容器被充電，其充電電流為設(shè)電容器C的初始電壓為零，則上式表明，輸出電壓vO為輸入電壓vI對(duì)時(shí)間的積分，負(fù)號(hào)表示信號(hào)是從運(yùn)放的反相輸入端輸入的。輸入階躍電壓tO輸出電壓隨時(shí)間線(xiàn)性下降運(yùn)放的最大輸出電壓輸出飽和tOtO輸入電壓tO輸出電壓R=10K?，C=5nF，假設(shè)運(yùn)放是理想的。輸入電壓波形如圖所示，在t=0時(shí)，電