模擬電子學(xué)基礎(chǔ)課件-第二章

工業(yè)制造學(xué)院測控系模擬部分電子技術(shù)基礎(chǔ)2.1集成電路運算放大器2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2.1集成電路運算放大器1.集成電路運算放大器的內(nèi)部組成單元圖2.1.1集成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖利用其電路的對稱性提高整個電路的性能。主要起提高電壓增益的作用，可有一級或多級放大電路組成。該級電壓增益為1，但輸出電阻較小，具有一定的帶負載能力。P稱為同相輸入端N稱為反相輸入端圖2.1.2運算放大器的代表符號（a）國家標準規(guī)定的符號（b）國內(nèi)外常用符號2.運算放大器的電路模型圖2.1.3運算放大器的電路模型開環(huán)電壓增益

Avo的105

（很高）

輸入電阻

ri

106Ω

（很大）

輸出電阻

ro

100Ω（很小）

vO＝Avo(vP－vN)（V－＜vO＜V＋）

注意輸入輸出的相位關(guān)系輸出電壓不可能超過電源電壓值。在輸出開路下：當(dāng)Avo(vP－vN)V＋

時

vO＝﹢Vom=V＋

當(dāng)Avo(vP－vN)

V-時

vO＝﹣Vom=V﹣電壓傳輸特性

vO＝f(vP－vN)線性范圍內(nèi)

vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率假設(shè)vP﹥vN：要使集成運放構(gòu)成的各種電路穩(wěn)定地工作在線性區(qū)，必須引入負反饋。飽和區(qū)又稱為限幅區(qū)例2.1.1電路如圖2.1.3所示，運放開環(huán)電壓增益Avo=2×105，輸入電阻ri=0.6MΩ，電源電壓V﹢=﹢12V，V﹣=﹣12V。(1)試求當(dāng)vo=±Vom=±12V時輸入電壓的最小幅值vP-vN=？(2)輸入電流ii=？畫出傳輸特性曲線vo=f(vP-vN)。說明運放的兩個區(qū)域。解：(1)當(dāng)vo=±Vom=±12V時，由vo=Avo(vP﹣vN)可得由可得(2)畫出傳輸特性曲線(見p25)即輸入電壓超過該值就進入飽和區(qū)，輸出電壓不再變化。理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)2.2理想運算放大器1.

vo的飽和極限值等于運放的電源電壓V＋和V－

2.運放的開環(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圖2.2.1運放的簡化電路模型end2.3基本線性運放電路2.3.1同相放大電路2.3.2反相放大電路以上兩種運放電路是最基本的運算放大器電路，很多由運放組成的功能電路均是在它們的基礎(chǔ)上組合和演變而來。2.3.1同相放大電路1.基本電路

圖2.3.1同相放大電路（a）電路圖這里將運放看成理想運算放大器，且輸入信號為正弦小信號。R1和R2為反饋元件vn是輸出電壓vo經(jīng)R1和R2反饋回到運放的反相輸入端——反饋電壓。理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)2.負反饋的基本概念

開環(huán)

閉環(huán)

反饋：將放大電路輸出量，通過某種方式送回到輸入回路的過程。

瞬時電位變化極性——某時刻電位的變化趨勢無反饋時電路有

vo

＝Avo(vp－vn)≈

Avovp引入反饋后

vn0，vp(vi)不變→

(vp－vn)↓→

vo↓使輸出減小了，閉環(huán)增益Av＝vo/vi下降了，這時的反饋稱為負反饋。負反饋的作用是利用輸出電壓通過反饋回路，對放大電路進行自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)輸出的穩(wěn)定平衡。vP和vn具有相同的極性負反饋作用過程：vP(vi)↑vP﹣vn↑vo=Avo(vP-vn)↑vn↑vP﹣vn↓vo↓從而最終又回到輸出穩(wěn)定平衡狀態(tài)。3.虛假短路

同相放大電路的輸出通過負反饋的作用，使vn自動地跟蹤vp，即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短。

由于運放的輸入電阻ri很大，所以，運放兩輸入端之間的

ip＝in＝(vp－vn)/ri≈0，這種現(xiàn)象稱為虛斷。

由運放引入負反饋而得到的虛短和虛斷兩個重要概念，是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。由于理想運算放大器Avo→∞，因此由vo=Avo(vP-vn)，可得04.幾項技術(shù)指標的近似計算(1)電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有所以（可作為公式直接使用）Av為接入負反饋后的電壓增益，稱為閉環(huán)電壓增益。由公式可見，Av≥1，且只取決與外部元件R1和R2的大小。（b）小信號電路模型(2)輸入電阻Ri

輸入電阻定義

所以(3)輸出電阻Ro

根據(jù)虛短和虛斷的概念有按照第一章中所述放大電路輸出電阻定量分析的方法，可得到同相放大器的輸出電阻為ro=05.電壓跟隨器根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vi雖然電壓跟隨器的電壓增益等于1，但它的輸入電阻Ri→∞，輸出電阻Ro→0，故它在電路中常作為阻抗變換器或緩沖器。將同相放大器中R1=∞，R2=0，便得到所謂電壓跟隨器，如圖2.3.2所示圖2.3.2電壓跟隨器(a)無電壓跟隨器時有電壓跟隨器時ip≈0，vp＝vs根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vs電壓跟隨器的作用負載上得到的電壓可見輸出電壓很小可見當(dāng)負載變化時，對輸出電壓幾乎無影響。例2.3.1直流電壓表電路如圖2.3.4所示，磁電式電流表指針偏移滿刻度時，流過動圈電流IM=100μA。當(dāng)R1=2MΩ時，可測得的最大輸入電壓VS(max)=？解：利用虛短和虛斷的概念，有VP=VS=VN，Ii=0，可得由此可得可見電壓表的讀數(shù)與VS成正比，且與儀表內(nèi)阻Rm無關(guān)。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

虛地是反相放大器在閉環(huán)工作狀態(tài)下的重要特征。2.幾項技術(shù)指標的近似計算(1)電壓增益Av

根據(jù)虛短和虛斷的概念有i1＝i2

即（可作為公式直接使用）vn≈vp＝0，ii＝0所以負號表示vo和vi相位相反(2)輸入電阻Ri

(3)輸出電阻Ro

對理想運算放大器而言，有例2.3.2將圖2.3.5a所示電路中的電阻R2用T形網(wǎng)絡(luò)代替，如圖2.3.6所示。(1)求電路的電壓增益表達式Av=vo/vi；(2)該電路作為話筒的前置放大器，若選R1=51kΩ，R2=R3=390kΩ，當(dāng)vo=﹣100vi時，計算R4的值；(3)直接用R2代替T形網(wǎng)絡(luò)的電阻時，R1=51kΩ，Av=﹣100時，求R2值。解：(1)根據(jù)虛短和虛斷的概念有從而可得由上兩式可解得(2)當(dāng)R1=51kΩ，R2=R3=390kΩ，Av=﹣100即vo=﹣100vi時，由閉環(huán)電壓增益表達式可得從而可解得如果用可調(diào)電位器代替R4，便可調(diào)節(jié)閉環(huán)電壓增益大小。(3)若Av=﹣100，用R2代替T形網(wǎng)絡(luò)，則顯然，相比而言T形網(wǎng)絡(luò)的組成電阻值要小得多。當(dāng)R2>>R3時，（1）試證明Vs＝(R3R1/R2)Im

解（1）根據(jù)虛斷有I1

=0所以I2

=Is

=Vs

/

R1

例2.3.3直流毫伏表電路（2）R1＝R2＝150k，R3＝1k，輸入信號電壓Vs＝100mV時，通過毫伏表的最大電流Im(max)＝？又根據(jù)虛短有Vp

=

Vn

=0R2和R3相當(dāng)于并聯(lián)，所以–I2R2

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

（2）代入數(shù)據(jù)計算即可end2.4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求差電路當(dāng)則若繼續(xù)有則根據(jù)虛短、虛斷和N、P點的電流方程可得：i1=i4i2=i3求差電路(差分放大電路)可實現(xiàn)兩個輸入電壓相減。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。vo與輸入電壓之差成比例從放大器角度看增益為時，（該電路也稱為差分電路或減法電路）當(dāng)R1=R2=R3=R4時，利用虛短和虛斷可得到輸入電阻為同時輸出電阻Ro非常小。例2.4.1高輸入電阻的差分放大電路如圖2.4.2所示，求輸出電壓vo2的表達式，并說明該電路的特點。解：該電路中第一級放大A1為同相放大電路，因此有第二級A2為差分式放大電路，可用疊加原理求輸出電壓。當(dāng)vi2=0時，A2為反相放大電路，可得當(dāng)vo1=0時，A2為同相放大電路，可得因此vo2為上述兩電壓之和。若R1=R21，則2.4.2儀用放大器A3差分輸入接法組成第二級放大電路根據(jù)虛短、虛斷，有從而可得到第二級差分放大的輸入為最終的輸出電壓為A1和A2按同相輸入接法組成第一級放大電路電壓增益為2.4.3求和電路根據(jù)虛短、虛斷和虛地可得：若則有（該電路也稱為加法電路）若后再結(jié)一級反相電路可消除輸出的負號該電路也可擴展為多個輸入電壓相加，同時可從同相端輸入。2.4.4積分電路和微分電路1.積分電路式中，負號表示vo與vI在相位上是相反的。根據(jù)“虛短”，得根據(jù)“虛斷”，得因此有設(shè)電容器C的初始電壓為零，則（積分運算）電容器被充電，其充電電流為當(dāng)vI為階躍電壓時，有vo與

t

成線性關(guān)系積分時間常數(shù)當(dāng)電容C上電壓增大到電源電壓值時，輸出vo進入飽和狀態(tài)例2.4.3設(shè)電路如圖2.4.6所示，電路中電源電壓V+=+15V，V﹣=﹣15V，R