Chapter 05 含有運算放大器的電阻電路

第五章含有運算放大器的電阻電路首頁本章重點運算放大器的電路模型5.1比例電路的分析5.2含有理想運算放大器的電路分析5.35/12/20241

重點:

（1）理想運算放大器的外部特性；（2）含理想運算放大器的電阻電路分析；（3）一些典型的電路。返回5/12/20242

運算放大器是一種有著十分廣泛用途的電子器件。最早開始應(yīng)用于1940年，1960年后，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，運算放大器逐步集成化，大大降低了成本，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。1.簡介下頁上頁返回5.1運算放大器的電路模型5/12/20243

應(yīng)用信號的運算電路下頁上頁比例、加、減、對數(shù)、指數(shù)、積分、微分等運算。產(chǎn)生方波、鋸齒波等波形信號的處理電路信號的發(fā)生電路有源濾波器、精密整流電路、電壓比較器、采樣—保持電路。返回5/12/20244

電路輸入級偏置電路中間級用以電壓放大輸出級輸入端輸出端下頁上頁頻帶過窄線性范圍小缺點：加入負反饋擴展頻帶減小非線性失真優(yōu)點：高增益輸入電阻大，輸出電阻小返回5/12/20245下頁上頁集成運算放大器返回5/12/20246

符號7654321+15V－15V8個管腳：2：倒向輸入端3：非倒向輸入端4、7：電源端6：輸出端1、5：外接調(diào)零電位器8：空腳單向放大下頁上頁返回5/12/20247電路符號a：倒向輸入端，輸入電壓u－b：非倒向輸入端，輸入電壓u+o：輸出端,輸出電壓uo在電路符號圖中一般不畫出直流電源端，而只有a,b,o三端和接地端。圖中參考方向表示每一點對地的電壓，在接地端未畫出時尤須注意。A：開環(huán)電壓放大倍數(shù)，可達十幾萬倍。:公共端(接地端)下頁上頁注意+__+u+u-+_uoao+_udb_+A+返回5/12/20248在

a,b間加一電壓

ud=u+-u-，可得輸出uo和輸入ud之間的轉(zhuǎn)移特性曲線如下：2.運算放大器的特性Usat-Usat

-

Uo/VUd/mV0實際特性au+u-uoo+_ud_+A+b下頁上頁返回5/12/20249Usat-Usat

-

uo/Vud/mV0分三個區(qū)域：①線性工作區(qū)：|ud|

<

則

uo=Aud②正向飽和區(qū)：③反向飽和區(qū)：ud>

則

uo=Usatud<-

則

uo=-Usat

是一個數(shù)值很小的電壓，例如Usat=13V,A=105，則

=0.13mV。近似特性下頁上頁注意返回5/12/2024103.電路模型輸入電阻輸出電阻當(dāng):

u+=0,則uo=－Au－當(dāng):

u－=0,則uo=Au＋4.理想運算放大器下頁上頁+_A(u+-u-)RoRiu+u-＋－uo在線性放大區(qū)，將運放電路作如下理想化處理：①

A

uo為有限值，則ud=0,即u+=u-，兩個輸入端之間相當(dāng)于短路(虛短路)②

Ri

i+=0,i－=0。

即從輸入端看進去，元件相當(dāng)于開路(虛斷路)。③

Ro

0返回5/12/2024111.倒向比例器運放開環(huán)工作極不穩(wěn)定，一般外部接若干元件(R、C等)，使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。下頁上頁+_uo+_uiR1RfRL21_+A+21R1RiRfRo-Aun1++_uoRL運放等效電路+_ui返回5.2比例電路的分析5/12/202412用結(jié)點法分析：(電阻用電導(dǎo)表示)(G1+Gi+Gf)un1-Gfun2=G1ui-Gf

un1＋(Gf+Go+GL)un2

=-GoAun1整理，得：(G1+Gi+Gf)un1-Gf

un2=G1ui(-Gf

+GoA)un1＋(Gf+Go+GL)un2

=0解得：下頁上頁21R1RiRfRo-Aun1+_+_uoRL+_ui2.電路分析返回5/12/202413因A一般很大，上式分母中Gf(AGo-Gf)一項的值比(G1+Gi+Gf)(Gf+Go+GL)要大得多。所以uo/ui只取決于反饋電阻Rf與R1比值，而與放大器本身的參數(shù)無關(guān)。負號表明uo和ui總是符號相反(倒向比例器)。下頁上頁表明返回5/12/202414根據(jù)“虛短”：根據(jù)“虛斷”：u+=u-

=0，i1=ui/R1i2=-uo

/Rfi-=0，i2=i1下頁上頁由理想運放的特性：i1i2+_uo+_uiR1RfRL21_+

+返回5/12/202415當(dāng)R1

和Rf

確定后，為使uo不超過飽和電壓(即保證工作在線性區(qū))，對ui有一定限制。運放工作在開環(huán)狀態(tài)極不穩(wěn)定，振蕩在飽和區(qū);工作在閉環(huán)狀態(tài)，輸出電壓由外電路決定。(Rf

接在輸出端和反相輸入端,稱為負反饋)。下頁上頁注意+_uo+_uiR1RfRL21_+

+返回5/12/202416下頁上頁根據(jù)理想運放的性質(zhì)，抓住以下兩條規(guī)則：（a）倒向端和非倒向端的輸入電流均為零

[“虛斷（路）”]；（b）對于公共端（地），倒向輸入端的電壓與 非倒向輸入端的電壓相等

[“虛短（路）”]。1.分析方法合理地運用這兩條規(guī)則，并與結(jié)點電壓法相結(jié)合。返回5.3含有理想運算放大器的電路分析5/12/202417加法器比例加法器：y=a1x1+a2x2+a3x3

，符號如下圖：ui1/R1+ui2/R2+ui3/R3=-uo

/Rfuo=-(Rf

/R1

ui1

+Rf

/R2

ui2+Rf/R3

ui3)u-=u+=0i-=0x1a1a2a3-1-yyx2x3下頁上頁+_uoR2Rfi-u+u-R1R3ui1ui2ui3_+

+2.典型電路返回5/12/202418非倒向比例器u+=u-=uii+=i-=0uo=[(R1+R2)/R2]

ui

=(1+R1/R2)ui(uo-u-)/R1=u-/R2根據(jù)“虛短”和“虛斷”

uo與ui同相當(dāng)R2=

，R1=0時，

uo=ui，為電壓跟隨器輸入、輸出關(guān)系與運放本身參數(shù)無關(guān)。下頁上頁結(jié)論RiuiR1R2u+u-i-+_uo+_i+_+

+返回5/12/202419電壓跟隨器①輸入阻抗無窮大(虛斷)；②輸出阻抗為零；應(yīng)用：在電路中起隔離前后兩級電路的作用。③uo=ui。電路A電路B下頁上頁特點+_+_uiuo_+

+返回5/12/202420例可見，加入跟隨器后，隔離了前后兩級電路的相互影響。A電路下頁上頁R2RLR1+_u2+_u1+_u1R1R2RL+_u2_+

+返回5/12/202421

減法運算u-=u+i-=i+=0i1=if解得：下頁上頁+_uoR2Rfi-u+u-R1R3ui1ui2i1if_+

+返回5/12/202422求輸出電壓uo解下頁上頁例1+_uo_+

++_4V4R2Ri1i2u+u-倒向比例電路返回5/12/202423求輸出電壓uo解下頁上頁例2+_uo+_6VRRiu+u-RR_+

++_uo_+

++_3V3/2RR化簡電路返回5/12/202424例3求輸出電壓uo解下頁上頁返回+uo+6VR_+

+3V+RRRu4u3u2u1_+

+_+

+5/12/202425設(shè)計一個用運放和電阻組成的電路，其輸出電壓為：2x－