模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-02運(yùn)算放大器

2.1集成電路運(yùn)算放大器2運(yùn)算放大器2.2理想運(yùn)算放大器2.3基本線性運(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12運(yùn)算放大器內(nèi)容：·集成運(yùn)算放大器組成、電路模型、理想電路模型·同相放大電路、反相放大電路，及其他應(yīng)用電路要求：·會(huì)利用“虛短”和“虛斷”的概念，分析計(jì)算反相比例、同相比例、加、減、積分、微分等電路組成的各種運(yùn)算電路23集成電路是將半導(dǎo)體三極管、二極管、電阻等元件及連線全部集中制造在同一小塊半導(dǎo)體基片上，成為一個(gè)完整的固體電路。集成電路的元件密度高、引線短、外部接線少，從而提高了電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并且減低了成本，為電子技術(shù)的應(yīng)用開辟了一個(gè)新的時(shí)代。將彼此獨(dú)立的三極管、二極管、電阻、電容等用導(dǎo)線連接成的電路稱為分立元件電路。

4運(yùn)放概述線性非線性乘除對(duì)指數(shù)信號(hào)運(yùn)算電路比例微積分加減

運(yùn)放的基本應(yīng)用信號(hào)發(fā)生電路（信號(hào)振蕩器）信號(hào)處理電路比較器有源濾波器

集成運(yùn)算放大器是基于集成工藝的直接耦合多級(jí)放大電路。運(yùn)算處理發(fā)生5模擬運(yùn)放分類1通用型2高速型和寬帶型3高精度(低漂移型）4高輸入阻抗型5低功耗型6集成電路內(nèi)部原理圖72.1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)框圖正負(fù)雙電源供電。同相反相雙輸入端三級(jí)（多級(jí)）放大總放大倍數(shù)為三級(jí)放大倍數(shù)之積最后一級(jí)為功放，電壓放大倍數(shù)為1。單一輸出端82.1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)框圖差分電路輸入電阻大,抗干擾能力強(qiáng),前放的放大倍數(shù)不要太大,要求低噪聲.使放大倍數(shù)達(dá)到要求能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載一般用跟隨器適當(dāng)選擇輸出功率正負(fù)電源中點(diǎn)作為參考電位三級(jí)放大的特點(diǎn)9小知識(shí)點(diǎn)：負(fù)載和帶負(fù)載能力/驅(qū)動(dòng)能力？帶負(fù)載能力：負(fù)載：電壓輸出型電路，輸入一定，傳遞函數(shù)一定，輸出電壓一定，帶負(fù)載能力就是提供電流的能力電流輸出型電路，輸入一定，傳遞函數(shù)一定，輸出電流一定，帶負(fù)載能力就是提供電壓的能力負(fù)載大：電阻小負(fù)載大：電阻大吸收一定功率的電路電路提供功率的能力102.1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2.1.2運(yùn)算放大器的代表符號(hào)（a）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)（b）國內(nèi)外常用符號(hào)兩個(gè)輸入端：同相輸入端和反相輸入端。標(biāo)“+”的為同相輸入端，表明輸出電壓信號(hào)與該輸入端電壓信號(hào)相位相同；標(biāo)“-”的為反相輸入端，表明輸出電壓與該輸入端的電壓信號(hào)相位相反。直流如何反相112.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注意受控源受控于誰？受控于輸入之差值正負(fù)電源供電也可以單正電源工作122.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開環(huán)電壓增益

Avo≥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＋）

輸出電壓最大值為多少？輸出電壓不能越過電源電壓Avo很高是一個(gè)不穩(wěn)定的因素-后將引入穩(wěn)定措施主要參數(shù)：132.運(yùn)算放大器的電路模型當(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)線性范圍內(nèi)

vO＝Avo(vP－vN)Avo——是線性部分的斜率，非常陡峭微小的輸入會(huì)：導(dǎo)致飽和RailToRail一般比電源電壓小1～2V14例題2.1.1表示0.06毫伏信號(hào)放大20萬倍達(dá)到12V特性很抖運(yùn)算放大器開環(huán)電壓很大且是固定值本例中輸入信號(hào)只能小于0.06毫伏放大倍數(shù)有可變的需要太大的放大倍數(shù)不穩(wěn)定，需要有穩(wěn)定措施只能放大微弱信號(hào)152.2理想運(yùn)算放大器1.

vO的飽和極限值等于運(yùn)放的電源電壓V＋和V－

2.運(yùn)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)化電路模型理想模型作為今后統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)使用

vO＝Avo(vP－vN)16理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞

vO＝Avo(vN－vP)能放大什么信號(hào)？只能放大無窮小的信號(hào)避開穩(wěn)定性來講，性能很高，但不好用不好用的原因：輸入信號(hào)都要調(diào)整到很小放大倍數(shù)不能調(diào)不穩(wěn)定172.3基本線性運(yùn)放電路2.3.1同相放大電路2.3.2反相放大電路182.3.1同相放大電路（a）電路圖（b）小信號(hào)電路模型圖2.3.1同相放大電路1.基本電路

輸入加在同相端輸出被電阻引回到反相輸入端192.3.1同相放大電路2.引入負(fù)反饋概念開環(huán)：電路只有前向通道閉環(huán):電路中增加反向通道與前向通道形成閉合環(huán)路。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。反饋有什么用處。輸出信號(hào)引回到輸入端對(duì)電路有什么影響？202.3.1同相放大電路2.負(fù)反饋的基本概念瞬時(shí)電位變化極性用瞬時(shí)電位分析法分析反饋對(duì)電路的影響：——某時(shí)刻各點(diǎn)電位的變化趨勢(shì)（升還是降）根據(jù)輸入點(diǎn)為上升影響沿路各點(diǎn)的電位的變化，用+表示上升，用-表示下降設(shè)定輸入點(diǎn)電位為上升用+表示從輸入點(diǎn)出發(fā)，沿前向通路到輸出，再從輸出沿反向通道回到輸入口最后回到輸入的電位變化使輸入減少的過程稱為負(fù)反饋212.3.1同相放大電路2.負(fù)反饋的基本概念根據(jù)

vo

＝Avo(vp－vn)引入反饋后vn

↑

，vp(vi)不變→

(vp－vn)↓→

vo↓使輸出減小了，放大電路增益Av＝vo/vi下降。負(fù)反饋?zhàn)詈竽苓_(dá)到一個(gè)平衡的輸出值。負(fù)反饋會(huì)使純輸入減少(vp－vn)↓注意是閉環(huán)放大倍數(shù)222.3.1同相放大電路2.負(fù)反饋的基本概念→

(vp－vn)↓→

vo↓→

vo

↑

→

vn

↑

負(fù)反饋達(dá)到輸出平衡穩(wěn)定的過程：（vP－vN）＞0直到穩(wěn)定再回顧這個(gè)過程：負(fù)反饋?zhàn)詈竽苓_(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的輸出值。假設(shè)穩(wěn)定后的v0上升看電路的變化。能夠抑制輸出波動(dòng)232.3.1同相放大電路3.虛假短路※在非線性區(qū)內(nèi)，運(yùn)放的差模輸入電壓vid=v+-v-可能很大,即v+≠v-,也就是說，此時(shí)，“虛短”現(xiàn)象不復(fù)存在電路加入負(fù)反饋后

vO＝Avo(vP－vN)仍然成立。vO下降，vN上升，最后達(dá)到平衡由于

vO＝Avo(vP－vN)

vn很接近vp，即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。

不是真短路，而是等同于短路Avo→無窮大(vP－vN)→0242.3.1同相放大電路4.虛假斷路

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)放組成的各種線性應(yīng)用電路的利器，必須熟練掌握?！诜蔷€性區(qū)內(nèi)，運(yùn)放的差模輸入電壓vid=v+-v-可能很大,即v+≠v-,也就是說，此時(shí)，“虛短”現(xiàn)象不復(fù)存在不是真斷開，而是等同于斷開252.3.1同相放大電路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所以由下圖：（可作為公式直接使用）放大倍數(shù)與運(yùn)放的開放無關(guān)，僅與外接電阻相關(guān)262.3.1同相放大電路4.幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（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

Ro→0vi=0Avo(vP－vN)＝0受控源為零272.3.1同相放大電路5.電壓跟隨器根據(jù)虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vi（可作為公式直接使用）很有用的電路！常做最后的功放級(jí)28電壓跟隨器的作用無電壓跟隨器時(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電壓決定于輸入，電流由電源提供電流由誰提供?相當(dāng)于阻抗變換！如何功率放大？292.3.1同相放大電路同相放大器應(yīng)該是一個(gè)什么放大器？輸入輸出同相比例放大器？比例關(guān)系：反饋電阻/輸入端電阻+1比例關(guān)系與運(yùn)放參數(shù)無關(guān)輸出與負(fù)載無關(guān)調(diào)整反饋電阻或輸入端電阻就能調(diào)整比例關(guān)系（放大倍數(shù)）無關(guān)不能省掉。。。302.3.2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

從反相端輸入輸出被電阻還是被引回到反相輸入端312.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

vn≈

vp＝

0

，ii＝0所以i1＝i2

即（可作為公式直接使用）2.3.2反相放大電路322.幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的近似計(jì)算（2）輸入電阻Ri

（3）輸出電阻Ro

Ro→02.3.2反相放大電路數(shù)值有限，盡量選大比較同相放大有什么區(qū)別？輸入電阻小反相放大倍數(shù)少133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(shí)，VS＝(R3R1/R2)IM

（2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可end與儀表動(dòng)圈內(nèi)阻無關(guān)Vs只與IM有關(guān)，電阻為比例系數(shù)同流同壓同壓34運(yùn)算放大器電路分析的關(guān)鍵：符合理想運(yùn)算放大器的條件使用“虛短”“虛斷”簡(jiǎn)化電路再分析結(jié)果352.4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362.4.1求差電路(差分電路）（單極，雙極）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。（特點(diǎn)：?信號(hào)無地）當(dāng)則若繼續(xù)有則根據(jù)虛短、虛斷和n、p點(diǎn)的KCL得：能用反相輸入和同相輸入疊加求出結(jié)果嗎？上下支路電流各相等372.4.1求差電路從放大器角度看時(shí)，增益為（該電路也稱為差分電路或減法電路）382.4.1求差電路輸入電阻：時(shí)，輸入電壓為：根據(jù)虛短和虛斷的概念有

vp≈vn，ii＝0當(dāng)R4=R3，輸入電阻有限受反相端影響？392.4.1求差電路一種高輸入電阻的差分電路輸入加同相放大改善輸入電阻？Ri=？應(yīng)用疊加法！402.4.2儀用放大器雙同相輸入再差分：由412.4.2儀用放大器另一求