大學課件電路學含有運算放大器的電阻電路

1、第五章第五章含有運算放大含有運算放大器的電阻電路器的電阻電路首首 頁頁本章重點本章重點運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型5.1比例電路的分析比例電路的分析5.2含有理想運算放大器的電路分析含有理想運算放大器的電路分析5.3l重點重點 （1 1）理想運算放大器的外部特性；）理想運算放大器的外部特性； （2 2）含理想運算放大器的電阻電路分析；）含理想運算放大器的電阻電路分析； （3 3）一些典型的電路；）一些典型的電路；返 回l 運算放大器運算放大器是一種有著十分廣泛用途的電子器件。最早是一種有著十分廣泛用途的電子器件。最早開始應用于開始應用于1940年，年，1960年后，隨著集成電路年后

2、，隨著集成電路技術的發(fā)展，運算放大器逐步集成化，大大降技術的發(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用。低了成本，獲得了越來越廣泛的應用。5.1 5.1 運算放大器的電路模型運算放大器的電路模型1. 1. 簡介簡介下 頁上 頁返 回l 應用應用信號的運算電路信號的運算電路下 頁上 頁比例、加、減、對數、指比例、加、減、對數、指數、積分、微分等運算。數、積分、微分等運算。產生方波、鋸齒波等波形產生方波、鋸齒波等波形信號的處理電路信號的處理電路信號的發(fā)生電路信號的發(fā)生電路有源濾波器、精密整流電路、有源濾波器、精密整流電路、電壓比較器、采樣電壓比較器、采樣保持電保持電路。路。

3、返 回l 電路電路輸輸入入級級偏置偏置電路電路中間級中間級用以電用以電壓放大壓放大輸輸出出級級輸入端輸入端輸出端輸出端下 頁上 頁頻帶過窄頻帶過窄線性范圍小線性范圍小缺點：缺點：加入負反饋加入負反饋擴展頻帶擴展頻帶減小非線性失真減小非線性失真優(yōu)點：優(yōu)點：高增益高增益輸入電阻大，輸出電阻小輸入電阻大，輸出電阻小返 回下 頁上 頁集成運算放大器集成運算放大器返 回l 符號符號7654321+15v15v8 8個管腳：個管腳：2 2：倒向輸入端：倒向輸入端3 3：非倒向輸入端：非倒向輸入端4 4、7 7：電源端：電源端6 6：輸出端：輸出端1 1、5 5：外接調零電位器：外接調零電位器8 8：空腳：

4、空腳單單向向放放大大下 頁上 頁返 回l電路符號電路符號a a：倒向輸入端，輸入電壓倒向輸入端，輸入電壓ub b：非倒向：非倒向輸入端，輸入電壓輸入端，輸入電壓u+o o：輸出端：輸出端, , 輸出電壓輸出電壓 uo在電路符號圖中一般不畫出直流電在電路符號圖中一般不畫出直流電源端，而只有源端，而只有a,b,o三端和接地端。三端和接地端。 圖中參考方向表示每一點對地的電壓，在接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。地端未畫出時尤須注意。a：開環(huán)電壓放大倍數，開環(huán)電壓放大倍數，可達十幾萬倍?？蛇_十幾萬倍。: : 公共端公共端( (接地端接地端) )下 頁上 頁注意+_+u+u

5、-+_uoao+_udb_+a+返 回 在在 a,b 間加一電壓間加一電壓 ud =u+-u-，可得輸出可得輸出uo和和輸入輸入ud之間的轉移特性曲線如下：之間的轉移特性曲線如下：2. 2. 運算放大器的靜特性運算放大器的靜特性usat-usat-uo/vud/mv0實際特性實際特性au+u-uoo+_ud_+a+b下 頁上 頁返 回usat-usat-uo/vud/mv0分三個區(qū)域：分三個區(qū)域：線性工作區(qū)：線性工作區(qū)：|ud| 則則 uo= usatud- 則則 uo= -usat 是 一 個 數 值 很 小 的 電 壓 ， 例 如是 一 個 數 值 很 小 的 電 壓 ， 例 如usat=

6、13v, a =105，則則 = 0.13mv。近似特性近似特性下 頁上 頁注意返 回3. 3. 電路模型電路模型輸入電阻輸入電阻輸出電阻輸出電阻當當: : u+= 0, 則則uo=au當當: : u= 0, 則則uo=au4. 4. 理想運算放大器理想運算放大器下 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：在線性放大區(qū)，將運放電路作如下理想化處理： auo為有限值，則為有限值，則ud=0 , ,即即u+=u-，兩個，兩個輸入端之間相當于短路輸入端之間相當于短路( (虛短路虛短路) ) ri i+=0 , i=0。 即從輸入端看進去，元即從輸入端

7、看進去，元件相當于開路件相當于開路( (虛斷路虛斷路) )。 ro 0返 回5.2 5.2 比例電路的分析比例電路的分析1. 1. 倒向比例器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運放開環(huán)工作極不穩(wěn)定，一般外部接若干元件( (r、c等等) )，使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。，使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。下 頁上 頁+_uo+_uir1rfrl21_+a+21r1rirfroaun1+_uorl運放等效電路運放等效電路+_ui返 回用結點法分析：用結點法分析：( (電阻用電導表示電阻用電導表示) )(g1+gi+gf)un1-gf un2=g1ui-gf un1(gf+go+gl)un2 =goau1

8、u1= un1整理，得：整理，得：(g1+gi+gf)un1-gf un2=g1ui(-gf +goa)un1(gf+go+gl)un2 =0解得：解得：iloffi1foffff1n2o)( )()()(ugggggggagggagggguuo下 頁上 頁21r1rirfroau1+_+_uorl+_ui2. 2. 電路分析電路分析返 回iloffi1foffoff1n2o)( )()()(ugggggggagggagggguu因因a一般很大，上式分母中一般很大，上式分母中gf(ago-gf)一項的值比一項的值比(g1+ gi + gf) (g1+ gi + gf)要大得多。所以要大得多。所

9、以i1fif1ourrugguuo / ui只取決于反饋電阻只取決于反饋電阻rf與與r1比值，而與放大器比值，而與放大器本身的參數無關。負號表明本身的參數無關。負號表明uo和和ui總是符號相反總是符號相反( (倒向倒向比例器比例器) )。下 頁上 頁表明返 回根據根據“虛短虛短”：根據根據“虛斷虛斷”：i1fourru u+ = u- =0， i1= ui/r1 i2= -uo /rfi-= 0，i2= i1下 頁上 頁以上近似結果可將運放看作理想情況而得以上近似結果可將運放看作理想情況而得到。由理想運放的特性：到。由理想運放的特性：注意i1i2+_uo+_uir1rfrl21_+返 回 當當

10、r1 和和rf 確定后，為使確定后，為使uo不超過飽和電壓不超過飽和電壓( (即保即保證工作在線性區(qū)證工作在線性區(qū)) )，對，對ui有一定限制有一定限制。 運放工作在開環(huán)狀態(tài)極不穩(wěn)定，振蕩在飽和區(qū)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。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接在輸出端和反相輸入端, ,稱為負反饋稱為負反饋) )。 下 頁上 頁注意i1fourru+_uo+_uir1rfrl21_+返 回下 頁上 頁5.3 5.3 含有理想運算放大器的電路分析含有理想運算放大器的電路分析根據理想運放的性質，抓住以下兩

11、條規(guī)則：根據理想運放的性質，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倒向端和非倒向端的輸入電流均為零 “ “虛斷（路）虛斷（路）” ；（b）對于公共端（地），倒向輸入端的電壓與對于公共端（地），倒向輸入端的電壓與 非倒向輸入端的電壓相等非倒向輸入端的電壓相等 “ “虛短（路）虛短（路）” 。1. 1. 分析方法分析方法合理地運用這兩條規(guī)則，并與結點電壓法相結合。合理地運用這兩條規(guī)則，并與結點電壓法相結合。返 回加法器加法器比例加法器比例加法器：y =a1x1+a2x2+a3x3 ，符號如下圖：符號如下圖：ui1/r1+ ui2 /r2+ ui3 /r3 =-uo /rfuo=

12、-(rf /r1 ui1 +rf /r2 ui2+rf /r3 ui3)u-= u+=0i-=0 x1a1a2a3-1-yyx2x3下 頁上 頁+_uor2rfi-u+u-r1r3ui1ui2ui3_+2. 2. 典型電路典型電路返 回非倒向比例器非倒向比例器u+= u-= uii+= i-= 0uo =(r1 + r2)/r2 ui =(1+ r1/r2) ui(uo-u-)/r1= u-/r2根據根據“虛短虛短”和和“虛斷虛斷” uo與與ui同相同相當當r2=，r1=0時，時， uo=ui，為電壓跟隨器為電壓跟隨器輸入、輸出關系與運放本身參數無關。輸入、輸出關系與運放本身參數無關。下 頁上

13、 頁結論riuir1r2u+u-i-+_uo+_i+_+返 回電壓跟隨器電壓跟隨器 輸入阻抗無窮大輸入阻抗無窮大( (虛斷虛斷) )； 輸出阻抗為零；輸出阻抗為零；應用：在電路中起隔離前后兩級電路的作用。應用：在電路中起隔離前后兩級電路的作用。 uo= ui。電電路路a電電路路b下 頁上 頁特點+_+_uiuo_+返 回例例12122urrru12122urrru 可見，加入跟隨器后，隔離了前后兩級電路的可見，加入跟隨器后，隔離了前后兩級電路的相互影響。相互影響。a電電路路下 頁上 頁r2rlr1+_u2+_u1+_u1r1r2rl+_u2_+返 回 減法運算減法運算u-=u+i-=i+=0i

14、1= if323i2rrruuufruuruuio1i11解得：解得：1113230)1 (rrurrrrruufifi2 11 ii203f21)( , rruuurrrrf當當下 頁上 頁+_uor2rfi-u+u-r1r3ui1ui2i1if_+返 回求輸出電壓求輸出電壓uo解解rur244o下 頁上 頁例例1+_uo_+_4v4r2ri1i2u+u-v20u倒向比例電路倒向比例電路返 回求輸出電壓求輸出電壓uo解解v2230iurru下 頁上 頁例例2+_uo+_6vrriu+u-rr_+_uo_+_3v3/2rr化簡電路化簡電路返 回例例3 3求輸出電壓求輸出電壓uov3 v621uu解解v5 . 12/243uuuruuruuo331v3362310uuu下 頁上 頁+uo+6vr_+3v+rrru4u3u2u1_+_+返 回設計一個用運放和電阻組成的電路，其輸出設計一個用運放和電阻組成的電路，其輸出電壓為：電壓為：2xyz 其中其中x、y、z 分別表示三個輸入電壓的值，設分別表示三個輸入電壓的值，設x、y、z不超過不超過10v, ,同時要求每一個電阻的功率不超