第2章運(yùn)算放大器電路

1、(4-1)2.1 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器2.2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器2.3 基本線性運(yùn)放電路基本線性運(yùn)放電路2.4 同相輸入和反相輸入放大同相輸入和反相輸入放大 電路的其他應(yīng)用電路的其他應(yīng)用同相放大同相放大反相放大反相放大“求和求和” “求差求差” “儀表放大儀表放大”“積分積分” “微分微分”(4-2)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 集成集成作用作用: : 放大、運(yùn)算。放大、運(yùn)算。 （需附加電路來實(shí)現(xiàn)）（需附加電路來實(shí)現(xiàn)） 它既可用作放大器來放大電信號(hào)，還能完成比例，加法，它既可用作放大器來放大電信號(hào)，還能完成比例，加法，積分，微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，其名即由此而來。積分，微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，其名即

2、由此而來。它在實(shí)際中廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、精密測(cè)量、通信、信號(hào)它在實(shí)際中廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、精密測(cè)量、通信、信號(hào)處理等電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域處理等電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 。、多端、多端、有源電路元件、有源電路元件采用專門的制造工藝，將元器件及連線組成采用專門的制造工藝，將元器件及連線組成的完整電路制作在一塊半導(dǎo)體基片上，并完成特定的功的完整電路制作在一塊半導(dǎo)體基片上，并完成特定的功能的能的。什么是運(yùn)算放大器？什么是運(yùn)算放大器？2.1 集成運(yùn)放電路集成運(yùn)放電路(4-3)1、集成運(yùn)放電路的組成及符號(hào)、集成運(yùn)放電路的組成及符號(hào)電流源電路電流源電路差分放大電路差分放大電路共射放大電路共射放大電路功率級(jí)功率級(jí)2.1

3、集成運(yùn)放電路集成運(yùn)放電路集成運(yùn)算放大器是將電子器件和電路集成在硅片上的放大器。集成運(yùn)算放大器是將電子器件和電路集成在硅片上的放大器。(4-4)同相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同；同相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同；反相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。反相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。集成運(yùn)算放大器的符號(hào)集成運(yùn)算放大器的符號(hào)國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)常用常用通常運(yùn)算放大器有通常運(yùn)算放大器有5 5個(gè)引出端：正電源端，負(fù)電源端，同相輸入個(gè)引出端：正電源端，負(fù)電源端，同相輸入端，反相輸入端，輸出端端，反相輸入端，輸出端, ,還有公共端通常稱為還有公共端通常稱為“地地”(4-5)等效電路等效電路

4、接地端接地端a a端端 反相輸入端反相輸入端b b端端 同相輸入端同相輸入端o o端端 輸輸 出出 端端RiR Ri i 輸入電阻輸入電阻RoR Ro o 輸出電阻輸出電阻A A 開環(huán)電壓放大系數(shù)開環(huán)電壓放大系數(shù) 2 2集成運(yùn)算放大器的模型集成運(yùn)算放大器的模型(4-6)輸入電阻，反映了集成運(yùn)放輸入端向輸入信號(hào)源索輸入電阻，反映了集成運(yùn)放輸入端向輸入信號(hào)源索取電流的能力，要求它愈大愈好；取電流的能力，要求它愈大愈好；輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的帶輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的帶負(fù)載能力要求它愈小愈好；負(fù)載能力要求它愈小愈好；A A 愈大愈好愈大愈好2 2集成運(yùn)算放大

5、器的模型集成運(yùn)算放大器的模型(4-7)2 2集成運(yùn)算放大器的模型集成運(yùn)算放大器的模型v vidid = = v vi i+ + - - v vi i- -：差模輸入電壓；：差模輸入電壓；A Auouo：集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)；：集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)；R Ri i：集成運(yùn)放的輸入電阻；：集成運(yùn)放的輸入電阻；R Ro o：集成運(yùn)放的輸出電阻。：集成運(yùn)放的輸出電阻。(4-8)3集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性線性放大區(qū)：線性放大區(qū)：vo = = Auo(ui+ + - - ui- -) = Auovid限幅區(qū)：限幅區(qū)：uo = = VCC 或或 VEE，vid 可以

6、較大，不再可以較大，不再“虛短路虛短路”。(4-9)+-=iiiduuu反相電壓傳輸特性反相電壓傳輸特性(4-10)Ri Ro0Avo KCMR0漂移漂移0理理想想化化“虛斷虛斷”“虛短虛短”“虛短虛短”：Auo vid 0“虛斷虛斷”： Ii+= Ii-=02.22.2理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器(4-11) 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路 y=ay=an nx xn n 積分電路積分電路 微分電路微分電路 減法電路減法電路 y=ay=an nx xn n bbn nx xn n 加法電路加法電路 y=ay=an nx xn n2.3 2.3 基本線性運(yùn)算電路基本線性運(yùn)算電路(4-12)含運(yùn)算放大

7、器電路分析的方法含運(yùn)算放大器電路分析的方法 節(jié)點(diǎn)法、回路法節(jié)點(diǎn)法、回路法 虛斷、虛短概念虛斷、虛短概念(4-13)作用：作用：將信號(hào)按比例放大。將信號(hào)按比例放大。類型：類型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。方法：方法：引入深度電壓負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開環(huán)放引入深度電壓負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。1. 1. 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路(4-14)0=-+uui1= i221RuRuoi-=121RRuuAou-=uo_+ + R2R1RPuii1i21. 1. 放大倍數(shù)放大倍數(shù)虛短虛短

8、虛斷虛斷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。信號(hào)從反相端輸入。（1 1）反相比例運(yùn)算電路）反相比例運(yùn)算電路(4-15)1. 1. 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路vIvO- -+RfR1AvNvPR2電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋0PN= = = vv（1 1）反相比例運(yùn)算電路）反相比例運(yùn)算電路利用虛短和虛斷得利用虛短和虛斷得fON1NIRvvRvv- -= =- -I1fOvRRv- -= = 運(yùn)算放大器輸入端無共模信號(hào)運(yùn)算放大器輸入端無共模信號(hào) 運(yùn)算電路輸入電阻較小運(yùn)算電路輸入電阻較小輸出與輸入反相輸出與輸入反相RP =R1 / Rf(4-16)平衡電阻

9、平衡電阻 R RN N與與R RP PR RN N、R RP P：令令v vi i和和v vo o為零，為零，分別分別指從指從N N（）或（）或P P（）端到地（）端到地之間的直流電阻。之間的直流電阻。R2RfR1vS2vS1vO+RpRNR3(4-17)1. 1. 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路IPNvvv= = =（2 2）同相比例運(yùn)算電路）同相比例運(yùn)算電路利用虛短和虛斷得利用虛短和虛斷得fON1N0RvvRv- -= =- -I1fO)1(vRRv+ += = 運(yùn)算放大器輸入端有共模信號(hào)運(yùn)算放大器輸入端有共模信號(hào) 運(yùn)算電路輸入電阻很大運(yùn)算電路輸入電阻很大輸出與輸入同相輸出與輸入同相電壓跟隨器電

10、壓跟隨器IOvv = =_+ + R2R1RPuiuo(4-18)2. 2. 加法電路加法電路( (反相反相) )1NS1-RvvfON-Rvv= = 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N N點(diǎn)點(diǎn)的的KCLKCL得：得：2S2f1S1fO-vRRvRRv+ += =f21RRR= = =若若0PN= = = vv2NS2-Rvv+ +R2RfR1vS2vS1iIvONP+Rp則有則有2S1SO-vvv+ += =（加法運(yùn)算）（加法運(yùn)算）輸出再接一級(jí)反相電路輸出再接一級(jí)反相電路R2RfR1vS2vS1iIvO1NP+RRvO+2S1SOvvv+ += =可得可得特點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)方便。特點(diǎn)：比例系數(shù)

11、調(diào)節(jié)方便。(4-19)2. 2. 加法電路（同相）加法電路（同相）1NS1-Rvv0= 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N N點(diǎn)點(diǎn)的的KCLKCL得：得：)()(22S11S21fO1RvRvRRRRv+=RRRvvvf+=oNP2NS2-Rvv+（加法運(yùn)算）（加法運(yùn)算）缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。fONOfRRRvvvvF+=RRRRRRfNp若=)(21)( 22S11SfRvRvRvo+=則有反饋系數(shù)反饋系數(shù)R2RfR1vS2vS1vONP+R(4-20)2. 2. 加法電路（同相）加法電路（同相）1NS1-RvvNRv= 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N N點(diǎn)點(diǎn)的

12、的KCLKCL得：得：)()(1(22S11S21fORvRvRRRRRv+=RRRvvvf+=oNP2NS2-Rvv+（加法運(yùn)算）（加法運(yùn)算）RRRRRRRfNp若=) (21)( 22S11SfRvRvRvo+=則有缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。缺點(diǎn)：比例系數(shù)調(diào)節(jié)不方便。R2RfR1vS2vS1vONP+RR(4-21)3. 3. 減法電路減法電路反相加法反相加法= =OvS22va-O11va-（1 1）利用反相信號(hào)求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算）利用反相信號(hào)求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算= =Ov即即S110vaa S22va-= =O1vS10va-反相比例反相比例(4-22)3. 3. 減法電路減法電路= =

13、O1vS111fvRR- -第一級(jí)反相比例第一級(jí)反相比例第二級(jí)反相加法第二級(jí)反相加法= =OvS222fvRR- -O122fvRR- -（1 1）利用反相信號(hào)求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算）利用反相信號(hào)求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算= =Ov即即S111f22fvRRRR S222fvRR- -當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)22f11f RRRR= = =，得得2S1SOvvv- -= =（減法運(yùn)算）（減法運(yùn)算）(4-23)（2 2）利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算）利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算vIvO- -+RfR1AvNvPR2I1fOvRRv- -= =R1RfN+PvIvOI1fO)1(vRRv+ += =(4-24) 從結(jié)構(gòu)上看

14、，它是反相從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。大電路。fON1NS1RvvRvv- -= =- -（2 2）利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算）利用差分式電路以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算3P2PS20RvRvv- -= =- -S11fS23231f1O)(vRRvRRRRRRv- -+ + += =當(dāng)當(dāng),231fRRRR= =則則)(S1S21fOvvRRv- -= =若繼續(xù)有若繼續(xù)有,1fRR = =則則S1S2Ovvv- -= = 根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷和和N N、P P點(diǎn)的點(diǎn)的KCLKCL得：得：PNvv = =(4-25)積分和微分電路基礎(chǔ)積分和微分電路基礎(chǔ)C

15、d1vtiCC=RviC/i=tdvCiCdC=ovRiC=(4-26)u= u+= 0RuioF-=tuCiidd1=Fii =1tuRCuiodd-=uit0t0uou i+uoRR2i1iFCtuisin=若輸入：若輸入：則：則：)90sin(cos-=-=tRCtRCuo4 4、微分運(yùn)算、微分運(yùn)算(4-27)i1iFtui0Ruii=1sC1oFui-=iousRC1u-=tuo0輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三角波。ui-+RR2Cuo5 5、積分運(yùn)算、積分運(yùn)算應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1 1：-=tioduRC1tu )()(4-28)uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+6 6、儀表放大器、儀表放大器(4-29)1 iauu =2ibuu =WbaWooRuuRRuu-=+-221WiiRuu21-=-12oouu)(212iiWWuuRRR-+uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短：虛短：虛斷：虛斷：(4-30)(21212iiWWouuRRRRRu-+= 三運(yùn)放電路是差三運(yùn)放電路是差動(dòng)放大器，放大動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可變。倍數(shù)可變。 由于輸入均在同由于輸入均在同相端，