3.2運(yùn)算放大器的電路模型ppt課件

1、52 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型 一、運(yùn)算放大器一、運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器簡稱運(yùn)放，是一種多端集成電路，通常由運(yùn)算放大器簡稱運(yùn)放，是一種多端集成電路，通常由數(shù)十個(gè)晶體管和一些電阻構(gòu)成?，F(xiàn)已有上千種不同型號(hào)的數(shù)十個(gè)晶體管和一些電阻構(gòu)成?，F(xiàn)已有上千種不同型號(hào)的集成運(yùn)放，是一種價(jià)格低廉、用途廣泛的電子器件。早期，集成運(yùn)放，是一種價(jià)格低廉、用途廣泛的電子器件。早期，運(yùn)放用來完成模擬信號(hào)的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱運(yùn)放用來完成模擬信號(hào)的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱為運(yùn)算放大器。如今，運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運(yùn)算的范圍。為運(yùn)算放大器。如今，運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運(yùn)算的范圍。它在通信、控制和測量等

2、設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。它在通信、控制和測量等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。 運(yùn)放器件的電氣圖形符號(hào)如圖運(yùn)放器件的電氣圖形符號(hào)如圖(a)所示。運(yùn)放在正常工所示。運(yùn)放在正常工作時(shí)，需將一個(gè)直流正電源和一個(gè)直流負(fù)電源與運(yùn)放的電作時(shí)，需將一個(gè)直流正電源和一個(gè)直流負(fù)電源與運(yùn)放的電源端源端E+和和E-相連相連圖圖(b)。兩個(gè)電源的公共端構(gòu)成運(yùn)放的外。兩個(gè)電源的公共端構(gòu)成運(yùn)放的外部接地端。部接地端。圖圖57 運(yùn)放與外部電路連接的端鈕只有四個(gè)：兩個(gè)輸入端、運(yùn)放與外部電路連接的端鈕只有四個(gè)：兩個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，這樣，運(yùn)放可看為是一個(gè)四端一個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，這樣，運(yùn)放可看為是一個(gè)四端元件。圖中元件。圖中i

3、-和和i+分別表示進(jìn)入反相輸入端和同相輸入端的分別表示進(jìn)入反相輸入端和同相輸入端的電流。電流。io表示進(jìn)入輸出端的電流。表示進(jìn)入輸出端的電流。u-、u+和和uo分別表示反分別表示反相輸入端、同相輸入端和輸出端相對(duì)接地端的電壓。相輸入端、同相輸入端和輸出端相對(duì)接地端的電壓。ud=u+-u-稱為差模輸入電壓。稱為差模輸入電壓。 運(yùn)放工作在直流和低頻信號(hào)的條件下，其輸出電壓與運(yùn)放工作在直流和低頻信號(hào)的條件下，其輸出電壓與差模輸入電壓的典型轉(zhuǎn)移特性曲線差模輸入電壓的典型轉(zhuǎn)移特性曲線uo=f(ud)如下圖。該曲如下圖。該曲線有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：線有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：圖圖58 1uo和和ud有不同的比例尺度：

4、有不同的比例尺度：uo用用V; ud用用mV。 2.在輸入信號(hào)很小在輸入信號(hào)很小(|ud|)的區(qū)域，曲線的區(qū)域，曲線f(ud)飽和于飽和于uo=Usat。Usat稱為飽和電壓，其量值比電源電壓低稱為飽和電壓，其量值比電源電壓低2V左右，例如左右，例如E+=15V, E-=-15V，那么，那么+Usat=13V,-Usat =-13V左右。工作于飽和區(qū)的運(yùn)放，其輸出特性與電壓源相似。左右。工作于飽和區(qū)的運(yùn)放，其輸出特性與電壓源相似。 綜上所述，運(yùn)放在直流和低頻應(yīng)用時(shí)，其端電壓電流綜上所述，運(yùn)放在直流和低頻應(yīng)用時(shí)，其端電壓電流方程為：方程為：)75( )(doBB ufuIiIi 式中式中IB-和

5、和IB+是反相輸入端和同相輸入端的輸入偏置是反相輸入端和同相輸入端的輸入偏置電流，其量值非常小，通常小于電流，其量值非常小，通常小于10-7A，可以近似認(rèn)為等，可以近似認(rèn)為等于零。于零。uo=f(ud)是輸出電壓是輸出電壓uo對(duì)差模輸入電壓對(duì)差模輸入電壓ud的轉(zhuǎn)移特的轉(zhuǎn)移特性。下面介紹運(yùn)算放大器的兩種電路模型。性。下面介紹運(yùn)算放大器的兩種電路模型。二、有限增益的運(yùn)算放大器模型二、有限增益的運(yùn)算放大器模型 有限增益運(yùn)放模型的符號(hào)和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖有限增益運(yùn)放模型的符號(hào)和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5-9所示。所示。 圖圖59 由于實(shí)際運(yùn)放的輸入電流非常小，可以認(rèn)為由于實(shí)際運(yùn)放的輸入電流非常小，可以認(rèn)為i-=

6、i+=0，這意味著運(yùn)放的輸入電阻為無限大，相當(dāng)于開路。圖這意味著運(yùn)放的輸入電阻為無限大，相當(dāng)于開路。圖59(b)所示轉(zhuǎn)移特性曲線是圖所示轉(zhuǎn)移特性曲線是圖58實(shí)際運(yùn)放轉(zhuǎn)移特性曲線的實(shí)際運(yùn)放轉(zhuǎn)移特性曲線的分段線性近似。有限增益運(yùn)放模型可以由以下方程描述：分段線性近似。有限增益運(yùn)放模型可以由以下方程描述： )b85( 0)a85( 0 ii)c85( | dsatodsatoddo uUuuUuuAuu 有限增益模型可以工作于三個(gè)不同的區(qū)域時(shí)，其電路有限增益模型可以工作于三個(gè)不同的區(qū)域時(shí)，其電路模型，分別如圖模型，分別如圖(a)、(b)、(c)所示。所示。 1 線性區(qū)線性區(qū) 當(dāng)當(dāng)|ud|時(shí)，時(shí)，uo

7、=+Usat，運(yùn)放的輸出端口等效于一個(gè)，運(yùn)放的輸出端口等效于一個(gè)直流電壓源，如圖直流電壓源，如圖(b)所示。所示。 3負(fù)飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū) 當(dāng)當(dāng)ud-時(shí)，時(shí)，uo=-Usat，運(yùn)放的輸出端口等效于一個(gè)，運(yùn)放的輸出端口等效于一個(gè)直流電壓源，如圖直流電壓源，如圖(c)所示。所示。圖圖510三、理想運(yùn)算放大器模型三、理想運(yùn)算放大器模型 實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)電壓增益非常大實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)電壓增益非常大(A=105108)，可以近似認(rèn)為可以近似認(rèn)為A=和和=0。此時(shí)。此時(shí),有限增益運(yùn)放模有限增益運(yùn)放模型可以進(jìn)一步簡化為理想運(yùn)放模型。理想運(yùn)放模型可以進(jìn)一步簡化為理想運(yùn)放模型。理想運(yùn)放模型的符號(hào)如圖型的符號(hào)如圖(a)所

8、示，其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖所示，其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖(b)所所示。示。 圖圖511 理想運(yùn)放模型可由以下方程描述理想運(yùn)放模型可由以下方程描述:)b95( 0)a95( 0 ii)c95( 0 0 0 dsatodsatodosat uUuuUuuUuUsat 理想運(yùn)放模型工作于線性區(qū)、正飽和區(qū)和負(fù)飽和區(qū)相理想運(yùn)放模型工作于線性區(qū)、正飽和區(qū)和負(fù)飽和區(qū)相應(yīng)的電路模型，分別如圖應(yīng)的電路模型，分別如圖(a)、(b)、(c)所示。所示。 圖圖512 上式表明該理想運(yùn)放的輸入端口既像一個(gè)開路上式表明該理想運(yùn)放的輸入端口既像一個(gè)開路i-=i+ =0），又像一個(gè)短路），又像一個(gè)短路(ud=0)，這可等效為一個(gè)電流為

9、零的，這可等效為一個(gè)電流為零的特殊短路，因而，該模型又稱為虛短路模型。當(dāng)輸入電壓特殊短路，因而，該模型又稱為虛短路模型。當(dāng)輸入電壓ud=0時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸出電壓uo可以為可以為-Usat到到+Usat間的任何量值。間的任何量值。此時(shí)，理想運(yùn)放的模型為一個(gè)增益為無限大的電壓控制電此時(shí)，理想運(yùn)放的模型為一個(gè)增益為無限大的電壓控制電壓源壓源(VCVS)。 )c105( 0)b105(0 )a105(0 d uuuii 工作于線性區(qū)的理想運(yùn)放模型可以由以下方程描述工作于線性區(qū)的理想運(yùn)放模型可以由以下方程描述 名名 稱稱時(shí)間時(shí)間 名名 稱稱時(shí)時(shí)間間1 1鐵心變壓器的電壓波形鐵心變壓器的電壓波形5:012 2鐵心變壓器的電壓電流關(guān)系鐵心變壓器的電壓電流關(guān)系2:403 3鐵心變壓器變比的測量鐵心變壓器變比的測量2:354 4鐵心變壓器的電阻變換鐵心變壓器的電阻變換1:355 5鐵心變壓器的阻抗匹配鐵心變壓器的阻抗匹配2:146 6鐵心變壓器的頻率特性鐵心變壓器的頻率特性4:057 7ACACDCDC變換器變換器2:488 8運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)1:569 9運(yùn)放加法電路運(yùn)放加法電路2:531010運(yùn)放減法