模擬電子技術基礎第二章運算放大器

1、2 2 運算放大器運算放大器2.1 2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器2.2 2.2 理想運算放大器理想運算放大器2.3 2.3 基本線性運放電路基本線性運放電路2.4 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用電路的其他應用2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器1. 集成電路運算放大器的內部組成單元集成電路運算放大器的內部組成單元圖圖2.1.1 集成運算放大器的內部結構框圖集成運算放大器的內部結構框圖 本章不討論集成運放的內部電路，僅從其電路模型和外特性本章不討論集成運放的內部電路，僅從其電路模型和外特性出發(fā)，討論運放構成的放大電路和典型的線性應用電路

2、。出發(fā)，討論運放構成的放大電路和典型的線性應用電路。圖圖2.1.2 運算放大器的代表符號運算放大器的代表符號（a）國家標準規(guī)定的符號）國家標準規(guī)定的符號 （b）國內外常用符號）國內外常用符號 (a) (b) 通常：通常： 開環(huán)電壓增益開環(huán)電壓增益 Avo的的 105 （很高）（很高） 輸入電阻輸入電阻 ri 106 （很大）（很大） 輸出電阻輸出電阻 ro 100 （很?。ê苄。?vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意輸入輸出的相位關注意輸入輸出的相位關系系放大：在輸入信號控制下，放大：在輸入信號控制下，放大電路將供電電源能量轉放大電路將供電電源能量轉換成為輸出信號能量。換成為輸

3、出信號能量。線性范圍內線性范圍內 vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率當當Avo(vPvN) V 時時 vO V 當當Avo(vPvN) V- -時時 vO V- -電壓傳輸特性電壓傳輸特性 vO f (vPvN)2.2 理想運算放大器理想運算放大器 滿足下列參數指標的運算放大器可以視為理想運算放大器。滿足下列參數指標的運算放大器可以視為理想運算放大器。 1.差模電壓放大倍數差模電壓放大倍數Avd= ，實際上，實際上Avd80dB即可即可 1.1.理想運算放大器的條件理想運算放大器的條件2.差模輸入電阻差模輸入電阻Rid= ，實際上，實際上Rid比輸入端外電路的比輸入端外電路的 電阻大電阻大2

4、3個量級即可。個量級即可。 3.輸出電阻輸出電阻Ro=0，實際上，實際上Ro比輸入端外電路的電阻小比輸入端外電路的電阻小12個個量級即可。量級即可。 4.帶寬足夠寬。帶寬足夠寬。 5.共模抑制比共模抑制比足夠大。足夠大。 實際上在做一般原理性分析時，產品運算放大器都可以視實際上在做一般原理性分析時，產品運算放大器都可以視為理想的。只要實際的運用條件不使運算放大器的某個技術指為理想的。只要實際的運用條件不使運算放大器的某個技術指標明顯下降即可。標明顯下降即可。 理想運算放大器具有理想運算放大器具有“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的特性，這兩個的特性，這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為了保

5、證線性運用特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為了保證線性運用，運放必須在閉環(huán)，運放必須在閉環(huán)( (負反饋）下工作。負反饋）下工作。 2.2.理想運算放大器的特性理想運算放大器的特性 (1) (1)虛短虛短 由于運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算放大器的由于運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數都在開環(huán)電壓放大倍數都在80 dB80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在，一般在10 10 V14 V。因此運放的差模輸入電壓不足。因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩兩輸入端近似等電位，相當于輸入端近似等電位，相當于 “短路短路”

6、。開環(huán)電壓放大倍數越大開環(huán)電壓放大倍數越大，兩輸入端的電位越接近相等。兩輸入端的電位越接近相等。 “虛短虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。將兩輸入端真正短路。(2)(2)虛斷虛斷 由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在放大器的輸入電阻都在1 M1 M 以上。因此流入運放輸以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足入端的電流往往不足1 1 A A

7、，遠小于輸入端外電路的，遠小于輸入端外電路的電流電流. .。故通常可把運放的兩輸入端視為開路，且輸。故通?？砂堰\放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，入電阻越大，兩輸入端越接近開路兩輸入端越接近開路。 “虛斷虛斷”是指是指在分析運放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為在分析運放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。然不能將兩輸入端真正斷路。 2.3 基本線性運放電路基本線性運放電路2.3.1 同相放大電路同相放大電路2.3.2 反相放大電路反相放大電路2.3.1 同相放大電路同相放大電路

8、（a）電路圖）電路圖1. 1. 基本電路基本電路 （b）小信號電路模型）小信號電路模型2. 2. 幾項技術指標的近似計算幾項技術指標的近似計算（1）電壓增益電壓增益Av 根據根據虛短虛短和和虛斷虛斷的概念有的概念有 vpvn， ip-in0o2npivRRRvvv 11所以所以12121io1RRRRRA vvv（可作為公式直接使用）（可作為公式直接使用）（2）輸入電阻）輸入電阻Ri 輸入電阻定義輸入電阻定義 iiiivR 根據虛短和虛斷有根據虛短和虛斷有 vivp，ii ip0所以所以 iiiivR（3）輸出電阻）輸出電阻Ro Ro03. 3. 電壓跟隨器電壓跟隨器根據虛短和虛斷有根據虛短和

9、虛斷有vovn vp vi1io vvvA（可作為公式直接使用）（可作為公式直接使用）電壓跟隨器的作用電壓跟隨器的作用無電壓跟隨器時無電壓跟隨器時 負載上得到的電壓負載上得到的電壓sssLsLo01. 011001vvvv RRR有電壓跟隨器時有電壓跟隨器時ip00，vpvs根據虛短和虛斷根據虛短和虛斷vovn vp vs2.3.2 反相放大電路反相放大電路（a）電路圖）電路圖1. 1. 基本電路基本電路 （b）由虛短引出虛地）由虛短引出虛地vn0 2. 2. 幾項技術指標的近似計算幾項技術指標的近似計算根據虛短和虛斷的概念有根據虛短和虛斷的概念有 vn vp 0 ， ii0所以所以 i1i2

10、 12ioRRA vvv2on1niRRvvvv 即即（可作為公式直接使用）（可作為公式直接使用）（1）電壓增益電壓增益Av （2）輸入電阻）輸入電阻Ri 11ii1ii/RRiR vvv（3）輸出電阻）輸出電阻Ro Ro0若信號源是非理想的電壓信號源，采用哪種放大電路更好？若信號源是非理想的電壓信號源，采用哪種放大電路更好？ 同相放大電路同相放大電路 反相放大電路反相放大電路當當R2 R3時，時，（1）試證明）試證明Vs( R3R1/R2 ) Im 解（解（1）根據虛短和虛斷有）根據虛短和虛斷有Ii =0 Vp = Vn =0例例2.3.3直流毫伏表電路直流毫伏表電路（2）R1R2150k

11、，R31k ，輸入信號電壓輸入信號電壓Vs100mV時，通過時，通過毫伏表的電流毫伏表的電流Im(max)？ 所以所以 I2 = Is = Vs / R1 R2和和R3相當于并聯(lián)，所以相當于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - Im )得得1s332mRVRRRI)( 當當R2 R3時，時，Vs( R3R1/R2 ) Im （2）代入數據計算即可）代入數據計算即可（指針偏轉角度與（指針偏轉角度與Im是線性關系）是線性關系） 2.4 同相輸入和反相輸入同相輸入和反相輸入放大電路的其他應用放大電路的其他應用2.4.1 求差電路求差電路2.4.2 儀用放大器儀用放大器2.4.3 求和電路求和電

12、路2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路2.4.1 求差電路求差電路 從結構上看，它是反相從結構上看，它是反相輸入和同相輸入相結合的放輸入和同相輸入相結合的放大電路。大電路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(當當,2314RRRR 則則)(i1i214ovvRRv 若繼續(xù)有若繼續(xù)有,14RR 則則i1i2ovvv 根據根據虛短虛短、虛斷虛斷和和N N、P P點的點的KCLKCL得：得：pnvv 從放大器角度看從放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 時時2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益為

13、增益為（該電路也稱為差分電路或減法電路）（該電路也稱為差分電路或減法電路）當當差模輸入電阻差模輸入電阻時時2314RRRR 當當i1i2idvvv )( -)(41ido32ididRRiRRi vv2idpRi v4idonRi vvnpvv 21idididRRiR v此時有此時有4132idiiiii 輸入電阻較小輸入電阻較小一種高輸入電阻的差分電路一種高輸入電阻的差分電路如何提高輸入電阻？如何提高輸入電阻？ + - - i2 i3 P N R2 R3 R1 R4 vo i1 i4 vp vn vi2 vi1 vi1 A1 vi2 A2 A32.4.2 儀用放大器儀用放大器)21(123

14、421ORRRRA vvvv2.4.3 求和電路求和電路1ni1-Rvv3on-Rvv 根據根據虛短虛短、虛斷虛斷和和N N點點的的KCLKCL得：得：2i231 i13o-vRRvRRv 321RRR 若若0pn vv2ni2-Rvv 則有則有2i1 io-vvv 輸出再接一級反相電路輸出再接一級反相電路2i1 iovvv 可得可得（該電路也稱為加法電路）（該電路也稱為加法電路）2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路1. 1. 積分電路積分電路式中，負號表示式中，負號表示vo與與vi在相位上是相反的。在相位上是相反的。根據根據“虛短虛短”，得，得根據根據“虛斷虛斷”，得，得0pn

15、vv0i i因此因此Rviii12 電容器被充電，其充電電流為電容器被充電，其充電電流為2i設電容器設電容器C的初始電壓為零，則的初始電壓為零，則 tRCtiCd1d1i2onvvv tvRCvd1io（積分運算）（積分運算）當當vi為階躍電壓時，有為階躍電壓時，有vo與與 t 成線性關系成線性關系 tvRCvd1iotRCVi tV i 與一般與一般RC電路相比該積電路相比該積分電路有何特點？分電路有何特點？ C i vi R vo 例例: :畫出在畫出在給定輸入波形給定輸入波形作用下積分器作用下積分器的輸出波形。的輸出波形。(a) 階躍輸入信號階躍輸入信號(b)方波輸入信號方波輸入信號積分

16、器的輸入和輸出波形積分器的輸入和輸出波形2. 2. 微分電路微分電路tvRCvddio end例：例：設計一個加減運算電路，設計一個加減運算電路， RF=240k ，使使vo=10vi1+ 8vi2 20vi3解解:(1) 畫電路。畫電路。系數為負的信系數為負的信號從反相端輸號從反相端輸入，系數為正入，系數為正的信號從同相的信號從同相端輸入。端輸入。(2) 求各電阻值。求各電阻值。FRRRRR/3421)(332211RvRvRvRviiiFok240FRvo=10vi1+ 8vi2 20vi3k241Rk302Rk123Rk804R優(yōu)點：優(yōu)點：元件少，成本低。元件少，成本低。)(443322115RvRvRvRvRviiiio缺點：缺點：要求要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的調整計算不。阻值的調整計算不方便。方便。單運放的加減運算電路單運放的加減運算電路改進：改進：采用雙運放電路。采用雙運放電路。 例：例：A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現，現有信號變化范圍為有信號變化范圍為-5V+5V。試設計一電平抬高。試設計一電平抬高