模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-02運(yùn)算放大器

1、12.1 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(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電同相輸入和反相輸入放大電 路的其他應(yīng)用路的其他應(yīng)用2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34集成電路是將半導(dǎo)體三極管、二極管、電阻等元件及連線集成電路是將半導(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)完整的固全部集中制造在同一小塊半導(dǎo)體基片上，成為

2、一個(gè)完整的固體電路。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(kāi)辟了一個(gè)新的時(shí)代。技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)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。導(dǎo)線連接成的電路稱為分立元件電路。5運(yùn)放概述運(yùn)放概述線性線性非線性非線性乘除乘除對(duì)指數(shù)對(duì)指數(shù) 信號(hào)運(yùn)算電路比例比例微積分微積分加減加減 運(yùn)放的基本應(yīng)用運(yùn)放的基本應(yīng)用 信號(hào)發(fā)生電路（信號(hào)振蕩器）信

3、號(hào)發(fā)生電路（信號(hào)振蕩器）信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路比較器比較器有源濾波器有源濾波器 集成運(yùn)算放大器是基于集成工藝的集成運(yùn)算放大器是基于集成工藝的直接耦合直接耦合多級(jí)放大電路。多級(jí)放大電路。運(yùn)算運(yùn)算處理處理發(fā)生發(fā)生6模擬運(yùn)放分類模擬運(yùn)放分類7集成電路內(nèi)部原理圖集成電路內(nèi)部原理圖82.1 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖圖2.1.1 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖正負(fù)雙電源供電。正負(fù)雙電源供電。同相反相雙輸入端同相反相雙輸入端三級(jí)（多級(jí)）放大三級(jí)（多級(jí)）放大總放大倍數(shù)為三級(jí)放大倍數(shù)之積總放大倍數(shù)為三

4、級(jí)放大倍數(shù)之積最后一級(jí)為功放，電壓放大倍數(shù)為最后一級(jí)為功放，電壓放大倍數(shù)為1。單一輸出端單一輸出端92.1 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖圖2.1.1 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖集成運(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)三級(jí)放大的特點(diǎn)10小知識(shí)點(diǎn)：負(fù)載和帶負(fù)載能力小知識(shí)點(diǎn)：負(fù)載和帶負(fù)載能力/驅(qū)動(dòng)能力？驅(qū)動(dòng)能力？帶負(fù)載能力：帶負(fù)載能力：負(fù)載：負(fù)載：電壓輸出型電路，輸入

5、一定，傳遞函數(shù)一定，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，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：電阻小負(fù)載大：電阻大負(fù)載大：電阻大吸收一定功率的電路吸收一定功率的電路電路提供功率的能力電路提供功率的能力112.1 集成電路運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器1. 集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖圖2.1.2 運(yùn)算放大器的代表符號(hào)運(yùn)算放大器

6、的代表符號(hào)（a）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào) （b）國(guó)內(nèi)外常用符號(hào)）國(guó)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。兩個(gè)輸入端：同相輸入端和反相輸入端。標(biāo)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；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)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。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。直流如何反相直流如何反相122. 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型圖圖2.1.3 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型注意受控源注意受控源受控于誰(shuí)？受控于誰(shuí)？受控于輸入

7、之差值受控于輸入之差值正負(fù)電源供電正負(fù)電源供電也可以單正電源工作也可以單正電源工作132. 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型圖圖2.1.3 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型n 開(kāi)環(huán)電壓增益開(kāi)環(huán)電壓增益 Avo105 （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 ） F輸出電壓最大值為多少？輸出電壓最大值為多少？F輸出電壓不能越過(guò)電源電壓輸出電壓不能越過(guò)電源電壓FAvo很高是一個(gè)不穩(wěn)定的因素很高是一個(gè)不穩(wěn)定的因素-后將引入穩(wěn)定措施后將引入穩(wěn)定措施主要參數(shù)：主要參數(shù)：1

8、42. 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V 時(shí)時(shí) vO V當(dāng)當(dāng)Avo(vPvN) V- -時(shí)時(shí) vO V- -電壓傳輸特性電壓傳輸特性 vO f (vPvN)線性范圍內(nèi)線性范圍內(nèi) vOAvo(vPvN)Avo是線性部分的斜率，是線性部分的斜率，非常陡峭非常陡峭微小的輸入會(huì)：微小的輸入會(huì)： 導(dǎo)致飽和導(dǎo)致飽和Rail To Rail一般比電源電壓小一般比電源電壓小12V15例題2.1.1表示0.06毫伏信號(hào)放大20萬(wàn)倍達(dá)到12V特性很抖運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)電壓很大且是固定值運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)電壓很大且是固定值本例中輸入信號(hào)只能小于本例中輸入信號(hào)只能小于0.06毫伏放大倍數(shù)有可

9、變的需要放大倍數(shù)有可變的需要太大的放大倍數(shù)不穩(wěn)定，需要太大的放大倍數(shù)不穩(wěn)定，需要有穩(wěn)定措施有穩(wěn)定措施只能放大微弱只能放大微弱信號(hào)信號(hào)162.2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器1. vO的飽和極限值等于運(yùn)放的飽和極限值等于運(yùn)放的電源電壓的電源電壓V和和V 2. 運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益很高運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益很高 若（若（vPvN）0 則則 vO= +Vom=V 若（若（vPvN）0 則則 vO= Vom=V 3. 若若V vO R3時(shí)，時(shí)，（1）試證明）試證明VS( R3R1/R2 ) IM 解解:（1）根據(jù)虛斷有）根據(jù)虛斷有 II =0所以所以 I2 = IS = VS / R1 例例2.3.3直流毫

10、伏表電路直流毫伏表電路（2）R1R2150k ，R31k ，輸入信號(hào)電壓輸入信號(hào)電壓VS100mV時(shí)，通過(guò)時(shí)，通過(guò)毫伏表的最大電流毫伏表的最大電流IM(max)？ 又又根據(jù)虛短有根據(jù)虛短有 VP = VN =0R2和和R3相當(dāng)于并聯(lián)，所以相當(dāng)于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - - IM )所以所以1S332M)(RVRRRI 當(dāng)當(dāng)R2 R3時(shí)，時(shí)，VS( R3R1/R2 ) IM （2）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可）代入數(shù)據(jù)計(jì)算即可end與儀表動(dòng)圈內(nèi)阻無(wú)關(guān)Vs只與IM有關(guān)，電阻為比例系數(shù)同流同流同同壓壓同壓同壓35運(yùn)算放大器電路分析的關(guān)鍵：運(yùn)算放大器電路分析的關(guān)鍵：符合理想運(yùn)算放大器的條件符合理

11、想運(yùn)算放大器的條件使用使用“虛短虛短”“”“虛斷虛斷”簡(jiǎn)化電路再分析結(jié)果簡(jiǎn)化電路再分析結(jié)果362.4 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(yīng)用放大電路的其他應(yīng)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 求和電路求和電路2.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路372.4.1 求差電路求差電路(差分電路）（差分電路）（單極單極，雙極雙極） 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。（特點(diǎn)：路。（特點(diǎn)：? ?信號(hào)無(wú)地信號(hào)無(wú)地）4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2

12、323141ovRRvRRRRRRv )(當(dāng)當(dāng),2314RRRR 則則)(i1i214ovvRRv 若繼續(xù)有若繼續(xù)有,14RR 則則i1i2ovvv 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 能用反相輸入和同相輸入疊加求出結(jié)果嗎？能用反相輸入和同相輸入疊加求出結(jié)果嗎？上下支路電上下支路電流各相等流各相等382.4.1 求差電路求差電路從放大器角度看從放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 時(shí)，時(shí)，2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益為增益為（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）392.4.1 求差電路求差

13、電路輸入電阻：輸入電阻：i2i1122ivvRRi時(shí)，時(shí)，12RRi2i1221121()2vvi Ri Ri R 輸入電壓為：輸入電壓為：根據(jù)虛短和虛斷的概念有根據(jù)虛短和虛斷的概念有 vpvn， ii021ii 當(dāng)R4=R3，輸入電阻有限受反相端影響？受反相端影響？402.4.1 求差電路求差電路一種高輸入電阻的差分電路一種高輸入電阻的差分電路21111R(1)Roivv222221211221R(1)RooiRRvvvRR 2222222222R(1)()RoiRvvRR222ooovvv121RR222212(2)oiiRvvvR輸入加同相放大改善輸入電阻？Ri=？應(yīng)用疊加法！應(yīng)用疊加法

14、！412.4.2 儀用放大器儀用放大器)21(123421ORRRRA vvvv112Rvvv113421/()/(2)RvRvvRR121234121122(1)()RRRRvvvvvRR44234123312()(1)()oRRRvvvvvRRR 雙同相輸入再差分：雙同相輸入再差分：12RRii由由422.4.2 儀用放大器儀用放大器)21(123421ORRRRA vvvv2311R1+)R /2vv （2341212(1)()RvvvvR44234123312()(1)()oRRRvvvvvRRR 另一求法：另一求法：對(duì)稱電路，將對(duì)稱電路，將R1從從中斷開(kāi)成兩個(gè)中斷開(kāi)成兩個(gè)R1/2,中

15、點(diǎn)為參考點(diǎn)中點(diǎn)為參考點(diǎn)2421R1+)R /2vv （得：得：432.4.3 求和電路求和電路1ni1Rvv - -3onRvv - 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：2i231i13ovvvRRRR - -321RRR 若若0pn vv2ni2Rvv - - 則有則有2i1iovvv - -（該電路也稱為加法電路）（該電路也稱為加法電路）也可以用疊加原理也可以用疊加原理最好不要用于做題只用于驗(yàn)證最好不要用于做題只用于驗(yàn)證44 減法電路減法電路 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

16、 （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）（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)算反一次為負(fù)反兩次為正反一次為負(fù)反兩次為正452.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路1. 積分電路積分電路式中，負(fù)號(hào)表示式中，負(fù)號(hào)表示vO與與vI在相位上是相反的。在相位上是相反的。根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”，得得根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”，得得0N v0I i因此因此RiiI12v 電容器被充電，其充電電流為電容器被充電，其充電

17、電流為2i設(shè)電容器設(shè)電容器C的初始電壓為零，則的初始電壓為零，則 tRCtiCd1d1I2ONvvv tRCd1IOvv（積分運(yùn)算）（積分運(yùn)算）462.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路當(dāng)當(dāng)vI I為階躍電壓時(shí)，有為階躍電壓時(shí)，有vO與與 t 成線性關(guān)系成線性關(guān)系 tRCd1IOvvtRCVI tV I1. 積分電路積分電路在t1時(shí)刻Vi為零，Vo=？47應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：tui0tuo01、輸入方波，輸出、輸入方波，輸出是三角波。（波形轉(zhuǎn)是三角波。（波形轉(zhuǎn)換）換）482.4.4 積分電路和微分電路積分電路和微分電路2. 微分電路微分電路tRCddIOvv enduoiR 1iduiCdt1ii49tsinui 若輸入：若輸入：則：則：)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo050指數(shù)和對(duì)數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)和對(duì)數(shù)運(yùn)算電路( 略）略）)exp(TDSDVvIi 1RviID)exp