模电第5章 运算放大器的基本应用电路

1、(4-1)5 5.1 .1 集成运算放大器集成运算放大器基本概念基本概念5 5.2 .2 基本线性运放电路基本线性运放电路5 5. .5 5 积分器和微分器积分器和微分器5 5. .6 6 对数和指数放大器对数和指数放大器5 5. .7 7 集成运放的其集成运放的其他应用他应用5 5. .4 4 仪表放大器仪表放大器5 5. .3 3 加法器和减法器加法器和减法器(4-2)1、集成运放电路的组成、集成运放电路的组成电流源电路电流源电路差分放大电路差分放大电路共射放大电路共射放大电路功率级功率级5.1 集成运放电路集成运放电路 基本概念基本概念集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器

2、。集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器。(4-3)同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。2、集成运算放大器的符号、集成运算放大器的符号国家标准国家标准常用常用(4-4)3、集成运算放大器的模型、集成运算放大器的模型uid = = ui+ + - - ui- -：差模输入电压；：差模输入电压；Auo：集成运放的开环电压放大倍数；：集成运放的开环电压放大倍数；Ri：集成运放的输入电阻；：集成运放的输入电阻；Ro：集成运放的输出电阻。：集成运放的输出电阻。(4-5

3、)4、集成运算放大器的电压传输特性、集成运算放大器的电压传输特性1、线性放大区：线性放大区：uo = = Auo(ui+ + - - ui- -) = Auouid2、限幅区：限幅区：uo = = UCC (UOH )或或 UEE (UOL ) ， uid 可以较大，不再可以较大，不再“虚短路虚短路”。同相电压传输特性同相电压传输特性反相电压传输特性反相电压传输特性(4-6)5、理想运算放大器理想运算放大器Ri Ro0Auo KCMR 漂移漂移0理想化“虚断虚断”“虚短虚短”“虚短虚短”：Auo vid 0“虚断虚断”： Ii+= Ii-=0(4-7)5.2 基本运算电路基本运算电路比例运算电

4、路比例运算电路 y=anxn1加法电路加法电路 y=anxn2减法电路减法电路 y=anxn bnxn3仪表放大器仪表放大器4(4-8)1. 比例运算电路比例运算电路 uI uO - - + Rf R1 A uN uP R2 电压并联负反馈电压并联负反馈NP0uu=（1）反相比例运算电路反相比例运算电路利用虚短和虚断得利用虚短和虚断得INNO1fuuuuRR-=fOI1RuuR= - 运算放大器输入端无共模信号运算放大器输入端无共模信号 运算电路输入电阻较小运算电路输入电阻较小输出与输入反相输出与输入反相(4-9)(4-10)1. 比例运算电路比例运算电路 uI uO - - + Rf R1

5、A uN uP 电压串联负反馈电压串联负反馈NPIuuu=（2）同相比例运算电路同相比例运算电路利用虚短和虚断得利用虚短和虚断得NNO1f0uuuRR-=fOI1(1)RuuR=+ 运算放大器输入端有共模信号运算放大器输入端有共模信号 运算电路输入电阻很大运算电路输入电阻很大输出与输入同相输出与输入同相 uI uO - - + A uN uP 电压跟随器电压跟随器OIuu=(4-11)5.3 加法电路和减法器加法电路和减法器(反相反相)S1N1-uuRNOf-uuR= 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N点的点的KCL得：得：ffOS1S212-RRuuuRR=+f21RRR= = =若若NP0u

6、u=S2N2-uuR+ R2 Rf R1 uS2 uS1 iI uO N P + Rp 则有则有OS1S2 -uuu=+（加法运算）（加法运算）输出再接一级反相电路输出再接一级反相电路 R2 Rf R1 uS2 uS1 iI uO1 N P + R R uO + OS 1S 2uuu=+可得可得特点：比例系数调节方便。特点：比例系数调节方便。1 1）反相加法器反相加法器(4-12)S1N1-uuR0= 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N点点的的KCL得：得：S1S2fO1212(1)()()uuRuRRRRR=+PNofRuuuRR=+S2N2-uuR+（加法运算）（加法运算）缺点：比例系数调节

7、不方便。缺点：比例系数调节不方便。NfOOfuuRFuuRR=+RRRRRRfNp若=)(21S1S2f12 ()ouuuRRR=+则有反馈系数反馈系数 R2 Rf R1 uS2 uS1 uO N P + R 2 2）同相加法器同相加法器(4-13)S1N1-uuRNuR= 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N点点的的KCL得：得：S1S2fO1212(1)()()uuRuRRRRRR=+PNofRuuuRR=+S2N2-uuR+（加法运算）（加法运算）RRRRRRRfNp若=) (21S1S2f12 ()ouuvRRR=+则有缺点：比例系数调节不方便。缺点：比例系数调节不方便。 R2 Rf R1

8、 uS2 uS1 uO N P + R R 2 2）同相加法器同相加法器(4-14)平衡电阻平衡电阻 RN与与RPRN、RP：令令ui和和uo为零，为零，分别分别指从指从N（）或（）或P（）端到地（）端到地之间的直流电阻。之间的直流电阻。 R2 Rf R1 uS2 uS1 uO + Rp RN R3 (4-15)3. 减法电路减法电路反相加法反相加法Ou =2S2a u-1O1au-（1）利用反相信号求和以实现减法运算）利用反相信号求和以实现减法运算Ou =即即01 S1aau2S2a u-O1u=0S1a u-反相比例反相比例(4-16)3. 减法电路减法电路O1u=f1S11RuR-第一级

9、反相比例第一级反相比例第二级反相加法第二级反相加法Ou=f 2S22RuR-f 2O12RuR-（1）利用反相信号求和以实现减法运算）利用反相信号求和以实现减法运算Ou=即即f 2f1S121RRuRRf 2S22RuR-当当 时时22f11f RRRR= = =，得得OS1S2uuu=-（减法运算）（减法运算）(4-17)（2）利用差分式电路以实现减法运算）利用差分式电路以实现减法运算334oi1i212411RRRuuuRRRR=+-+1234,3i1i21()RRRRRuuR=-fO2I21RuuR= -fO1+1(1)RuuR=+(4-18) 从结构上看，它是反相输从结构上看，它是反相

10、输入和同相输入相结合的放大入和同相输入相结合的放大电路。电路。i2NNO1fuuuuRR-=（2）利用差分式电路以实现减法运算）利用差分式电路以实现减法运算i1PP230uuuRR-=31ffOi1i21231()()RRRRuuuRRRR+=-+当当,231fRRRR= =则则fOi1i21()RuuuR=-若继续有若继续有,1fRR = =则则Oi1i2uuu=- 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N、P点的点的KCL得：得：NPuu=i2i1uu-NP(4-19)5.4 仪表放大器仪表放大器)RR(RRuuuAGiiuf12321021+ += =- -= =(4-20)根据虚短路虚开路的原

11、则，对A1、A2有： 111222oiiiiofWWfuuuuuuRa RR-=121221()fooiiWWRuuuua R-=+-2121()ooORuuuR= -212121()foiiWWRRuuuRa R= -+-(4-21)测量放大器测量放大器特点：(1) 输入电阻极高。(2) 共模抑制比极高。 (3) 增益调节方便。 输入级A1、A2均为同相输入 对称性好，可有效抑制共模信号，大大减小外部感应噪声的影响；212121()foiiWWRRuuuRa R= -+-(4-22)高输入阻抗桥式检测放大器 测量放大器测量放大器应用：122 24RRiiRUUUURR-=+-=WWfRoRa

12、RRURU21412(4-23)增益可调电路增益可调电路)RR(RRuuuAGiiuf12321021+ += =- -= =INA118精密低功率仪表放大器精密低功率仪表放大器(4-25)C1dCuitC=i/CoiuuR=-iRouuu=-outi/CiuR=5.5 积分器和微分器积分器和微分器(4-26)式中，负号表示式中，负号表示vO与与vS在相位上是相反的。在相位上是相反的。根据根据“虚短虚短”，得得根据根据“虚断虚断”，得得0PN= = = vv-+0ii=即即0I= =v因此因此RviiS12= = =电容器被充电，其充电电流为电容器被充电，其充电电流为2i设电容器设电容器C的初

13、始电压为零，则的初始电压为零，则=tRvCtiCvd1d1S2O - -= =tvRCvd1SO（积分运算）（积分运算）2i1i5.5 积分器和微分器积分器和微分器(4-27) 当当uS为阶跃电压时，为阶跃电压时，有有1） 积分电路积分电路uO与与 t 成线性关系成线性关系Oi1uu dtRC= -SUtRC= -iUt= -uouiuiuo(4-28)2）. 微分电路微分电路iOdduuRCt= -Ouiu(4-29)11221211Cj/RCjRZZ)j(u)j(u)j(Aiouf + +- -= =- -= = =【例例0】(4-30)【例例1】(4-31)【例例 2】(4-32)例例3

14、 3：在下图所示电路中，写出输出电压在下图所示电路中，写出输出电压u uO O与输入电流与输入电流i i1 1和和 i i2 2之间的关系式。之间的关系式。o1o112()uuiRR= -+o1o213()uuiRR= -+ooouRRRRRuRuii32323221-=+-=-)ii (RRRRu213232-=o (4-33) 例例4 4：如图所示。运放：如图所示。运放A A1 1和和 A A2 2为理想运放。试求：为理想运放。试求：)()()(Io1sususA. 11=)()()(IosususA. 2=o1I111uuRRj C= -+o111I1( )( )1( )usRA su

15、sRj C= -+o11HI( )1( )( )1usA su sj= -解：解：1.H11RC=(4-34) 2. uo= - (uI+uo1)1II1()1RuuRj C= -+oIH( )1( )( )1u sA su sj= -+H11RC=其中其中(4-35)2MI1 RuuR= -I342142O)1 (uRRRRRRu+-=i1243100k100100kRRRRR=-=若要求，则？若比例系数为，则？I211uiiR=OM234()uuii R=-+M33 uiR=例例5： T 型反馈网络反相比例运算电路型反馈网络反相比例运算电路(4-36)例例6 输入电阻自举扩展电路 211o

16、uiURAUR= -11222ouoURAUR= -121i212UoRRURR= -iiiURI=11iioiUUUURR=-1iUII=-11RRRR=-12iiiiUUUURR=-2iU=1A2A(4-37)例例7(4-38)(4-39)例例8(4-40)(4-41)1） 电压一电流变换电压一电流变换(V-I)和电流一电压变换和电流一电压变换(I-V)（1） V-I变换器变换器2RuIiL- -= =负载电流负载电流 与负载与负载 无关，而与输入信号无关，而与输入信号 成正比成正比iuLZLI5.7 集成运放的其集成运放的其他应用他应用23()oLuUUIRR+-=-411414ioR uRuURRRR-=+1324R RR R=(4-42)42（2） I-V变换器变换器(4-43)432） 对数、反对数放大器及乘除器对数、反对数放大器及乘除器（1） 对数运算器对数运算器CoBESlnTiuuUI= -= -iC1uiiR=ioSlnTuuUI R= -C2C1BE2BE1S2S1C2S2C1S1lnln lnATTTiiuuuUUIIiIUiI=-=-=3o23CC1