第2章运算放大器电路

1、(4-1)2.1 集成运算放大器集成运算放大器2.2 理想运算放大器理想运算放大器2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2.4 同相输入和反相输入放大同相输入和反相输入放大 电路的其他应用电路的其他应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” “仪表放大仪表放大”“积分积分” “微分微分”(4-2)运算放大器运算放大器 集成集成作用作用: : 放大、运算。放大、运算。 （需附加电路来实现）（需附加电路来实现） 它既可用作放大器来放大电信号，还能完成比例，加法，它既可用作放大器来放大电信号，还能完成比例，加法，积分，微分等数学运算，其名即由此而来。积分，微分等数学运算，其名即

2、由此而来。它在实际中广泛应用于自动控制、精密测量、通信、信号它在实际中广泛应用于自动控制、精密测量、通信、信号处理等电子技术应用领域处理等电子技术应用领域 。、多端、多端、有源电路元件、有源电路元件采用专门的制造工艺，将元器件及连线组成采用专门的制造工艺，将元器件及连线组成的完整电路制作在一块半导体基片上，并完成特定的功的完整电路制作在一块半导体基片上，并完成特定的功能的能的。什么是运算放大器？什么是运算放大器？2.1 集成运放电路集成运放电路(4-3)1、集成运放电路的组成及符号、集成运放电路的组成及符号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2.1

3、集成运放电路集成运放电路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。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。(4-4)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。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通常运算放大器有通常运算放大器有5 5个引出端：正电源端，负电源端，同相输入个引出端：正电源端，负电源端，同相输入端，反相输入端，输出端端，反相输入端，输出端, ,还有公共端通常称为还有公共端通常称为“地地”(4-5)等效电路等效电路

4、接地端接地端a a端端 反相输入端反相输入端b b端端 同相输入端同相输入端o o端端 输输 出出 端端RiR Ri i 输入电阻输入电阻RoR Ro o 输出电阻输出电阻A A 开环电压放大系数开环电压放大系数 2 2集成运算放大器的模型集成运算放大器的模型(4-6)输入电阻，反映了集成运放输入端向输入信号源索输入电阻，反映了集成运放输入端向输入信号源索取电流的能力，要求它愈大愈好；取电流的能力，要求它愈大愈好；输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的带输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的带负载能力要求它愈小愈好；负载能力要求它愈小愈好；A A 愈大愈好愈大愈好2 2集成运算放大

5、器的模型集成运算放大器的模型(4-7)2 2集成运算放大器的模型集成运算放大器的模型v vidid = = v vi i+ + - - v vi i- -：差模输入电压；：差模输入电压；A Auouo：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；R Ri i：集成运放的输入电阻；：集成运放的输入电阻；R Ro o：集成运放的输出电阻。：集成运放的输出电阻。(4-8)3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线性放大区：线性放大区：vo = = Auo(ui+ + - - ui- -) = Auovid限幅区：限幅区：uo = = VCC 或或 VEE，vid 可以

6、较大，不再可以较大，不再“虚短路虚短路”。(4-9)+-=iiiduuu反相电压传输特性反相电压传输特性(4-10)Ri Ro0Avo KCMR0漂移漂移0理理想想化化“虚断虚断”“虚短虚短”“虚短虚短”：Auo vid 0“虚断虚断”： Ii+= Ii-=02.22.2理想运算放大器理想运算放大器(4-11) 比例运算电路比例运算电路 y=ay=an nx xn n 积分电路积分电路 微分电路微分电路 减法电路减法电路 y=ay=an nx xn n bbn nx xn n 加法电路加法电路 y=ay=an nx xn n2.3 2.3 基本线性运算电路基本线性运算电路(4-12)含运算放大

7、器电路分析的方法含运算放大器电路分析的方法 节点法、回路法节点法、回路法 虚断、虚短概念虚断、虚短概念(4-13)作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：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：引入深度电压负反馈。这样输出电压与运放的开环放引入深度电压负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。1. 1. 比例运算电路比例运算电路(4-14)0=-+uui1= i221RuRuoi-=121RRuuAou-=uo_+ + R2R1RPuii1i21. 1. 放大倍数放大倍数虚短虚短

8、虚断虚断结构特点：结构特点：负反馈引到反相输入端，负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。信号从反相端输入。（1 1）反相比例运算电路）反相比例运算电路(4-15)1. 1. 比例运算电路比例运算电路vIvO- -+RfR1AvNvPR2电压并联负反馈电压并联负反馈0PN= = = vv（1 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fON1NIRvvRvv- -= =- -I1fOvRRv- -= = 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RP =R1 / Rf(4-16)平衡电阻

9、平衡电阻 R RN N与与R RP PR RN N、R RP P：令令v vi i和和v vo o为零，为零，分别分别指从指从N N（）或（）或P P（）端到地（）端到地之间的直流电阻。之间的直流电阻。R2RfR1vS2vS1vO+RpRNR3(4-17)1. 1. 比例运算电路比例运算电路IPNvvv= = =（2 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fON1N0RvvRv- -= =- -I1fO)1(vRRv+ += = 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电压跟随器电

10、压跟随器IOvv = =_+ + R2R1RPuiuo(4-18)2. 2. 加法电路加法电路( (反相反相) )1NS1-RvvfON-Rvv= = 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N点点的的KCLKCL得：得：2S2f1S1fO-vRRvRRv+ += =f21RRR= = =若若0PN= = = vv2NS2-Rvv+ +R2RfR1vS2vS1iIvONP+Rp则有则有2S1SO-vvv+ += =（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R2RfR1vS2vS1iIvO1NP+RRvO+2S1SOvvv+ += =可得可得特点：比例系数调节方便。特点：比例系数

11、调节方便。(4-19)2. 2. 加法电路（同相）加法电路（同相）1NS1-Rvv0= 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N点点的的KCLKCL得：得：)()(22S11S21fO1RvRvRRRRv+=RRRvvvf+=oNP2NS2-Rvv+（加法运算）（加法运算）缺点：比例系数调节不方便。缺点：比例系数调节不方便。fONOfRRRvvvvF+=RRRRRRfNp若=)(21)( 22S11SfRvRvRvo+=则有反馈系数反馈系数R2RfR1vS2vS1vONP+R(4-20)2. 2. 加法电路（同相）加法电路（同相）1NS1-RvvNRv= 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N点点的

12、的KCLKCL得：得：)()(1(22S11S21fORvRvRRRRRv+=RRRvvvf+=oNP2NS2-Rvv+（加法运算）（加法运算）RRRRRRRfNp若=) (21)( 22S11SfRvRvRvo+=则有缺点：比例系数调节不方便。缺点：比例系数调节不方便。R2RfR1vS2vS1vONP+RR(4-21)3. 3. 减法电路减法电路反相加法反相加法= =OvS22va-O11va-（1 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= =Ov即即S110vaa S22va-= =O1vS10va-反相比例反相比例(4-22)3. 3. 减法电路减法电路= =

13、O1vS111fvRR- -第一级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= =OvS222fvRR- -O122fvRR- -（1 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= =Ov即即S111f22fvRRRR S222fvRR- -当当 时时22f11f RRRR= = =，得得2S1SOvvv- -= =（减法运算）（减法运算）(4-23)（2 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vIvO- -+RfR1AvNvPR2I1fOvRRv- -= =R1RfN+PvIvOI1fO)1(vRRv+ += =(4-24) 从结构上看

14、，它是反相从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放输入和同相输入相结合的放大电路。大电路。fON1NS1RvvRvv- -= =- -（2 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3P2PS20RvRvv- -= =- -S11fS23231f1O)(vRRvRRRRRRv- -+ + += =当当,231fRRRR= =则则)(S1S21fOvvRRv- -= =若继续有若继续有,1fRR = =则则S1S2Ovvv- -= = 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N、P P点的点的KCLKCL得：得：PNvv = =(4-25)积分和微分电路基础积分和微分电路基础C

15、d1vtiCC=RviC/i=tdvCiCdC=ovRiC=(4-26)u= u+= 0RuioF-=tuCiidd1=Fii =1tuRCuiodd-=uit0t0uou i+uoRR2i1iFCtuisin=若输入：若输入：则：则：)90sin(cos-=-=tRCtRCuo4 4、微分运算、微分运算(4-27)i1iFtui0Ruii=1sC1oFui-=iousRC1u-=tuo0输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。ui-+RR2Cuo5 5、积分运算、积分运算应用举例应用举例1 1：-=tioduRC1tu )()(4-28)uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+6 6、仪表放大器、仪表放大器(4-29)1 iauu =2ibuu =WbaWooRuuRRuu-=+-221WiiRuu21-=-12oouu)(212iiWWuuRRR-+uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短：虚短：虚断：虚断：(4-30)(21212iiWWouuRRRRRu-+= 三运放电路是差三运放电路是差动放大器，放大动放大器，放大倍数可变。倍数可变。 由于输入均在同由于输入均在同相端，