含有运算放大器的电阻电路ppt课件

1、第第5 5章章 含有运算放大器的电阻电路含有运算放大器的电阻电路 重点：重点：1. 1. 了解运算放大器的电路模型；了解运算放大器的电路模型； 3. 3. 熟练运用含运算放大器的电路的分析方法。熟练运用含运算放大器的电路的分析方法。2. 2. 熟练掌握理想运算放大器的运算规那么；熟练掌握理想运算放大器的运算规那么；5.1 5.1 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型 5.2 5.2 比例电路的分析比例电路的分析5.3 5.3 含有理想运算放大器的电路的分析含有理想运算放大器的电路的分析5. 1 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型运算放大器运算放大器(operational ampli

2、fier)：运算放大器简称运放是一种包含许多晶体管的集成电运算放大器简称运放是一种包含许多晶体管的集成电路，它是目前获得广泛运用的一种多端器件。普通放大器的作路，它是目前获得广泛运用的一种多端器件。普通放大器的作用是把输入电压放大一定倍数后再保送出去，其输出电压与输用是把输入电压放大一定倍数后再保送出去，其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。它可用来放大直入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。它可用来放大直流和频率不太高的交流信号。流和频率不太高的交流信号。运算放大器是一种高增益可达十几万倍甚至更高、高运算放大器是一种高增益可达十几万倍甚至更高、高输入电阻、低输出电阻的放大器

3、。由于它能完成加法、减法、输入电阻、低输出电阻的放大器。由于它能完成加法、减法、积分、微分等数学运算，因此被称为运算放大器。积分、微分等数学运算，因此被称为运算放大器。1. 电路符号电路符号+_ududuuuo_+A+abo地地EE运放有两个输入端运放有两个输入端a、b和一个输出端和一个输出端o。电源。电源端子端子E 和和E 衔接直衔接直流偏置电压，以维持运流偏置电压，以维持运放内部晶体管正常任务。放内部晶体管正常任务。 E端接正电压，端接正电压，E接负电压，这里电压的正负是对接负电压，这里电压的正负是对“地地或公共端而言的。在分析运放的放大作用时可以不思索偏置电或公共端而言的。在分析运放的放

4、大作用时可以不思索偏置电源，可采用下页所示的运放电路符号。但应记住偏置电源是存源，可采用下页所示的运放电路符号。但应记住偏置电源是存在的。在的。A：表示运放的开环电压放大倍数，可达十几万倍。：表示运放的开环电压放大倍数，可达十几万倍。 ：运放电路符号中的：运放电路符号中的“三角形符号表示运放具有三角形符号表示运放具有“一方一方向性质向性质(图中图中 图形符号就代表这种性质图形符号就代表这种性质)。+_+uu+_uoao+_udud_+A+b各端点上的电压参考方向如下图，每各端点上的电压参考方向如下图，每一端点均为对地的电压，在接地端未一端点均为对地的电压，在接地端未画出时尤须留意。画出时尤须留

5、意。实践运放均有电源端，而这些端子实践运放均有电源端，而这些端子在电路符号图中不画出，经常只画在电路符号图中不画出，经常只画有有a端、端、b端、端、o端以及公共端。端以及公共端。a端称为倒向输入端也称反向输入端：当输入电压端称为倒向输入端也称反向输入端：当输入电压 u加加在在a端与公共端之间，且其实践方向从端与公共端之间，且其实践方向从a端指向公共端时，输端指向公共端时，输出电压出电压u0实践方向那么自公共端指向实践方向那么自公共端指向o端，即两者的实践方向端，即两者的实践方向相对公共端正好相反。相对公共端正好相反。b端称为非倒向输入端也称同向输入端：当输入电压端称为非倒向输入端也称同向输入端

6、：当输入电压 u加在加在b端与公共端之间，且其实践方向从端与公共端之间，且其实践方向从b端指向公共端时，端指向公共端时，输出电压输出电压u0实践方向那么自实践方向那么自o端指向公共端，即两者的实践方端指向公共端，即两者的实践方向相对公共端正好一样。向相对公共端正好一样。+_+uu+_uoao+_udud_+A+b为了区别起见，为了区别起见，a端和端和b端分别用端分别用“-号号 和和 “+号标出，如下图，号标出，如下图，但不要将它们误以为电压参考方但不要将它们误以为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。应另外标出或用箭头表示。假设在假设在a端和

7、端和b端分别同时加输入电压端分别同时加输入电压u和和u，那么，那么有有 其中其中uduu，运放的这种输入情况称为差动输，运放的这种输入情况称为差动输入，而入，而ud称为差动输入电压。称为差动输入电压。u0AuuA ud设在设在 a,b 间加一电压间加一电压 ud =u+-u-，那么可得输出那么可得输出uo和输入和输入ud之间之间的转移特性曲线如以下图所示，的转移特性曲线如以下图所示，这个关系曲线称为运放的外特性。这个关系曲线称为运放的外特性。Usat-Usat-UsatUds-Uds-UdsuoudO分三个区域：分三个区域：线性任务区：线性任务区：|ud| Uds, 那么那么 uo= Usat

8、ud0反向饱和区反向饱和区 ud0+_+uu+_uoao+_udud_+b 假设把运放的任务范围限制在线性段，即设假设把运放的任务范围限制在线性段，即设Usatu0 Usat 。由于放大器的放大倍数。由于放大器的放大倍数A很大，而很大，而Usat普通为正负十几普通为正负十几伏或几伏，这样输入电压就必需很小。运放的这种任务形状称伏或几伏，这样输入电压就必需很小。运放的这种任务形状称为为“开环运转。在运放的实践运用中，通常经过一定的方式开环运转。在运放的实践运用中，通常经过一定的方式将输出的一部分接回反响到输入中去，这种任务形状称为将输出的一部分接回反响到输入中去，这种任务形状称为“闭环运转。运放

9、开环任务极不稳定，普通外部接假设干元闭环运转。运放开环任务极不稳定，普通外部接假设干元件件(R、C等等)，使其任务在闭环形状。，使其任务在闭环形状。5. 2 比例电路的分析比例电路的分析1. 1. 倒向比例器倒向比例器R1RiRfRoAu1+_+_u1+_uo+_uiRL运放等效电路运放等效电路21 以下图表示一个由运放和电阻构成的电路，称为倒向比以下图表示一个由运放和电阻构成的电路，称为倒向比例器。运放的输出电压经过电阻例器。运放的输出电压经过电阻Rf反响倒输入回路中。显然，反响倒输入回路中。显然，由于电阻由于电阻R1的存在，电路的输入电压的存在，电路的输入电压ui与运放的倒向输入端与运放的

10、倒向输入端电压电压u1不同。不同。ui+_uo_+A+_R1RfRL12u1R1RiRfRoAu1+_+_u1+_uo+_uiRL运放等效电路运放等效电路21用节点电压法分析：用节点电压法分析：( (电阻用电导表示电阻用电导表示) )(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui-Gf un1+(Gf+Go+GL)un2 -Gf un1+(Gf+Go+GL)un2 =GoAu1=GoAu1u1=un1整理，得整理，得(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui-(Gf +GoA)un1+(Gf+Go+GL)un2 -(Gf +GoA)un1+(Gf+Go+GL)un2 =0=0解得解

11、得iLffi1fOffOff1n2o)o( )()()(uGGGGGGGAGGGAGGGGuu 因因A普通很大，上式中分母中普通很大，上式中分母中Gf(AGo-Gf)一项的一项的值比值比(G1+ Gi + Gf) (Gf+ G0 + GL)要大得多。所以，后要大得多。所以，后一项可忽略，得一项可忽略，得 i1fif1ouRRuGGu 此近似结果可将运放看作理想情况而得到。此近似结果可将运放看作理想情况而得到。上式阐明上式阐明 uo / ui只取决于反响电阻只取决于反响电阻Rf与与R1比值，而不会由比值，而不会由于运放的性能稍有改动就使于运放的性能稍有改动就使uo / ui的值遭到影响。显然，选

12、择不的值遭到影响。显然，选择不同的同的Rf和和R1 值，就可获得不同的值，就可获得不同的 uo / ui值，所以有比例器的作值，所以有比例器的作用。通常又把这个电路称为倒向放大器。式子前的负号阐明用。通常又把这个电路称为倒向放大器。式子前的负号阐明uo和和ui总是方向相反总是方向相反(倒向比例器倒向比例器)。iLffi1fOffOff1n2o)o( )()()(uGGGGGGGAGGGAGGGGuu 2. 2. 由理想运放构成的倒向比例器：由理想运放构成的倒向比例器：“虚短：虚短： u+ = u- =0，i1= uS/R1 i2= -uo /Rf“虚断：虚断： i-= 0，i2= i1i1fo

13、 uRRu (1) 当当 R1 和和 Rf 确定后，为使确定后，为使 uo 不超越饱和电压不超越饱和电压(即保即保证任务在线性区证任务在线性区)，对，对ui有一定限制。有一定限制。(2) 运放不任务在开环形状运放不任务在开环形状(极不稳定，振荡在饱和区极不稳定，振荡在饱和区)，都任务在闭环形状，输出电压由外电路决议。都任务在闭环形状，输出电压由外电路决议。( Rf 接在输出端和倒向输入端接在输出端和倒向输入端,称为负反响。称为负反响。 )留意：留意：+_uo_+ +_uiR1RfRLi1i2i-u-u+3 . 3 . 倒向比例器的对外等效电路：倒向比例器的对外等效电路：相当于一个电压控制电压源

14、。相当于一个电压控制电压源。当当 Rf =R1 Rf =R1 时，组成单位倒向器，如以下图所示：时，组成单位倒向器，如以下图所示：y = -x-1-1xyi1i2+_u1+_uoVCVS u1+_ =-Rf /R15. 3 5. 3 含有理想运算放大器的电路的分析含有理想运算放大器的电路的分析 含有理想运放的电路的分析具有一些特点，按前面引含有理想运放的电路的分析具有一些特点，按前面引见的有关理想运放的性质，可以得到以下两条规那么：见的有关理想运放的性质，可以得到以下两条规那么：1 1倒向端和非倒向端的输入电流均为零。可称之为倒向端和非倒向端的输入电流均为零。可称之为“虚断路；虚断路；2 2

15、对于公共端地，倒向输入端的电压与非倒向对于公共端地，倒向输入端的电压与非倒向输入端的电压相等可称之为虚短路。输入端的电压相等可称之为虚短路。合理地运用这两条规那么，将使这类电路的分析大为简合理地运用这两条规那么，将使这类电路的分析大为简化。下面举例加以阐明。化。下面举例加以阐明。1.1.加法器：加法器：比例加法器：比例加法器： y =a1x1+a2x2+a3x3 符号如右图。符号如右图。 其中其中 a1= Rf /R1 ，a2= Rf /R2 ， a3= Rf /R3a1a2a3-1-1 yyx1x2x3假设：假设：R1R2R3Rf 那么那么 u0u1u2u3式中负号阐明输出电压和输入电压反相

16、。式中负号阐明输出电压和输入电压反相。+_uo_+ +R2Rfi-u+u-R1R3ui1ui2ui32. 2. 减法器：减法器：_+ +R1u2R1R2u+u-i-+_uo+_i+R2u1_12 12120uuRRu 3. 3. 积分器积分器积分环节积分环节 dtxy tuRCud1io x yy-1-1 tuCtuCRuddd)d(uoo_i u-=0i-=0根据规那么根据规那么1 1、2 2可知：可知：iR= iC所以所以C+_uo_+ +_uiRiCi-u-iR4. 4. 微分器：微分器：微分环节微分环节dtdxy x yy-1-1dtdx根据规那么根据规那么1 1、2 2可知：可知：u

17、-=0i-=0iR= iCdtduRCui 0RudtduCi0 uCuiC+_uo_+ +_uiRiCi-u-iRuCRuudtduCC0 5. 5. 正相比例器：正相比例器：uo =(R1 /R1 + R1/R2 ui u+= u-= uii+= i-= 0 选择不同选择不同R1和和R2，可以获得不同的，可以获得不同的u0/ui值，而比值，而比值一定大于值一定大于1，同时又是正值，所以称为正相比例器。，同时又是正值，所以称为正相比例器。(uo- u-)/R1= u-/R2uo /R1 = u-/R1 u-/R2_+ +RiuiR1R2u+u-i-+_uo+_i+u0=(1+ R1/R2)

18、ui6. 6. 电压跟随器电压跟随器特点：特点： 输入阻抗无穷大输入阻抗无穷大(虚断虚断)； 输出阻抗为零；输出阻抗为零；运用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。运用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。 uo= ui。把正相比例器中的把正相比例器中的R1、Ri改为短路，把改为短路，把R2改改为开路。就变为如右为开路。就变为如右图所示的电压跟随器。图所示的电压跟随器。即：即： u0ui_+ +_uo+_ui例例可见，参与电压跟随器后，隔离了前后两级电路的相互影响。可见，参与电压跟随器后，隔离了前后两级电路的相互影响。2当接上负载当接上负载RL时：时：iLLuRRRRRu/2122 R2RLR1+_uL+_ui+u2_+ +_uiR1R2RL+_uL+u23假设在输出电压假设在输出电压u2后加后加个电压跟随器，当接上负载个电压跟随器，当接上负载RL后，负载后，负载RL上的电压为：上的电压为：iLuRRRuu2122 1没有接上负载没有接上负载RL时：时： iuRRRu2122 iLuRRRuu2122 而是而是RL的接入将影响输出电压的接入将影响输出电压u2的大小