模拟电子技术基础-02运算放大器

1、12.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器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电同相输入和反相输入放大电 路的其他应用路的其他应用2内容：集成运算放大器组成、电路模型、理想电路模型同相放大电路、反相放大电路，及其他应用电路要求：会利用“虚短”和“虚断”的概念，分析计算反相比例、同相比例、加、减、积分、微分等电路组成的各种运算电路34集成电路是将半导体三极管、二极管、电阻等元件及连线集成电路是将半导体三极管、二极管、电阻等元件及连线全部集中制造在同一小块半导体基片上，成为一个完整的固全部集中制造在同一小块半导体基片上，成为

2、一个完整的固体电路。体电路。集成电路的元件密度高、引线短、外部接线少，从而提高集成电路的元件密度高、引线短、外部接线少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性，并且减低了成本，为电子了电子设备的可靠性和灵活性，并且减低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。技术的应用开辟了一个新的时代。将彼此独立的三极管、二极管、电阻、电容等用将彼此独立的三极管、二极管、电阻、电容等用导线连接成的电路称为分立元件电路。导线连接成的电路称为分立元件电路。5运放概述运放概述线性线性非线性非线性乘除乘除对指数对指数 信号运算电路比例比例微积分微积分加减加减 运放的基本应用运放的基本应用 信号发生电路（信号振荡器）信

3、号发生电路（信号振荡器）信号处理电路信号处理电路比较器比较器有源滤波器有源滤波器 集成运算放大器是基于集成工艺的集成运算放大器是基于集成工艺的直接耦合直接耦合多级放大电路。多级放大电路。运算运算处理处理发生发生6模拟运放分类模拟运放分类7集成电路内部原理图集成电路内部原理图82.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元图图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图正负双电源供电。正负双电源供电。同相反相双输入端同相反相双输入端三级（多级）放大三级（多级）放大总放大倍数为三级放大倍数之积总放大倍数为三

4、级放大倍数之积最后一级为功放，电压放大倍数为最后一级为功放，电压放大倍数为1。单一输出端单一输出端92.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元图图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图差分电路输入电阻大,抗干扰能力强,前放的放大倍数不要太大,要求低噪声.使放大倍数达到要求能够驱动负载一般用跟随器适当选择输出功率正负电源中点作为参考电位三级放大的特点三级放大的特点10小知识点：负载和带负载能力小知识点：负载和带负载能力/驱动能力？驱动能力？带负载能力：带负载能力：负载：负载：电压输出型电路，输入

5、一定，传递函数一定，电压输出型电路，输入一定，传递函数一定，输出电压一定，带负载能力就是提供电流的能力输出电压一定，带负载能力就是提供电流的能力电流输出型电路，输入一定，传递函数一定，电流输出型电路，输入一定，传递函数一定，输出电流一定，带负载能力就是提供电压的能力输出电流一定，带负载能力就是提供电压的能力负载大：电阻小负载大：电阻小负载大：电阻大负载大：电阻大吸收一定功率的电路吸收一定功率的电路电路提供功率的能力电路提供功率的能力112.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器1. 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元图图2.1.2 运算放大器的代表符号运算放大器

6、的代表符号（a）国家标准规定的符号）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号）国内外常用符号两个输入端：同相输入端和反相输入端。两个输入端：同相输入端和反相输入端。标标“+”的为同相输入端，表明输出电压信号与该输入端电压信号相位相同；的为同相输入端，表明输出电压信号与该输入端电压信号相位相同；标标“-”的为反相输入端，表明输出电压与该输入端的电压信号相位相反。的为反相输入端，表明输出电压与该输入端的电压信号相位相反。直流如何反相直流如何反相122. 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型注意受控源注意受控源受控于谁？受控于谁？受控于输入

7、之差值受控于输入之差值正负电源供电正负电源供电也可以单正电源工作也可以单正电源工作132. 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型n 开环电压增益开环电压增益 Avo105 （很高）（很高） 输入电阻输入电阻 ri 106 （很大）（很大） 输出电阻输出电阻 ro 100 （很小）（很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 输出电压最大值为多少？输出电压最大值为多少？输出电压不能越过电源电压输出电压不能越过电源电压Avo很高是一个不稳定的因素很高是一个不稳定的因素-后将引入稳定措施后将引入稳定措施主要参数：主要参数：142.

8、 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型当当Avo(vPvN) V 时时 vO V当当Avo(vPvN) V- -时时 vO V- -电压传输特性电压传输特性 vO f (vPvN)线性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo是线性部分的斜率，是线性部分的斜率，非常陡峭非常陡峭微小的输入会：微小的输入会： 导致饱和导致饱和Rail To Rail一般比电源电压小一般比电源电压小12V15例题2.1.1表示0.06毫伏信号放大20万倍达到12V特性很抖运算放大器开环电压很大且是固定值运算放大器开环电压很大且是固定值本例中输入信号只能小于本例中输入信号只能小于0.06毫伏放大倍数有可变的需

9、要放大倍数有可变的需要太大的放大倍数不稳定，需要太大的放大倍数不稳定，需要有稳定措施有稳定措施只能放大微弱只能放大微弱信号信号162.2 理想运算放大器理想运算放大器1. vO的饱和极限值等于运放的饱和极限值等于运放的电源电压的电源电压V和和V 2. 运放的开环电压增益很高运放的开环电压增益很高 若（若（vPvN）0 则则 vO= +Vom=V 若（若（vPvN）0 则则 vO= Vom=V 3. 若若V vO R3时，时，（1）试证明）试证明VS( R3R1/R2 ) IM 解解:（1）根据虚断有）根据虚断有 II =0所以所以 I2 = IS = VS / R1 例例2.3.3直流毫伏表电

10、路直流毫伏表电路（2）R1R2150k ，R31k ，输入信号电压输入信号电压VS100mV时，通过时，通过毫伏表的最大电流毫伏表的最大电流IM(max)？ 又又根据虚短有根据虚短有 VP = VN =0R2和和R3相当于并联，所以相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - - IM )所以所以1S332M)(RVRRRI 当当R2 R3时，时，VS( R3R1/R2 ) IM （2）代入数据计算即可）代入数据计算即可end与仪表动圈内阻无关Vs只与IM有关，电阻为比例系数同流同流同同压压同压同压35运算放大器电路分析的关键：运算放大器电路分析的关键：符合理想运算放大器的条件符合理想运算

11、放大器的条件使用使用“虚短虚短”“”“虚断虚断”简化电路再分析结果简化电路再分析结果362.4 同相输入和反相输入同相输入和反相输入放大电路的其他应用放大电路的其他应用2.4.1 求差电路求差电路2.4.2 仪用放大器仪用放大器2.4.3 求和电路求和电路2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路372.4.1 求差电路求差电路(差分电路）（差分电路）（单极单极，双极双极） 从结构上看，它是反相输从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电入和同相输入相结合的放大电路。（特点：路。（特点：? ?信号无地信号无地）4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323

12、141ovRRvRRRRRRv )(当当,2314RRRR 则则)(i1i214ovvRRv 若继续有若继续有,14RR 则则i1i2ovvv 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 能用反相输入和同相输入叠加求出结果吗？能用反相输入和同相输入叠加求出结果吗？上下支路电上下支路电流各相等流各相等382.4.1 求差电路求差电路从放大器角度看从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 时，时，2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益为增益为（该电路也称为差分电路或减法电路）（该电路也称为差分电路或减法电路）392.4.1 求差电路求差电路输

13、入电阻：输入电阻：i2i1122ivvRRi时，时，12RRi2i1221121()2vvi Ri Ri R 输入电压为：输入电压为：根据虚短和虚断的概念有根据虚短和虚断的概念有 vpvn， ii021ii 当R4=R3，输入电阻有限受反相端影响？受反相端影响？402.4.1 求差电路求差电路一种高输入电阻的差分电路一种高输入电阻的差分电路21111R(1)Roivv222221211221R(1)RooiRRvvvRR 2222222222R(1)()RoiRvvRR222ooovvv121RR222212(2)oiiRvvvR输入加同相放大改善输入电阻？Ri=？应用叠加法！应用叠加法！41

14、2.4.2 仪用放大器仪用放大器)21(123421ORRRRA vvvv112Rvvv113421/()/(2)RvRvvRR121234121122(1)()RRRRvvvvvRR44234123312()(1)()oRRRvvvvvRRR 双同相输入再差分：双同相输入再差分：12RRii由由422.4.2 仪用放大器仪用放大器)21(123421ORRRRA vvvv2311R1+)R /2vv （2341212(1)()RvvvvR44234123312()(1)()oRRRvvvvvRRR 另一求法：另一求法：对称电路，将对称电路，将R1从从中断开成两个中断开成两个R1/2,中点为参

15、考点中点为参考点2421R1+)R /2vv （得：得：432.4.3 求和电路求和电路1ni1Rvv - -3onRvv - 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和n n点点的的KCLKCL得：得：2i231i13ovvvRRRR - -321RRR 若若0pn vv2ni2Rvv - - 则有则有2i1iovvv - -（该电路也称为加法电路）（该电路也称为加法电路）也可以用叠加原理也可以用叠加原理最好不要用于做题只用于验证最好不要用于做题只用于验证44 减法电路减法电路 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

16、）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）（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反一次为负反两次为正反一次为负反两次为正452.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1. 积分电路积分电路式中，负号表示式中，负号表示vO与与vI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0N v0I i因此因此RiiI12v 电容器被充电，其充电电流为电容器被充电，其充电电流为

17、2i设电容器设电容器C的初始电压为零，则的初始电压为零，则 tRCtiCd1d1I2ONvvv tRCd1IOvv（积分运算）（积分运算）462.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路当当vI I为阶跃电压时，有为阶跃电压时，有vO与与 t 成线性关系成线性关系 tRCd1IOvvtRCVI tV I1. 积分电路积分电路在t1时刻Vi为零，Vo=？47应用举例：应用举例：tui0tuo01、输入方波，输出、输入方波，输出是三角波。（波形转是三角波。（波形转换）换）482.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2. 微分电路微分电路tRCddIOvv enduoiR 1iduiCdt1ii49tsinui 若输入：若输入：则：则：)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo050指数和对数运算电路指数和对数运算电路( 略）略）)exp(TDSDVvIi 1RviID)exp(