模电运算放大器(康华光)

1、第二章第二章运算放大器运算放大器重点重点: 1.了解运放的基本组成部分及其功能了解运放的基本组成部分及其功能;2.理解运放电压传输特性与等效电路的意理解运放电压传输特性与等效电路的意义义,掌握其基本分析方法掌握其基本分析方法;3. 理解用运放组成的比例、加减、微分和理解用运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理及其设计方法。积分运算电路的工作原理及其设计方法。(5-2) 集成运算放大器是一种具有集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。最早开始应用于大电路。最早开始应用于1940年，年，1960年后，随着集成电路技术的年后，随着集成电路技

2、术的发展，运算放大器逐步集成化，发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来越大大降低了成本，获得了越来越广泛的应用。广泛的应用。 运算放大器主要用于模拟计运算放大器主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等运算机，可模拟加、减、积分等运算，对电路进行模拟分析。在信算，对电路进行模拟分析。在信号处理、测量及波形产生方面也号处理、测量及波形产生方面也获得广泛应用。获得广泛应用。4运放运放LM3242.1 集成运算放器简介集成运算放器简介一、集成电路运算放大器的内部组成单元一、集成电路运算放大器的内部组成单元1. 发展历程简介发展历程简介单运放单运放LM741(5-3)2.集成运算放大器的

3、内部结构框图简介集成运算放大器的内部结构框图简介输入输入输出输出输入级输入级(差动放大器差动放大器)中间级中间级(电压放大器电压放大器)输出级输出级(功率放大器功率放大器)偏置电路偏置电路输入级输入级:输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，一般采用带恒流源的差放一般采用带恒流源的差放 。中间级中间级:电压放大倍数高电压放大倍数高,通常由多级放大器构成。通常由多级放大器构成。输出级输出级:与负载相接与负载相接,输出电阻低输出电阻低,带负载能力强带负载能力强,常由互补常由互补对称电路或射极输出器构成。对称电路或射极输出器构成。偏置电路偏置电路:为上述各

4、级电路提供稳定合适的静态工作点为上述各级电路提供稳定合适的静态工作点,由各种恒流源电路组成。由各种恒流源电路组成。LM741内部结构内部结构P282(5-4)LM741 8个管脚：个管脚：2：反相输入端：反相输入端3：同相输入端：同相输入端6：输出端：输出端7 、4 ：外接正负电源端：外接正负电源端1、5：外接调零电位器：外接调零电位器8：空脚：空脚 8 7 6 5LM741 1 2 3 43. 管脚简介管脚简介 LM324 1 2 3 4 5 6 71Vo 1Vn n 1Vp 2Vp 2Vn n 2Vo4Vo 4Vn n 4Vp 3Vp 3Vn n 3Vo14 13 12 11 10 9 8

5、- -+ +- -+ +- -+ +- -+ +12V- -12V外接图外接图- -VCC 输出端输出端vo+VCC 反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端vnvp 7 3 LM741 6 2 4 1 51k 10k 管管脚脚说说明明(5-5)4、图形符号、图形符号vnvpvo- -vd+- - +- -vd+vnvpvo- - A + +注意：注意： 在电路符号图中一般除画出输在电路符号图中一般除画出输入输出端外，其余的省去。入输出端外，其余的省去。vn(v- -) ：反：反相相输入端的输入电位输入端的输入电位vp(v+ +) ：同同相相输入端的输入电位输入端的输入电位vo：输出端的输出电

6、位输出端的输出电位 ：输入输出公共端：输入输出公共端(接地端接地端) 上述每一点均为对地的电压上述每一点均为对地的电压 ，在接地端未画出时应注意。在接地端未画出时应注意。vd vpvn：差模输入电压差模输入电压A：开环电压放大倍数开环电压放大倍数, 一般很大。一般很大。或或开环电压开环电压放大倍数放大倍数(5-6)二、二、 运算放大器的电路模型与特点运算放大器的电路模型与特点 放大电路处在线性工作状态且放大电路处在线性工作状态且信号源单独作用时：信号源单独作用时： 从净输入端从净输入端(vp- -vn)之间看进去运放等效为之间看进去运放等效为ri ，从输出，从输出vo地地之间看进去运放用戴维宁

7、定理等效为一个受控之间看进去运放用戴维宁定理等效为一个受控恒压源恒压源A(vp- -vn)和一个内阻和一个内阻ro相串联。相串联。很大很大很大很大很很小小1.实际运算放大器的特点实际运算放大器的特点开环电压放大倍数开环电压放大倍数A=106108 差摸输入电阻差摸输入电阻ri =1061011 输出电阻输出电阻ro=10100 - -+rirovoA(vp- -vn)vpvn+- -inip共模抑制比共模抑制比 KCMR=80dB140dB 很大很大(5-7)- -vi +vo(vp- -vn)+Vom - -Vom其中：其中：(1)线性工作线性工作(放大放大)区区- - (vp- - vn)

8、+ 时时, vo=+Vom(3)反向饱和区反向饱和区vp- -vn - - 时时, vo=- -Vom - - 其中其中: Vom 输出电压的极输出电压的极限值限值, 称为饱和电压称为饱和电压, 且且:| Vom| | VS| VS正负电源电压正负电源电压2.实际运放的开环传输特性实际运放的开环传输特性传输特性传输特性vovi的关系曲线的关系曲线- -+rirovoA(vp- -vn)vpvn+- -inip(5-8)3.含实际运算放大器电路的分析依据含实际运算放大器电路的分析依据AmV2mV2oU若图示电路中若图示电路中,正负电源电压正负电源电压 VS= 5V。求：。求：(1) A=103

9、，则输出电压，则输出电压Uo=?(3) A=104 ，则输出电压，则输出电压Uo=?解：解：(v+- -v- -)=- -2mV(1) =Vom/A 5mVUo=A(v+- -v- -)=- -2V(2) =Vom/A 0.5mVUo - - 5V例例1(1)若若|vp- - vn|+ 时时, vo=+Vom VS vp- -vn 0 时时, vo=+Vom运放工作在正向饱和区运放工作在正向饱和区当当vp- -vn0时时, vo= +Vom 正饱和值正饱和值 当当(vp- - vn) R3时，时，Vs( R3R1/R2 ) Im(2)代入数据计算即可代入数据计算即可 直流毫伏表电路图示。直流毫

10、伏表电路图示。当当R2 R3时时: (1)试证明试证明Vs( R3R1/R2 ) Im (2)R1R2150k , R31k , 输入信号电压输入信号电压Vs100mV时，通过毫伏表的最大电流时，通过毫伏表的最大电流Im(max)？例例1(5-18)二、同相比例器二、同相比例器根据根据“虚短虚短”和和“虚虚断断”:ipin0vnvp =- -ipR3+vi vii2 i1 + in i1 n12)1(vRRvo R3+vi_R2R1+_vo+- -i1i2vpip pvnin nR3R1/R21.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,信号从同相端输入。信号从同相端输入。2.

11、指标计算指标计算(1)电压增益电压增益120RvRvvnon i12)1(vRR 12io1RRvvAv (5-19)可见：可见：(1)vo与与vi同相同相;(2)当当R1= ，R2=0时时,vo=vi 称为电压跟随器称为电压跟随器(2)输入电阻输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻Roa.输入电阻输入电阻Ri pivRiib.输出电阻输出电阻Ro求输出电阻求输出电阻Ro 的图的图:Ro=ro/(ri+R3)/R1+R2012io1RRvvAv R3+vi_R2R1+_vo+- -i1i2vpip pvnin nR3R2R1+- -vpvnroA(vp- -vn)+- -ri(5-20) 结论结论A

12、vf 为正值为正值,即即 vo与与 vi 极性极性相同。相同。因为因为 vi 加在同相输入加在同相输入端。端。Avf只与外部电阻只与外部电阻 R1、RF 有关有关,与运放本身参数无关。与运放本身参数无关。Avf 1 ，不能小于，不能小于 1 。v = v+ 0 ，反相输入端不，反相输入端不存在存在“虚地虚地”现象。现象。电压串联负反馈，输入电电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。入电压可能较高。由运放构成的电压跟随器由运放构成的电压跟随器输入电阻高输入电阻高,输出电阻低输出电阻低,其跟其跟随性能比射极输出器更好。随性能比射极输出器更好。vo+ 1

13、5k RL15k +15V 7.5k 例例2(5-21)11LRuii 1xGRUI 1iRu 例例3(5-22)三、反相三、反相加法器加法器01.输出电压输出电压根据根据“虚短虚短”和和“虚虚断断”:ipin0vnvpi1 + i2 + i3 if + in if fonnininiRvvRvvRvvRvv 332211)(332211ifififovRRvRRvRRv 若若:R1=R2=R3 =R , 则则:)(321iiifovvvRRv voR2RfR1R3vi1vi2vi3_+in nvpvnip pi1i2i3iffoiiiRvRvRvRv 332211Ro=ro/(ri/R1/R

14、2/R3)+Rf02.输出电阻输出电阻Ro(5-23)2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fov+)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu vi2voRFvi1Ri2Ri1+ R1+(5-24)(2i2iF1i1iFouRRuRRu )(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu vi2voRFvi1Ri2Ri1+ R1+vi2voRFvi1Ri2Ri1+ R2+(5-25)114RvvRvvinno 322RvRvvppi 114232314)(1(iiovRRvRRRRRv 解出：解出：四、减法运算电路四、

15、减法运算电路(差分电路差分电路)1.输出电压输出电压ipin0vnvp R4R1R2vi2voR3vi1inipvnvp- -+i4i1i2i3若若: R4/ /R1=R3 3/ /R2 , 则则:)(1214iiovvRRv Ro=ro/(ri+R2/R3)/R1 +R402.输出电阻输出电阻Ro常用做测量常用做测量放大电路放大电路(5-26)五五.仪用放大器仪用放大器)21 (1234RRRRvvAio vvo vi的关系的关系?电压增益电压增益Av =?R1R2R2+vi- -+- - -+R3R3- -+R4R4vo 因为虚短、虚断因为虚短、虚断, 所以所以R1上的电压等于上的电压等于

16、vi , 且且: 212112RRvvRvooi i1=i2=i3=ioovRRRvv121212 )(2134ooovvRRv ivRRRRR12134)2( vo1vo2i3i1i2(5-27)ipin0vnvp0六六.微分运算器微分运算器RvRvvioonF tvCtvvCiiniddd)d(1 tvRCviodd tvCRviddo i1=iFvoRvi_+Cin nvpvnip pi1iF(5-28)vit0t0votvRCviodd 若输入：若输入：vi=Vm sin t求：求： vo并画波形。并画波形。解：解：vo=- - RC Vm cos t =- - RC Vmsin( t

17、- -90)例例4(5-29)上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中控制系统中,PD调节器在调节过程中起加速作用调节器在调节过程中起加速作用,即使即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu voC1viR2RF+ R1ifiRiC(5-30)RvRvviini 1 tvCtvvCioonFdddd tiodtvRCv1七七 . 积分运算积分运算RvtvCio ddtRCvviodd voRvi_+Cin nvpvnip

18、pi1iFipin0 vnvp0 i1=iF(5-31)tvi0tvo0 toVdtRCv01V-VomtVRC 1MomTRCVV TM积分时限积分时限如果积分器的输入如果积分器的输入vi是直流是直流电压电压, ,设电容上原来未储能。设电容上原来未储能。画出画出vo波形波形。 输出将反向积分，经过一输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。定的时间后输出饱和。VRCVTomM 例例5积分电路的主要用途：积分电路的主要用途：1. 在电子开关中用于延迟。在电子开关中用于延迟。2. 波形变换。例：将方波变为三角波。波形变换。例：将方波变为三角波。3. A/D转换中，将电压量变为时间量。转换中，将电

19、压量变为时间量。4. 移相。移相。(5-32)PI 调节器调节器voCFviR2R1+ RFifi1电路的输出电压电路的输出电压 )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR)(fFoCuiRu 上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分积分 这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以保以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调可调整比例系数和积分时间常数整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。(5-33)注

20、意注意1.每个闭环每个闭环(负反馈负反馈)电路均存在电路均存在:ipin0(虚断虚断)、vnvp (虚短虚短)两条件两条件 。2.每个开环电路均存在每个开环电路均存在ipin0(虚断虚断)这一条件。这一条件。 注意：开环电路中注意：开环电路中 vnvp 当当(vp- - vn) 时时, vo= +Vom 正饱和值正饱和值 当当(vp- - vn)- - 时时, vo=- -Vom 负饱和值负饱和值 当当- - (vp- - vn) 时时, vo=A(vp- - vn) =Vom/ /A3.任何运算放大器输出电压任何运算放大器输出电压饱和电压电源电压。饱和电压电源电压。(5-34)vovi+Vo

21、m Vom八八.运算放大器闭环使用时的传输特性运算放大器闭环使用时的传输特性(vovi关系关系)例如例如反相比例器反相比例器：ifovRRv1 传输特性传输特性vim- -vimvo 变化范围：变化范围： Vom + Vom当当vo = Vom时：时：vim = - +- +Vom R1/Rf线性工作区线性工作区可见：加入负反馈可见：加入负反馈(闭环使用时闭环使用时)使使线性工作区线性工作区变宽。变宽。(5-35)vo=?例例6_+ + R6+ vi- -R1vo1_+ + R5R3+vo- -R4R2 14161111iRuuRuuRuuooi12 23252122iRuuRuuRuuooi

22、因为：因为：i1+= i1- - 0v1- - v1+ 0i2+= i2- - 0v2- - v2+ 0iouRRRRRRRRu )()(46352516解得：解得：(5-36)例例7vo=?64433RuRuuRuuii uu52211RuuRuuRuuoii R2_+ R5R1vi2vovi1R4vi4vi3R3R66434433251522115111) 1()(RRRRuRuRRRRRuRuRuiiiio (5-37)vo_+ + R2R1RPviR4R3i1i2i4i3M求求Av =?v+= v- -=0 i1= i2i2i3 = i443200RuuRuRuoMMM 21RuRuMi 例例8联立求解得：联立求解得：214324)111(RRRRRRuuAiou ) 1(342412 RRRRRR(5-38)FoRuuRu 10-R1RF+vi1voR21R22vi2R 同相求和运算同相求和运算RuRuuRuuii 222211例例9RRRRuRuRRuRRuiiFFo 111)1()1(222122221111联立求解得：联立求解得：(5-39)用一个运算放大