第二章 运算放大器课件

1、2.1 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 掌握基本运算电路的构成及其掌握基本运算电路的构成及其信号运算关系；信号运算关系； 掌握运算放大器线性应用与非掌握运算放大器线性应用与非线性应用的特点。线性应用的特点。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集

2、成电路；小、中、大、超大规模集成电路； 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器集成电路：集成电路： Integrated Circuit，缩写IC 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件、电容和电阻等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。n 集成运算放大器是一种电子器件，采用一定制造工艺将大量半导体三极管、电阻、电容等元件及它们之间的连线制作在同一小块单晶硅的芯片上，并具有一定功能的电子电路。完成信号的运算、处理、变换、测量和信号产生电路。求差（减法）、求和（加法）、积分、微分电路方框图电路方框

3、图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。偏置电路可提供稳定的偏置电流，以偏置电路可提供稳定的偏置电流，以稳定各部分的工作点。稳定各部分的工作点。 集成运算放大器是模拟集成电路集成运算放大器是模拟集成电路, ,基本组成基本组成部分如图：部分如图：电路的简单说明电路的简单说明运算放大器方框图运算放

4、大器方框图 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用扰信号，都采用带恒流源的差分放大器带恒流源的差分放大器 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用要求电压放大倍数高。常采用带恒流源带恒流源的共发射极放大电路构成。的共发射极放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 一般由一般由各种恒流源等电路各种恒流源等电路组成。组成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。能力强，一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。输入级输入级输出级输出级中间级中间级集

5、成运放的基本结构集成运放的基本结构2.1 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一般采用三级以上多级放大器由正负两个电源供电两个输入端P、N，一个输出端O，以正、负电源中间点作为参考电位点。输入级u组成：差分式放大电路（第六章）对输入级的要求：对输入级的要求： 输入阻抗输入阻抗 Ri 尽可能大。尽可能大。( (为什么？为什么？) )同相输入端P：当P端加入电压信号vP(vN=0)时，输出O端的电压vo与vp相位相同。反相输入端N：当N端加入电压信号vN(v

6、P=0)时，输出O端的电压vo与vN相位相反。u输入：vN、vP u输出：vo1=Av1(vP-vN) 其中：Av1是输入级电压增益u输入：vN、vP u输出：vo1=Av1(vP-vN) 其中：Av1是输入级电压增益中间级u组成：由一级或多级电压放大电路u作用：提高电压增益u前一级的输出vo1在该级进行电压放大，输出电压vo2=Av1Av2(vP-vN), 其中Av2为中间级的电压放大倍数。对中间级的要求对中间级的要求? ? 足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。输出级u组成：功率放大电路u作用：为负载提供一定的功率。u输出级无电压放大功能，电压增益Av3=1u能利用输入电压vo2的控

7、制作用，给外接低阻值负载提供一定的功率。对输出级的要求对输出级的要求? ?主要提高带负载能力，给出足够的主要提高带负载能力，给出足够的输出电流输出电流io，即输出阻抗即输出阻抗ro小。小。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运放的输出电压vo=Avo(vP-vN)Avo=Av1Av2 运放的开环电压增益运放由输出端到输入端无外接反馈元件时的电压增益。2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器图图2.1.2 运算放大器的代表符号运算放大器的代表符号（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）国内外常用符号表示信号从左（输入端）向右（输

8、出端）传输的方向运算放大器的引线运算放大器的引线运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号+表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的另一侧。2. 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F包含：输入端口、输出包含：输入端口、输出端口和供电电源端口和供电电源输入端口：输入电阻输入端口：输入电阻 ri 106 （很大）（很大）输出端口：输出电阻输出端口：输出电阻ro与与受控电压源受控电压源Avo(vP-vN

9、)串联串联 ro 100 （很小）（很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意输入输出的相位关注意输入输出的相位关系系F开环电压增益开环电压增益 Avo的的105 （很高）（很高）2. 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 +Vom =V 当当Avo(vPvN) V- -时时 vO-Vom= V- -vOAvo(vPvN) （ V vO V ）正负饱和极限值正负饱和极限值 当当V- Avo(vPvN) 性能不稳定性能不稳定解解决办法？决办法？ 引入引入负反馈负反馈 （后面会（后面会讨论）讨论）书P85例2.1.1 关于运放电压传输特性

10、自己看2.2 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电源的饱和极限值等于运放的电源电压电压V和和V 2. 运放的开环电压增益很高，很小的差运放的开环电压增益很高，很小的差分输入电压就可驱使运放进入饱和区分输入电压就可驱使运放进入饱和区 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直流毫伏表电路直流毫伏表电路（2）R1R2150k

11、，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 理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。 理想运算放大器的特性 (1)(1)虚短虚短 由于运放的电压放大倍数很大

12、，而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。 (2)(2)虚断虚断 由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路

13、，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 2.4 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2.4.1 求差电路（减法运算）求差电路（减法运算）（利用差分式电路实现减法运算利用差分式电路实现减法运算） 从结构上看，它是反相输入和同相从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。输入相结合的放大电路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(当当,2314RRR

14、R 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 2.4.1 求差电路求差电路时，时，2314RRRR )(i1i214ovvRRv（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）输出电压输出电压v vo o与输入电压（与输入电压（v vi2i2- -v vi1i1）之差成正比。之差成正比。当当R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4, ,利用虚短、虚断，在（利用虚短、虚断，在（vi2-vi1）作用下，流入）作用下，流入v vi2i2端端口的电流

15、等于流出口的电流等于流出v vi1i1端口的电流，则端口的电流，则vi2-vi1=(R2+R1)i=2R1i，因此，因此输出电阻输出电阻 R RO O0 0增益增益为为从放大器角度看从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 输入电阻输入电阻1122RivvRiii由虚断可得：由虚断可得：2I3 23uRRRu 由虚短可得由虚短可得 uu 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1I2I1FOuuRRu 则则 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1I2IOuuu 则则输出与两个输入信号的差值成正比。输出与两个输入信号的差值成正比。11232311IFIF)(OuRRuRRR

16、RRu 1F11I1IO RRRuuu 111I iRuu uRRu)1(1F O2I3 231F)1(uRRRRR 1I1F2I3 231F)1(uRRuRRRRR 1I1F OuRRu OOO uuu 缺点：比例系数调缺点：比例系数调节不方便。节不方便。 用差分输入方式构成的减法运算电路的输入电阻用差分输入方式构成的减法运算电路的输入电阻较低。为了提高减法运算电路的输入电阻，可采用双较低。为了提高减法运算电路的输入电阻，可采用双运算放大器组成同相输入减法运算电路。运算放大器组成同相输入减法运算电路。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

17、相加法 OvS222fvRR O122fvRR 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）2.4.1 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( (书书P35P35例例2.4.1)2.4.1)第二级第二级A A2 2差分放大电路，输出电压可利用叠加原理求差分放大电路，输出电压可利用叠加原理求第一级第一级A A1 1同相放大电路，输出电压同相放大电路，输出电压11211)1 (iovRRvv vi2i2=0=0时，时，

18、A A2 2为反相放大电路，为反相放大电路，11212222)1 (iovRRRRvv vo1o1=0=0时，时，A A2 2为同相放大电路，为同相放大电路，2222222222)(1 (iovRRRRRv2.4.1 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( (书书P35P35例例2.4.1)2.4.1)2222222222)(1 (iovRRRRRv11212222)1 (iovRRRRv第一级为同相输入放大电路，所以电路的输入电阻无穷大第一级为同相输入放大电路，所以电路的输入电阻无穷大电路的总输出电压电路的总输出电压222ooovvv当当R R1 1=R=R212

19、1时时)2(122222iiovvRRv2.4.2 仪用放大器仪用放大器第一级：运放A1、A2同相输入接法组成差分放大电路R1、R2组成负反馈网络，A1、A2两输入端，利用虚短和虚断，211vvvR)2/()(124311RRvvRvR2.4.2 仪用放大器仪用放大器211vvvR)2/()(124311RRvvRvR)(21 (22112112431vvRRvRRRvvR2.4.2 仪用放大器仪用放大器根据差分放大电路，)(21 ()(2112344334vvRRRRvvRRvo)21 (123421ORRRRAvvvv电路的电压增益在仪用放大电路中，通常R2，R3，R4为定值，R1用可变电

20、阻代替，调节R1，即可改变电压增益Av根据差分放大电路，)21 (123421ORRRRAvvvv)(21 ()(2112344334vvRRRRvvRRvo根据差分放大电路，电路的电压增益)21 (123421ORRRRAvvvv输入电阻Ri输出电阻Ro0应用：测量系统中2.4.3 求和电路求和电路1ni1Rvv - -3onRvv - 根据根据虚短虚短、虚断、虚地虚断、虚地和和n n点的点的KCLKCL得：得：2i231i13ovvvRRRR - -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）1、接成多端输入的、接成多

21、端输入的反相输入求和放大电路反相输入求和放大电路321RRR 若若这是求和运算，负号是由于反这是求和运算，负号是由于反相输入引起的。输出端再加一相输入引起的。输出端再加一级反相电路，就可消去负号级反相电路，就可消去负号扩展到多个输入电压相加，书扩展到多个输入电压相加，书P38例例2.4.2也可利用同相放大电路组成也可利用同相放大电路组成习题习题2.4.5aR2RfR1vS2vS1iIvO1NP+RRvO+1I211112uRRRu 同理，同理，uI2单独作用时单独作用时 1F )1(O uRRu? u212111111F )1(OuRRRRRu 1I2111211F)1 (uRRRRR )(1

22、(2I2111111I2111211FOuRRRuRRRRRu 方法方法2：2I2111111I211121uRRRuRRRu uRRu)1(1FO)(1(2I2111111I2111211FOuRRRuRRRRRu 思考思考u+=?u+ 加法运算电路与运放本身的参数无关加法运算电路与运放本身的参数无关, ,只要电阻只要电阻阻值足够精确阻值足够精确, ,就可保证加法运算的精度和稳定性就可保证加法运算的精度和稳定性. .2.4.3 求和电路求和电路习题2.4.5（a）利用同相放大电路组成求和电路4321RRRR若若povRRv)1 (34利用叠加原理，运放同相输入端电位为：22111212iip

23、vRRRvRRRv)(1)(1 (21122134iiovRvRRRRRv21iiovvvI11F11)1(OuRRu I22F212F2)1(OOuRRuRRu I22F2I11F12F2)1()1(uRRuRRRR 解：解： 例2：已知ui10.5V，ui22V，ui31V, 运算放大器构成何电路，求uO。解解: )2(501005 . 02010010 uA1为反向加法器为反向加法器, A2为差分电路。为差分电路。V5 . 1 2)30601(i30uu uO13060 V5 . 1 2.4.4 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

24、与vI在相位上是相反的。在相位上是相反的。根据根据“虚短、虚地虚短、虚地”，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）2.4.4 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，为阶跃电压时，电容将以恒流的电容将以恒流的方式进行充电，输出电压方式进行充电，输出电压v vo o与时间与时间t t成成近似线性关系近似线性关系: :vO与与 t 成线性关系成线性关系 tR

25、Cd1IOvvtRCVI tV I1. 积分电路积分电路当t=,-vo=VI;当t ，vo增大到Vom运放输出电压最大值受直流电源电压的限制，进入饱和状态，vo不变，积分停止 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = iFtuCRuCddF1I tuCddOF tuCRud1IF1O tuCiCddFF 1I1Rui iF =?uC+ 0IF1d10OtutuCRuCtt d1 0IF1O0tutuCRtt iFi1uitO积分饱和积分饱和线性积分时间线性积分时间UO(sat)uOtO+ UO(sat)uI = UI 0 uI = UI 0 输出电压随时输出电压随时间线性变化间线性变化线性积分时间线性积分时间线性积分时间线性积分时间F1IO(sat)0CRUUt tUCRud1IF1OtCRUF1I 采用集成运算放大器组成的积分电路采用集成运算放大器组成的积分电路, 由于电路由于电路的的uO = uC，而电容的充电电流，而电容的充电电流 基本上是恒定的，故基本上是恒定的，故 uO 是时间是时间 t 的一次函数，从而的一次函数，从而