第二章运算放大器

第二章运算放大器掌握内容：理想运放的特性应用了解内容：各种运算电路的组成

重点：基本运算电路的分析计算

难点：求差与求和电路

本章学时：3第二章运算放大器2.1集成电路运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用

主要内容：

引言集成电路运算放大器是模拟集成电路中应用极为广泛的一种器件，不仅用于信号的运算、处理、变换、测量和信号产生电路，还可用于开关电路中。集成电路运算放大器是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.2.1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图2.1.1集成运算放大器的内部结构框图运放的代表符号：图2.1.2运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号（b）国内外常用符号表示信号从左（输入端）向右（输出端）传输的方向2.运算放大器的电路模型图2.1.3运算放大器的电路模型用一个包含输入端口、输出端口和供电电源端的电路模型代表。输入端口用输入电阻ri来模拟，输出端口用输出电阻ro和串联的受控电压源Avo(vp-vn)模拟。电源是运放内部电路运行所必需的能源。图2.1.3运算放大器的电路模型通常：开环电压增益

Avo的≥105

（很高）

输入电阻

ri

≥106Ω

（很大）

输出电阻

ro

≤100Ω

（很小）

vO＝Avo(vP－vN)（V－＜vO＜V＋）

理想情况下可以扩展到正、负饱和极限值。

当Avo(vP－vN)≥V＋时

vO＝

V＋

当Avo(vP－vN)≤

V-时

vO＝

V-电压传输特性

vO＝

f

(vP－vN)线性范围内vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率2.2理想运算放大器vO的饱和极限值等于运放的电源电压

V＋和V－

2.由于运放的开环电压增益很高

若（vP－vN）＞0

则vO=+Vom=V＋

若（vP－vN）＜0

则vO=–Vom=V－

3.若V－<vO<V＋则（vP－vN）0

4.输入电阻ri的阻值很高，使iP≈0、

iN≈0

5.输出电阻很小，ro

≈0理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vO＝Avo(vN－vP)图2.2.1运放的简化电路模型2.3基本线性运放电路2.3.1同相放大电路2.3.2反相放大电路2.3.1同相放大电路（a）电路图图2.3.1同相放大电路1.基本电路

2.负反馈的基本概念

反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。

瞬时电位变化极性电路有vo

＝Avo(vp－vn)引入反馈后

vn0，vp(vi)不变→

(vp－vn)↓→

vo↓

使输出减小了，增益Av＝vo/vi下降了，这时的反馈称为负反馈。3.虚假短路即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。这种现象称为虚假短路，简称虚短。

由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的

ip＝in＝(vp－vn)/ri

≈0，这种现象称为虚断。

由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，是分析由运放组成的各种线性应用电路的工具，必须熟练掌握。4.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av

根据虚短和虚断的概念有

vp≈vn，ip＝in＝0所以闭环电压增益，总大于1，引入反馈后，电压增益只取决于运放的外部电路的元件值，与运放本身无关。（2）输入电阻Ri

输入电阻定义

根据虚短和虚断有

vi＝vp，ii＝ip≈0所以（3）输出电阻Ro

5.电压跟随器根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vi输出电压与输入电压大小相等，方向相反，因此，该电路称为电压跟随器.电压跟随器的作用无电压跟随器时负载上得到的电压电压跟随器时ip≈0，vp＝vs根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vs负载变，输出电压几乎不变。消除负载对输出电压的影响。2.3.2反相放大电路（a）电路图（b）由虚短引出虚地vn≈0

图2.3.5反相放大电路1.基本电路

2.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av

反相端为虚地点，

vn≈

vp＝

0

，

ii＝0（虚断）所以i1＝i2

即R2=R1时，v0=-vi反相电路.（2）输入电阻Ri

（3）输出电阻Ro

Ro→0当R2>>R3时，（1）试证明VS＝(R3R1/R2)IM

解:（1）根据虚断有II

=0所以I2

=IS

=VS

/

R1

例2.3.3直流毫伏表电路（2）R1＝R2＝150k，R3＝1k，输入信号电压VS＝100mV时，通过毫伏表的最大电流IM(max)＝？又根据虚短有VP

=

VN

=0所以–I2R2

=R3(I2-IM)所以当R2>>R3时，VS＝(R3R1/R2)IM

（2）代入数据计算可得：IM(max)=100uA2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.4.1求差电路2.4.2仪用放大器2.4.3求和电路2.4.4积分电路和微分电路2.4.1求差电路

从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。当则

根据虚短、虚断和n、p点的KCL得：从放大器角度看时，增益为若继续有则例：一种高输入电阻的差分电路第一级：第二级：差分式放大电路，利用叠加原理求得。vi2=0vo1=0总的电压增益：由于电路中第一级为同相输入放大电路，电路的输入电阻无穷大。2.4.2仪用放大器2.4.3求和电路根据虚短、虚断和n点的KCL得：若则有（该电路也称为加法电路）例：同相输入加法电路

根据两个分析依据“虚短”“虚断”由图可知其中故A+NPA+NP若2.4.4积分电路和微分电路1.积分电路根据“虚短”，得根据“虚断”，得因此电容器被充电，其充电电流为设电容器C的初始电压为零，则上式表明，输出电压vO为输入电压vI对时间的积分，负号表示信号是从运放的反相输入端输入的。输入阶跃电压tO输出电压随时间线性下降运放的最大输出电压输出饱和tOtO输入电压tO输出电压R=10KΏ，C=5nF，假设运放是理想的。输入电压波形如图所示，在t=0时，电