模拟电子学基础课件-第二章

工业制造学院测控系模拟部分电子技术基础2.1集成电路运算放大器2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利用其电路的对称性提高整个电路的性能。主要起提高电压增益的作用，可有一级或多级放大电路组成。该级电压增益为1，但输出电阻较小，具有一定的带负载能力。P称为同相输入端N称为反相输入端图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＋）

注意输入输出的相位关系输出电压不可能超过电源电压值。在输出开路下：当Avo(vP－vN)V＋

时

vO＝﹢Vom=V＋

当Avo(vP－vN)

V-时

vO＝﹣Vom=V﹣电压传输特性

vO＝f(vP－vN)线性范围内

vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率假设vP﹥vN：要使集成运放构成的各种电路稳定地工作在线性区，必须引入负反馈。饱和区又称为限幅区例2.1.1电路如图2.1.3所示，运放开环电压增益Avo=2×105，输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V﹢=﹢12V，V﹣=﹣12V。(1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=？(2)输入电流ii=？画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。解：(1)当vo=±Vom=±12V时，由vo=Avo(vP﹣vN)可得由可得(2)画出传输特性曲线(见p25)即输入电压超过该值就进入饱和区，输出电压不再变化。理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)2.2理想运算放大器1.

vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－

2.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图2.2.1运放的简化电路模型end2.3基本线性运放电路2.3.1同相放大电路2.3.2反相放大电路以上两种运放电路是最基本的运算放大器电路，很多由运放组成的功能电路均是在它们的基础上组合和演变而来。2.3.1同相放大电路1.基本电路

图2.3.1同相放大电路（a）电路图这里将运放看成理想运算放大器，且输入信号为正弦小信号。R1和R2为反馈元件vn是输出电压vo经R1和R2反馈回到运放的反相输入端——反馈电压。理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)2.负反馈的基本概念

开环

闭环

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——某时刻电位的变化趋势无反馈时电路有

vo

＝Avo(vp－vn)≈

Avovp引入反馈后

vn0，vp(vi)不变→

(vp－vn)↓→

vo↓使输出减小了，闭环增益Av＝vo/vi下降了，这时的反馈称为负反馈。负反馈的作用是利用输出电压通过反馈回路，对放大电路进行自动调节，以实现输出的稳定平衡。vP和vn具有相同的极性负反馈作用过程：vP(vi)↑vP﹣vn↑vo=Avo(vP-vn)↑vn↑vP﹣vn↓vo↓从而最终又回到输出稳定平衡状态。3.虚假短路

同相放大电路的输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp，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利器，必须熟练掌握。由于理想运算放大器Avo→∞，因此由vo=Avo(vP-vn)，可得04.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所以（可作为公式直接使用）Av为接入负反馈后的电压增益，称为闭环电压增益。由公式可见，Av≥1，且只取决与外部元件R1和R2的大小。（b）小信号电路模型(2)输入电阻Ri

输入电阻定义

所以(3)输出电阻Ro

根据虚短和虚断的概念有按照第一章中所述放大电路输出电阻定量分析的方法，可得到同相放大器的输出电阻为ro=05.电压跟随器根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vi虽然电压跟随器的电压增益等于1，但它的输入电阻Ri→∞，输出电阻Ro→0，故它在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器。将同相放大器中R1=∞，R2=0，便得到所谓电压跟随器，如图2.3.2所示图2.3.2电压跟随器(a)无电压跟随器时有电压跟随器时ip≈0，vp＝vs根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vs电压跟随器的作用负载上得到的电压可见输出电压很小可见当负载变化时，对输出电压几乎无影响。例2.3.1直流电压表电路如图2.3.4所示，磁电式电流表指针偏移满刻度时，流过动圈电流IM=100μA。当R1=2MΩ时，可测得的最大输入电压VS(max)=？解：利用虚短和虚断的概念，有VP=VS=VN，Ii=0，可得由此可得可见电压表的读数与VS成正比，且与仪表内阻Rm无关。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

虚地是反相放大器在闭环工作状态下的重要特征。2.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i1＝i2

即（可作为公式直接使用）vn≈vp＝0，ii＝0所以负号表示vo和vi相位相反(2)输入电阻Ri

(3)输出电阻Ro

对理想运算放大器而言，有例2.3.2将图2.3.5a所示电路中的电阻R2用T形网络代替，如图2.3.6所示。(1)求电路的电压增益表达式Av=vo/vi；(2)该电路作为话筒的前置放大器，若选R1=51kΩ，R2=R3=390kΩ，当vo=﹣100vi时，计算R4的值；(3)直接用R2代替T形网络的电阻时，R1=51kΩ，Av=﹣100时，求R2值。解：(1)根据虚短和虚断的概念有从而可得由上两式可解得(2)当R1=51kΩ，R2=R3=390kΩ，Av=﹣100即vo=﹣100vi时，由闭环电压增益表达式可得从而可解得如果用可调电位器代替R4，便可调节闭环电压增益大小。(3)若Av=﹣100，用R2代替T形网络，则显然，相比而言T形网络的组成电阻值要小得多。当R2>>R3时，（1）试证明Vs＝(R3R1/R2)Im

解（1）根据虚断有I1

=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

=0R2和R3相当于并联，所以–I2R2

=R3(I2-IM)所以当R2>>R3时，Vs＝(R3R1/R2)IM

（2）代入数据计算即可end2.4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求差电路当则若继续有则根据虚短、虚断和N、P点的电流方程可得：i1=i4i2=i3求差电路(差分放大电路)可实现两个输入电压相减。从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。vo与输入电压之差成比例从放大器角度看增益为时，（该电路也称为差分电路或减法电路）当R1=R2=R3=R4时，利用虚短和虚断可得到输入电阻为同时输出电阻Ro非常小。例2.4.1高输入电阻的差分放大电路如图2.4.2所示，求输出电压vo2的表达式，并说明该电路的特点。解：该电路中第一级放大A1为同相放大电路，因此有第二级A2为差分式放大电路，可用叠加原理求输出电压。当vi2=0时，A2为反相放大电路，可得当vo1=0时，A2为同相放大电路，可得因此vo2为上述两电压之和。若R1=R21，则2.4.2仪用放大器A3差分输入接法组成第二级放大电路根据虚短、虚断，有从而可得到第二级差分放大的输入为最终的输出电压为A1和A2按同相输入接法组成第一级放大电路电压增益为2.4.3求和电路根据虚短、虚断和虚地可得：若则有（该电路也称为加法电路）若后再结一级反相电路可消除输出的负号该电路也可扩展为多个输入电压相加，同时可从同相端输入。2.4.4积分电路和微分电路1.积分电路式中，负号表示vo与vI在相位上是相反的。根据“虚短”，得根据“虚断”，得因此有设电容器C的初始电压为零，则（积分运算）电容器被充电，其充电电流为当vI为阶跃电压时，有vo与

t

成线性关系积分时间常数当电容C上电压增大到电源电压值时，输出vo进入饱和状态例2.4.3设电路如图2.4.6所示，电路中电源电压V+=+15V，V﹣=﹣15V，R