运算放大电路1.ppt

理论学习理论学习课程导学课程导学自我测试自我测试 本章知识结构图 本章教学要求 正确理解集成运放的组成结构及各组成部分的作用；掌握运放的电 路模型以及理想运放的特点；熟练掌握“虚短”、“虚断”“虚地”概念；熟 练掌握各类差基本线性运大电路和运算电路。 本章重点难点 1集成电路运算放大器的基本组成 集成电路运算放大器的实质是高电压增益、高输入电阻和低输出 电阻的多级直接耦合放大电路。通常由输入级、中间级、输出级以及 偏置电路组成。 输入级通常采用恒流源式的差分式放大电路，通过发挥集成运放 内部参数匹配性好的特点，降低零点漂移、温度漂移；采用恒流源引 入共模负反馈，抑制共模信号，提高共模抑制比。 中间级又称电压放大级，其主要任务是提供足够大的电压增益， 向输出级提供大的推动电流，因此通常由共射放大电路组成。 输出级一般不要求提供高的电压放大倍数，而要求向负载提供足 够大的输出电流。通常输出级采用电压跟随器或互补对称的电压跟随 器。 偏置电路起到为输入级、中间极和输出级提供偏置电流，确定各 级静态工作点以及在放大电路中充当有源负载的作用。偏置电路主要 由电流源电路组成，常用的有镜像电流源、比例电流源和微电流源等 ，前两者提供的偏置电流较大，后者则可产生较小的偏置电流，适用 于输入级偏置电路。 2集成运算放大器线性应用电路 集成运算放大器实际上是高增益直耦多级放大电路，它实现线性 应用的必要条件是引入深度负反馈。此时，运放本身工作在线性区， 两输入端的电压与输出电压成线性关系，各种基本运算电路就是由集 成运放加上不同的输入回路和反馈回路构成。在分析由运放构成的各 种基本运算电路时。 注意：不同的输入方式（同相或反相）和负反馈这两个基本点。 3理想集成运放工作在线性区的两大特点 理想集成运放工作在线性区时，存在两个重要特征“虚短”和“虚断 ”。 “虚断”和“虚短”是分析集成运放构成的各种线性电路的重要依据。 “虚短”是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输 入端短接在一起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。虚短的必要条 件是运放引入深度负反馈。 “虚断”是指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。 这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大，就好像运放两个输入端 之间开路。但事实上并没有开路，称为“虚断”。 第二章第二章 运算放大电路运算放大电路 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及其应用 真空 器件 半导体 器件 集成电路 大规模 集成电路 集成电路的分类 1.按功能分类： 数字集成电路、模拟集成电路 2.按构成有源器件的类型分类： 双极型、单极型 3.按外形分类： 双列直插式、圆壳式、扁平式 4.按类型分类： 集成运算放大器、集成功率放大器、 集成比较器、集成稳压器等等 2.1 集成电路运算放大器 输入级中间级输出级 偏置电路 2.1 集成电路运算放大器 实质： 集成运放是具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。 对集成电路的多项 性能起决定性作用 提供足够大的电压放大倍数，要 求： 具有较高的电压放大倍数； 具有较大的输入电阻，减小对 前级的影响； 向输出级提供大电流。 提供足够大的输出功率； 具有较大的输入电阻，减小对 前级的影响； 具有较小的输出电阻，提高带 负载能力; 电压电压 增益为为1。 为输入级、中间级、输出级提供合 适的偏置电流，以确定各级静态工作 点; 作为有源负载，提高放大电路的电 压增益。 一. 内部组成单元 反相输入端 N 同相输入端 P O 输出端 二. 运算放大器的代表符号 “+”对应的端子同相输入端，即此端输入信号，将在输出端 得到一个与输入信号同相位的输出信号； “-”对应的端子反相输入端，即此端输入信号，将在输出端 得到一个与输入信号反相位的输出信号。 输入端P（同相输入端）、N（反相输入端）和输出端O的电压 分别为vP、vN、vO。 三. 运算放大器的电路模型 将运算放大器看作具有端口特性的标标准器件，用包含输输入端口、输输 出端口、供电电电电 源端的电电路模型表示。 输输入端口用输输入电电阻ri（较较大，通常为为106或更高）模拟拟，输输出端 口用输输出电电阻ro（较较小，通常为为100或更低）和受控电压电压 源Avo（vP-vN ）模拟拟。 开环环增益较较高，至少为为104，通常可高达106； 输输出电压电压 不能超越正负电负电 源电压值电压值 ，具有正负饱负饱 和极限值值（ +Vom =V+，-Vom = V-），实际输实际输 出电压电压 介于两者之间间，具体表示为为 电压传输电压传输 特性是指开环时环时 ，输输 出电压电压 与差模输输入电压电压 之间间的关系 。 运放的电压传输特性主要分为线性 区（当输入电压幅值较小时，输出电压 和输入电压之间呈线性关系）和非线性 区（限幅区）。 为使集成运放所组成的各种电路稳 定地工作在线性区，应引入负反馈。 三. 运算放大器的电压传输特性 例题 运放的开环电压增益Avo=2105，输入电阻ri=0.6M，电源电压 V+=+12V， V-=-12V 。（1）试求当时输入电压vo= Vom=+12V 时的最小 幅值vP- vN=?（2）输入电流ii？（3）画出传输特性。 1输出电压的饱和极限值等于电源电压，即 +Vom=V+，-Vom=V-； 2运放的开环电压增益很高，Avo，使得差分输入电压很小 时，运放仍可能进入饱和区； 3当输出电压未饱和时，差分输入电压必趋近于零，当运放输出 电压介于两饱和极限时，运放必工作在线性区； 4内部输入电阻ri近似认为无穷大，则两输入端的电流近似为零； 5. 内部输出电阻ro很低，可近似认为为零。 2.2 理想运算放大器 理想集成运放工作在线性区时， 存在两个重要特征“虚短”和“虚断”。 1“虚短” 集成运放工作在线线性区时时，其同 相输输入端和反相输输入端的电压电压 近似相 等，这这一特点称为为“虚短”。 v PvN 2“虚断” 集成运放工作在线线性区时时，其同 相输输入端和反向输输入端的输输入电电流均 近似为为零，这这一特点称为为“虚断”。 i +=i- 0 2.3 基本线性运放电路 2.3.1 同相放大电路 运放均视为理 想运放 主要技术指标 1闭环电压增益 Av的值只取决于运放外部的元 件值，与运放本身的参数无关。 3输出电阻 Ro= ro/（R1/ri）+R20 2输入电阻 电压跟随器 当R1=、R2=0时，输出电压与输入电压大小相等，相位相同， 对应的电路称为电压跟随器，常充当阻抗变换器或缓冲器。 电压跟随器接在高内阻信号源与负载间时，可消除负载变化对 输出电压的影响。 例题 磁电式电流表指针偏移满刻度时，流过动感线圈电流IM=100A ，当R1=2M时，可测得最大输入电压VS（max）？ 2.3.2 反相放大电路 输入电压经电阻R1加到反 相端，输出电压由电阻R2反馈 回反相端，同相端接地。 由于“虚短”，反相输入端 近似为地电位，称为反相端“ 虚地”反相放大电路在闭 环工作状态下的重要特征。 电路的输出电压与输入电压成比例，且相位相反。当R2R1 时，闭环电压增益为-1 ，输出电压与输入电压之间实现反相功能 ，此时的运算放大电路称为反相器或反相电电路。 2输入电阻 主要技术指标 1闭环电压增益 3输出电阻 Ro0 例题 （1）求图示电路的电压增益表达式； （2）该电路用作话筒的前置放大级，若选R1=51k， R2=R3=390k， 当vo=-100vi时，计算R4的值； （3）直接用R2代替T形网络中的电阻时，当R1=51k， Av=-100时，求R2 。 例题 直流豪伏表电路如图所示，当R2R3时，（1）试证明VS= （R1R3/R2）IM；（2）R3=1k，R1= R2=150k，输入信号电压 VS=100mV，通过毫伏表的最大电流IM（max）=？ 2.4 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 该电路是同相输入和反相输入相结合的放大电路，又称差分放大电路。 电电路的输输出电压电压 与两个输输入电压电压 之差成比例，即实现实现 差分 比例（求差）运算，主要用于减法运算、测测量放大器。 当R4 / R1 = R3/ R2时， 输入电阻 输出电阻 很小 例题 求图示高输入阻抗差分放大电路的输出电压的表达式，说明其特点。 2.4.2 仪用放大器 运放A1、A2按同相输输入接法组组成第一级级差分放大电电路，运放 A3组组成第二级级差分放大电电路。 通常R2、R4、R3为给为给 定值值，用可变电变电 阻代替R1，通过调节过调节 R1 来改变电压变电压 增益。 输输入电电阻 Ri 2.4.3 求和电路 多端输输入的反相输输入放大电电路。也可由同相放大电电路组组成。 当R1 = R2 =R3时时， 结论： 1.输出电压与各输入电压呈反相关系； 2.当改变某一输入回路的电阻时，仅改变输出电压与该路输入电压 的比例关系。 例题 某歌唱小组组有一个领领唱和两个伴唱，各自的歌声分别输别输 入三个话话 筒，各话话筒的内阻RS=500，接入如图图求和电电路。（1）求总总的输输出电电 压压vo的表达式；（2）当各话话筒产产生的电电信号为为vs=vs1=vs2=vs3=10mV时时 ，vo=2V，伴唱支路增益Av1= Av2，领领唱支路增益Av3= 2Av1，求各支路增 益；（3）选择电选择电 阻R1、R2、R3和R4的阻值值（要求阻值值小于100k）。 结论： 1. 实现同相求和运算； 2. 当改变某一输入回路的电阻时，将改变各路输入电压与输出电压 的比例关系； 例题：试用集成运放实现以下运算关系 uO = 0.2uI1-10uI2+1.3uI3 电路中多个输入信号同时实现加减法运算时，可采用两级反相 求和电路。 2.4.4 积分运算和微分运算 输出电压为输入电压对时间的积分，且两者相位相反。 一. 积分运算 1. 输入信号为阶跃信号时，可实现波形的转换； 2. 输出信号与时间成线性关系，向负方向增长，且增长速度与输入 电压的幅值成正比，与积分时间常数成反比； 3. 输出电压的最大值受直流电源电压限制； 4. 主要用作显示器的扫描电路、模数转换器、数学模拟运算器。 例题 电路中电源电压V+= 15V， V-= -15V ， R= 10 k，C= 5nF，输输入电压电压 vI波 形如图图所示，在t=0，电电容器的初始电电 压压vc（0）=0，试试画出输输出电压电压 vO的波 形，并标标出vO的幅值值。 输入波形为正弦波时，可实现波形的移相。 输出电压正比于输入电压对时间的微商，且两者相位相反。 输入电压为阶跃信号时，输出电压将逐渐衰减； 输入信号为正弦函数时，输出电压的幅值将随频率的增加而线 性增加，对高频躁声较为敏感。 微分电路主要用于波形变换，将矩形波变换成尖顶脉冲波。 二. 微分运算 第二章 自我测试 一判断题 1运算电路中一般均引入负反馈。（ ） 2在运算电路中，集成运放的反相输入端均为虚地。（ ） 3凡是运算电路都可利用“虚短”和“虚断”的概念求解运算关系。（ ） 二、选择题 1现有电路： A同相求和 B反相求和 C反相比例运算电路 D同相比例运算电路 E积分运算电路 F微分运算电路 （1）欲将正弦波电压移相90，应选用 ； （2）欲实现Au100的放大电路，应选用 。 （3）欲将方波电