第二章_运算放大器

第2章运算放大器 本章介绍集成运放内部主要结构 理想运放和电路模型 用线性电路理论分析由运放和电阻 电容等元件构成的简单应用电路 包括同相比例 反相比例放大 加法 减法 微分 积分及仪用放大器等 2 1集成运算放大器 内部组成单元 运算放大器电路模型 输入电阻很高 开环增益很大 运算放大器的电压传输特性 2 2理想运算放大器 一 理想运放的特性1 开环电压增益Aod 2 差模输入电阻rid 3 输入偏置电流IB1 IB2 04 输出电阻r0 05 共模抑制比CMRR 6 频带宽度BW 7 输入失调电压 输入失调电流以及它们的漂移均为零 理想运放电路模型 正向饱和区 U OH U OL 负向饱和区 U o O U 理想运放开环传输特性 二 两条重要的法则1 理想运放的两输入端之间的电压差为零 两输入端短路 2 理想运放的两输入端不取电流 两输入端之间开路 Ui 0 而ri 即两差动输入端相当于短路 但短路中又无电流流过 2 3基本线性运放电路 线性区在线性区 它的输出信号和输入信号满足如下的关系Uo Aod U U 通常 集成运放的Aod很大 为了使其工作在线性区 大都引入深度负反馈 以减小运放的净输入 保证输出电压不超出线性范围 特点 1 运放的同相输入端与反相输入端的电位相等 即U U 2 理想运放的输入电流等于零 集成运放的工作区分为线性区和非线性区 基本运算电路 加法电路 微分电路和积分电路 仪用放大器 减法电路 说明 1 对模拟量进行运算时 要求输出信号反映输入信号的某种运算结果 2 集成运放必须工作在线性区 同相比例放大电路 反相比例放大电路 1 同相比例运算电路 因为 所以 因为 所以 引入负反馈 虚短 虚断 若上图中的R1 或Rf 0 则Uo Ui 此时 该电路构成电压跟随器 分别如图 a b 所示 图 a 中 Rf具有限流保护作用 R Rf 以满足平衡条件 图电压跟随器通常作为阻抗变换器或缓冲器 2 反相比例运算电路 利用 虚地 和 虚断 的概念 一 求差 减法 电路二 仪用放大器三 同相 反相 输入求和电路四 微分电路和积分电路 2 4同相输入和反相输入放大电路的其它应用 一 减法电路 1 利用反相信号求和以实现减法运算 第一级为反相比例放大电路第二级为反相加法器 2 相减器 差动放大器 相减器的输出电压与两个输入信号之差成正比 这在许多场合得到应用 要实现相减 必须将信号分别送入运算放大器的同相端和反相端 二 仪用放大器 三 反相输入求和电路 在反相比例运算电路的基础上 增加一个输入支路 就构成了反相输入求和电路 见图 2 此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf 所以输出是两输入信号的比例和 图 2反相求和运算电路 同相输入求和电路 在同相比例运算电路的基础上 增加一个输入支路 就构成了同相输入求和电路 如图 3所示 图 3同相求和运算电路 因运放具有虚断的特性 对运放同相输入端的电位可用叠加原理求得 由此可得出 一 积分运算电路 二 微分运算电路 四 积分和微分运算电路 一 积分电路 工作原理 其中UCO是电容两端电压的初始值 用途 1 延迟 若将积分电路的输出作为电子开关的输入 例如 设R 100 C 0 05 F 在t 0时UCO 0 而u0经过 6V时 电子开关动作 若ui在t 0时 由0 3V 则解得T 1ms 即延迟时间为1ms 用途 2 将方波变为三角波 用途 3 移相900 设输入信号是正弦波 则 uo比ui超前900 且这个相位差与频率无关 但输出电压的幅度随频率升高而下降 4 在模数转换器中将电压量转换为时间量 复频域的传递函数为 积分器的传输函数为 根据反相比例放大器的运算关系 积分电路的输出电压的频域表达式为 传输函数的模 附加相移 二 微分电路 工作原理 因输入端存在 虚地 故 而i为也流过R 故 电路存在的问题 1 由于uo与ui成正比 uo对ui的变化非常敏感 故抗干扰能力差 2 RC环节对于反馈信号具有滞后作用 它和运放电路的滞后作用合在一起 可能引起自激发振荡 3 当ui发生突变时 uo过大 严重时将使电路不能正常工作 改进措施 限流 限制uo 方波发生器 锯齿波发生器 归纳与推广 在以上的电路中 一般Z1 Zf为R L C元件的组合 若以拉氏变换形式表示Z1 s Zf s s为复频率变量则 反相运算电路的一般数学表达式 因此 改变Z1 s Zf s 的形式 可实现不同的数学运算 例 如图运算电路 其传递函数 第一 二项