5章 运放电路新

第五章,含有运算放大器的电阻电路,一些典型电路,含运放的电路分析方法,理想运算放 大器的外部特性,重点1,重点 2,重点 3,运算放大器,运算放大器简称运放，是一种多端集成电路，通常由数十个晶体管和一些电阻构成。运放是一种用途十分广泛的电子器件，现已有上千种不同型号的集成运放。早期，运放用来完成模拟信号求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。,5.1 运算放大器的电路模型,1. 简介,集成运算放大器,产生方波、锯齿波等波形,信号的发生电路,信号的处理电路,有源滤波器、精密整流电路、电压比较器、采样保持电路。,应用,信号的运算电路,比例、加、减、对数、指数、积分、微分等运算。,电路,频带过窄,线性范围小,缺点：,扩展频带,减小非线性失真,优点：,高增益,输入电阻大，输出电阻小,管脚,8个管脚：,2：倒向输入端3：非倒向输入端4、7：电源端6：输出端1、5：外接调零电位器8：空脚,单向放大,电路符号,a：倒向输入端，输入电压u,b：非倒向输入端，输入电压u+,o：输出端, 输出电压 uo,运放与外部电路连接的端钮只有四个：两个输入端、一个输出端和一个接地端，运放可看为是一个四端元件。,图中参考方向表示每一点对地的电压，在接地端未画出时尤须注意。,A：开环电压放大倍数，可达十几万倍。,: 公共端(接地端),注意,运放工作在直流和低频信号的条件下，其输出电压与差模输入电压的典型转移特性曲线uo=f(ud)如图示。,2. 运算放大器的静特性,该曲线有三个明显的特点：,1uo和ud数量级不同：uo用V; ud用mV。 2. 在输入信号很小(|ud|)的区域，曲线f(ud)近似于水平直线uo=Usat。Usat称为饱和电压，其量值比电源电压低2V左右，例如E+=15V, E-=-15V，则+Usat=13V, -Usat =-13V左右。工作于饱和区的运放，其输出特性与电压源相似。,线性工作区：,|ud| 则 uo= Usat,ud0,反向饱和区 ud0,u+= u-,i+=0 , i-=0,虚短,虚断,理想化条件：A Ri R00,5.2 比例电路的分析,1. 倒向比例器,运放开环工作极不稳定，一般外部接若干元件(R、C等)，使其工作在闭环状态。,用结点法分析：,(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui,-Gf un1(Gf+Go+GL)un2=GoAun1,整理，得：,(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui,-(Gf +GoA)un1(Gf+Go+GL)un2=0,解得：,2. 电路分析,当A很大，R0很小，Ri很大，再选择适当的R1和Rf，则有：,如，当A=50000，Ri=1M，R0=100，而Rf=100k，R1=10k，则：,根据“虚短”：,根据“虚断”：,u+ = u- =0， i1= ui/R1 i2= -uo /Rf,i-= 0，i2= i1,注意,当R1 和Rf 确定后，为使uo不超过饱和电压(即保证工作在线性区)，对ui有一定限制。,运放工作在开环状态极不稳定，振荡在饱和区；工作在闭环状态，输出电压由外电路决定。(Rf 接在输出端和反相输入端,称为负反馈)。,注意,3.非倒向比例器,uo =(R1 + R2)/R2 ui =(1+ R1/R2) ui,(uo-u-)/R1= u-/R2,根据“虚短”和“虚断”,uo与ui同相,当R2=，R1=0时， uo=ui，为电压跟随器,输入、输出关系与运放本身参数无关。,结论,5.3 含有理想运算放大器的电路分析,根据理想运放的性质，抓住以下两条规则：（a）倒向端和非倒向端的输入电流均为零 “虚断”；（b）对于公共端，倒向输入端的电压与非倒向输入端的电压相等 “虚短”。,1. 分析方法,合理地运用这两条规则，并与结点电压法相结合。,（1）电压跟随器, 输入阻抗无穷大(虚断)；, 输出阻抗为零；,应用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。, uo= ui。,电路A,电路B,特点,2. 典型电路,例,B电路,解：网络 N1和N2的转移电压比为,例1 电路如图1所示，试计算开关接在a和a 位置，及接在b和b 位置时的转移电压比uo/uin。,开关S1、S2接在a、a 时，在 N1和 N2间插入电压跟随器，不会影响u1和K1的值，又由于跟随器的输出电阻为零，N2的接入不会影响u2的值，即u1=u2。该电路总的转移电压比为,开关 S1、S2接在b、b 时， N1和 N2直接相连，由于N2输入电阻对N1的影响，K1将会变化，总转移电压比为,由此例可见，使用缓冲器可以隔离两个电路的相互影响，从而简化了电路的分析与设计。,（2）加法器,比例加法器：y =a1x1+a2x2+a3x3 ，符号如下图：,ui1/R1+ ui2 /R2+ ui3 /R3 =-uo /Rf,uo= -(Rf /R1 ui1 +Rf /R2 ui2+Rf /R3 ui3),（3）减法运算,u-=u+,i-=i+=0,i1= if,解得：,图(b)是一个反相放大器。,图(c)是一个同相放大器电路。,图(a)是一个减法放大电路。,小结,（4）负阻变换器,用外加电源法求出 a、b两端的VCR关系, 从而求得输入电阻Rab。利用理想运放的虚短路特性，再用观察法列出,得到,代入KVL方程,解得,当R1=R2时,例如R1=R2=1k，Rf=10k，Usat=10V，且运放输入端ab两点间电压u0.5V时，Rab=-10k。,上式表明该电路可将正电阻Rf变换为一个负电阻。为了实现负电阻，要求运放必须工作于线性区，即 ，负电阻上的电压应满足,例1 试用运放(例如LM741)、电阻器和电位器构成一个线性电阻器，其阻值从-10k到+10k连续可调。,解：由图所示电路模型，画出其电原理图。在实验室按图接线，并接通电源，则在ad两点间形成一个Rad=-Rf=-10k的线性电阻器。,为得到一个从-10k到+10k可连续变化的电阻，将一个20k电位器用作可变电阻器与上述负电阻串联，其总电阻为,当电位器滑动端从b点向c点移动时， Rbd则从-10k到