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=0.05F。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、二项比例