第八章 集成运算放大器8[1].2.2.ppt

第8章,集成运算放大器,8.2集成运放的线性应用理想模型分析法,根据集成运放输入端与被放大信号的连接方式，可以将集成运放电路分成三类：同相放大器：被放大信号与集成运放同相输入端相连反相放大器：被放大信号与集成运放反相输入端相连差动放大器：被放大信号与集成运放的两个输入端相连,图8.3是基本的同相放大器。输入电压信号直接加在集成运放的同相输入端。,8.2.1同相放大器,（a）同相放大器（b）同相放大器等效模型图8.3同相放大器及其模型,1.闭环电压增益由“虚断”可得=由“虚短”可得所以,且即（8.1）,对照例7.5，若将集成运放理想化，即令A电路增益表达式中，与本例的结果相同。2.输入电阻与输出电阻对理想集成运放，因为，所以闭环放大器的输入电阻为无穷大；因为=0，所以闭环放大器的输出电阻为零。,综合上述两点，同相放大器的等效模型如图8.3（b）所示。3.电压跟随器图8.3（a）中的电阻短路、开路，则电路变为图8.4（a）所示的电压跟随器。其等效电路如图8.4（b）所示。,（a）电压跟随器（b）电压跟随器等效模型图8.4电压跟随器,有以下几点内容需要说明。1.集成运放的开环增益非常大，但闭环增益与开环增益几乎无关，只是由外接电阻决定。2.闭环增益由外接电阻和的比值决定，但太小会从集成运放中获取太大的电流，太大的会增大电阻产生的噪声。所以，一般来说，与集成运放相连接的电阻都应在1k和10M之间。3.设计一个同相放大器非常简单，其步骤是，对给定的闭环增益，选择电阻，然后求电阻,4.负反馈类型电压取样电流求和负反馈（跨导放大器）,设计例题8.1目的：设计一个同相放大器同相放大器电路如8.5所示。要求闭环电压增益=80。输入电压源源内阻。求输出电压。已知直流电压源为,解：选择电阻：令=5k.由=80，可得=395k输出电压为,它超过了最大直流电源电压Vcc=12V。所以输出电压vo=Vcc=12V。,例题8.2目的：求同相放大器的理想增益及其与有限增益之间的误差。同相放大器电路如图8.5所示。已知输入电压源电压vs=100mV，源内阻Rs=10k。电路参数为：Rf=1M，R1=1k，集成运放的参数为Avo=104，ro=1k，Rid=100k。试计算：,(1)闭环电压增益(2)输出电压(3)理想增益和输出与实际增益和输出之间的误差。,解：(1)理想电压增益为Avf=1+Rf/R1=1+1000/1=1001(2)输出电压Vo=vsAvf=10(mV)*1001=10.01V(3)由例7.5可知，实际电压增益应为857。其相对误差为(1001-857)/857*100%=16.8%,同相加法器如图8.6所示。,8.2.2同相加法器,令表示由集成运放“+”端向外视入的电阻，则,由叠加原理可得,（8.2）,（8.3）,将式（8.3）代入式（8.1）可得():,=（8.4）若,，式（8.4）变为,设计一个三输入同相加法器，使输出与输入的关系为解：电路如图8.6所示。将题中输出与输入之间的关系式与式（8.4）比较可得,设计例题8.3目的：设计一个三输入同相加法器。,取式中=9.23k，由于集成运放的输入级是差动放大器，为了使差动放大器的两输入端对称，一般要求与同相输入端和反相输入端相连接的电阻相等，即。由图8.6可知（因为也可作为反相端的一个输入）：,说明：此题的解答并不唯一，但有两点是需要注意的。一是，另外一点是所有电阻应在1k10M范围内。,图8.7是基本的反相放大器。输入电压信号经过电阻加到集成运放的反相输入端。集成运放的同相输入端通过电阻接地。,8.2.3反相放大器,1.电压增益,由“虚断”与“虚短”可知，,且,所以,对比例7.9可知：电压增益是完全一致的。,2.输入电阻与输出电阻,输入电阻为,输出电阻为,说明：反相放大器的电压增益与集成运放的开环增益几乎无关，只是由外接电阻决定。反相放大器的输入电阻比同相放大器的输入电阻小得多。反相放大器的设计步骤也非常简单.电阻的取值范围也应在1k10M之间。,设计例题8.4目的：设计一个反相放大器。,已知信号源电压,源电阻,试设计一个反相放大器以保证输出电压为,输入电流不超过10,。假设集成运放的供电电压,解：采用图8.7所示的反相放大器电路（电压源内阻,与电阻,串联，图中未画出电阻,）。,另,最大输入电流,最小输入电阻为,反相加法器如图8.8所示。,8.2.4反相加法器,由叠加原理可得,（8.9）,若,（8.10）,为了保证差动输入端的两端连接的电阻应相等，即,所以,（8.11）,设计例题8.5目的：设计一个三输入反相放大器。,设计一个三输入反相放大器，使输出与输入关系为,解：电路如图8.8所示。,将题中要求的输出与输入关系与（8.9）对比可得,取,则,8.2.5加减法电路,加减法电路如图8.9所示。,由叠加原理可得,（8.12）,式中，,(8.13),（8.14）,根据,，有,（8.15）,所以,式（8.12）可简化为,(8.16),设计例题8.6目的：设计一个加减电路。,设计一个加减法电路，使输出与输入的关系为,解：电路如图8.9所示。,将题中要求的输出与输入关系式与式（8.16）对比可得,取,，则,取,，则,又,即,，可求得,8.2.6差动放大器,差动放大器的电路如图8.10所示，输入信号分别为,和,图8.10差动放大器,下面利用叠加原理和虚短、虚断的概念来分析输出,与,之间的关系。,当,单独作用时，,此时的输出电压为,，差动放大器相当于反相放大器，,（8.17）,当,单独作用时，,差动放大器相当于一个分压电路与一个同相放大器级联,此时的输出电压为,（8.18）,由式（8.17）和式（8.18）可得总的输出电压为,（8.19）,如果,，则输出电压为,（8.20）,上式表明，差动放大器的差模增益,根据虚短的概念，可得差动放大器的差模输入电阻为,（8.21）,若令,则,设计例题8.7目的：设计一个差动放大器，使其产生特定的电压增益和最小差模输入电阻。,电路如图8.10所示。设计电路参数，使其差模增益为30，,差模输入电阻最小为,解：由式（8.22）可得差模输入电阻为,所以,差模增益为,所以,说明：要想增大差模输入电阻，同时保证足够的差模增益，则必然要采用较大的电阻。,若不满足条件,，则必然存在共模输入信号。,共模输入电压定义为,（8.23）,共模增益为,（8.24）,式中,为共模输入电压,单独作用下（差模输入电压,）的输出电压。,共模抑制比定义为,（8.25）,例8.8目的：计算差模放大器的共模抑制比。,电路如图8.10所示。令,，求CMRR。,解：由式（8.19）得,即,（8.26）,差模输入电压为,（8.27）,共模输入电压为,所以,（8.28）,（8.29）,代入式（8.26）可得,（8.30）,即,又输出电压为,（8.31）,比较式（8.30）与式（8.31）可得,由式（8.25）可求得共模抑制比为,8.2.7电流电压转换器和电压电流转换器,图8.12电流电压转换器,图中，输入电阻,（8.38）,在许多情况下，可以设,，所以,（8.39）,（8.40）,即输出电压正比于输入电流，它们之比为反馈电阻的相反值。,与电流电压转换器相反的是电压电流转换器。如在某些场合可能需要将电压源转换成电流源来驱动磁路中的线圈。图8.13是电压电流转换器电路。,根据“虚短”的概念，有,又由“虚断”的概念，有,，即,（8.41）,由KCL，有,，即,（8.42）,由式（8.41）和式（8.42）可得,（8.43）,为了使,独立于,，可将电路参数设计为,（8.44）,这样，式（8.43）就变为,（8.45）,该式意味着，负载电流正比于输入电压，且与负载,无关。,但该电路的输入电阻会因负载阻抗的变化而变化。,例8.10目的：求电压电流转换器中负载的电流。,电路如图8.13所示。,若,，求负载电流,和输出电压,解：可以验证给定的参数满足式（8.44）。由式（8.45）可得,负载上的电压为,输出电压为,8.2.8积分器和微分器,1积分器,积分电路如图8.14所示。,由虚断、虚短的概念和电容的伏安关系可得,（8.46）,即,（8.47）,例8.11目的：求积分器的时间