模拟电子技术：CH02-1 运算放大器

1、1,2.1 集成电路运算放大器,2 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 路的其他应用,第3次课,第2次课,2,2 运算放大器,本章讨论的主要问题,集成运算放大器的,电路模型,组成,主要技术指标,理想电路模型,闭环反馈特性分析,增益和输入输出电阻计算,同相放大电路,反相放大电路,其他应用电路,http:/,3,2 运算放大器,会利用“虚短”和“虚断”概念,本章的学习要求,分析计算各种运算电路的增益和输入输出电阻,本章是本课程的（绝对重点,学了这一章已经能够设计放大器,学了这一章已经能够用PSpice软件进行仿真实验,4,本教材特色先讲运

2、算放大器,为什么先讲运算放大器,运算放大器是目前最实用、最常用、最广泛的放大器,引言,5,1.运算放大器样品图,2.0 认识集成电路运算放大器,6,集成电路是将半导体三极管、二极管、电阻等元件及连线全部集中制造在同一小块半导体基片上，成为一个完整的固体电路,集成电路的元件密度高、引线短、外部接线少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性，并且减低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代,将彼此独立的三极管、二极管、电阻、电容等用导线连接成的电路称为分立元件电路,集成运算放大器是基于集成工艺的直接耦合多级放大电路,2.关于运算放大器的定义,7,集成,8,信号运算电路,运放的基本应用,信号发生电路（

3、信号振荡器,信号处理电路,运算,处理,发生,3.运算放大器按应用分类,9,1 通用型 2 高速型和宽带型 3 高精度(低漂移型） 4 高输入阻抗型 5 低功耗型,种类较多时，各有优缺点，不能十全十美,十全十美时，种类会单一，如微软,4.运算放大器按特性分类,10,前图看到运算放大器的内部结构十分复杂,分析运算放大器采用归纳出来的统一的模型来分析,6.分析运算放大器的思路,第一章给出的放大器模型应该具有普遍适用性,由于此用第一章的放大器模型分析运算放大器是本章的分析思路,暂且避开运算放大器复杂的内部结构,11,模拟电子电路设计特点,种类很多，是因为没有电路功能全面，只好根据需要选择设计搭配电路组

4、合成一定的功能,电路输出电量的最大幅度一般是由电源和电路结构决定,放大电路的构成思路,用直流承载交流变化,用直流电路构造一个电量变化区域，一般来说电源的上下限值决定电路输出的最大可能幅度,12,2.1 集成电路运算放大器,1. 集成电路运算放大器的内部组成单元(简介,图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图,正负双电源供电,同相反相双输入端,三级（多级）放大,总放大倍数为三级放大倍数之积,最后一级为功放，电压放大倍数为1,单一输出端,13,关于反相,什么是反相,以基点反方向增量变化,基点,输入量,增益为1的输出量,增益为3的输出量,14,2.1 集成电路运算放大器,图2.1.1 集成运算放大

5、器的内部结构框图,差分电路输入电阻大,抗干扰能力强,前放的放大倍数不要太大,要求低噪声,使放大倍数达到要求,能够驱动负载一般用跟随器适当选择输出功率,正负电源中点作为参考电位,三级放大的特点,也是放大电路设计的重要原则,15,小知识点：负载和带负载能力/驱动能力,带负载能力,负载,电压输出型电路，输入一定，增益一定，输出电压也一定，带负载能力就是提供电流的能力,电流输出型电路，输入一定，增益一定，输出电流也一定，带负载能力就是提供电压的能力,负载大：电阻小,负载大：电阻大,吸收一定功率的电路,电路提供功率的能力,16,2.1 集成电路运算放大器,集成电路运算放大器的符号,图2.1.2 运算放大

6、器的代表符号 （a）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号,17,18,2. 运算放大器的电路模型,一般采用正负双电源供电,有些运放可以单正电源工作,1）.基本结构,工作电压在高低电源电压之间变化,如：电源电压为+8V和-8V,输出电压变动范围为：-8V+8V,单电源使用时输出电压只能在正电源电压和零电位之间变化,1.电源部分,19,2. 运算放大器的电路模型,图2.1.3 运算放大器的电路模型,从输入端看进去,两输入之间等效一个交流输入电阻ri,1）.基本结构,2.输入部分,差分输入：vp和vn,这个交流输入电阻ri一般比较大-兆欧级,vi=vp-vn,注意输入不对公共端,20,2. 运算

7、放大器的电路模型,图2.1.3 运算放大器的电路模型,受控源受控于输入之差值,从输出端看进去,等效一个交流输出电阻ro 和一个受控源串联,1）.基本结构,3.输出部分,交流输出电阻ro一般很小。百欧以下,开环增益Avo一般很大。万倍级,与放大模型的输出部分相同,21,2. 运算放大器的电路模型,图2.1.3 运算放大器的电路模型,开环电压增益 Avo105 （很高,输入电阻 ri 106 （很大,输出电阻 ro 100 （很小,vOAvo(vPvN,2）.主要参数总结,第2次课,运算放大器传输函数,V vO V,如何理解运算放大器的传输函数,差分输入被放大Avo倍成为输出电压,特别提醒这里的输

8、入是差分输入,22,2. 运算放大器的电路模型,当Avo(vPvN) V 时,当Avo(vPvN) V-时,Rail To Rail,实际器件一般输出电压最大值比电源电压小12V,3).特性,运算放大器传输函数,vOAvo(vPvN,V vO V,输出电压最大值为多少,vO V,vO V,23,2. 运算放大器的电路模型,电压传输特性 vO f (vPvN,线性范围内 vOAvo(vPvN,Avo是线性部分的斜率，非常陡峭,微小的输入会,导致饱和,运放的传输特性曲线,两个工作区：线性区和饱和区,3).特性,该放大器适合什么样的信号源什么样的负载,24,解,输入信号只能小于60微伏,只能放大微弱

9、信号,放大20万倍,分析,太大的放大倍数不稳定,运算放大器开环电压很大且是固定值,需要有稳定措施,25,2.2 理想运算放大器,1. 运放的开环电压增益很高 若（vPvN）0 则 vO= +Vom=V 若（vPvN）0 则 vO= Vom=V,图2.2.1 运放的简化电路模型,运算放大器特性的理想化,3. 输入电阻ri的阻值很高,2. 输出电阻很小,26,2.2 理想运算放大器,图2.2.1 运放的简化电路模型,运算放大器特性理想化小结,理想模型今后作为运算放大器统一标准使用,27,能放大什么信号,只能放大无穷小的信号,输入信号都要调整到很小,理想模型放大倍数很大不能调,而且大增益往往不稳定,

10、因此理想运算放大器需要采取一定措施才能用于放大信号,28,2.3 基本线性运放电路,2.3.1 同相放大电路,2.3.2 反相放大电路,两个单输入放大电路,29,2.3.1 同相放大电路,1. 基本电路,考察如图同相输入电路,开环放大时，vi输入信号必须很小,使放大器的净输入vp-vn减小，可使得vo脱离饱和,如果将vo输出引回到vn端使vn上升,达到一个有限值,vo通过R2和R1分压将电压加载到vn端,30,2.3.1 同相放大电路,1. 基本电路,R2阻值越大，vn得到的分压越小,这时vo变大还是变小,R2越大vo越大,如此得到一个实用的同相输入放大电路,31,2.3.1 同相放大电路,a

11、）电路图,1. 基本电路,b）小信号电路模型,做出电路的小信号模型,32,2.3.1 同相放大电路,1. 基本电路,计算此时放大电路的增益,因为Avo,33,2.3.1 同相放大电路,1. 基本电路,分析此表达式,vo是R1和R2上的电压,vi是R1和(vp-vn)上的电压,vp-vn)上的电压很小，因此可以认为(vp-vn)=0或vpvn，称为“虚假短路,即所谓的“虚短,34,2.3.1 同相放大电路,2. 引入负反馈概念,开环：电路只有前向通道,闭环:电路中增加反向通道与前向通道形成闭合环路,反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程,反馈有什么用处,输出信号引回到输入端对电

12、路有什么影响,35,2.3.1 同相放大电路,2. 负反馈的基本概念,瞬时电位变化极性,用瞬时电位分析法 分析反馈对电路的影响,某时刻各点电位的变化趋势 （升还是降,根据输入点为上升影响沿路各点的电位的变化，用+表示上升，用-表示下降,设定输入点电位为上升用+表示,从输入点出发，沿前向通路到输出，再从输出沿反向通道回到输入口,最后回到输入的电位变化使输入减少的过程称为负反馈,36,2.3.1 同相放大电路,2. 负反馈的基本概念,根据 vo Avo (vpvn,引入反馈后,vn ，vp(vi)不变,(vpvn,vo,使输出减小了，放大电路增益Avvo/vi下降,负反馈最后能达到一个平衡的输出值

13、,负反馈会使纯输入减少(vpvn,注意是闭环放大倍数,37,2.3.1 同相放大电路,2. 负反馈的基本概念,(vpvn,vo,vo,vn,负反馈达到输出平衡稳定的过程,vPvN）0,直到稳定,再回顾这个过程,负反馈最后能达到一个稳定的输出值,假设稳定后的v0上升看电路的变化,能够抑制输出波动,vp不变,38,小结瞬时电位分析法,1.从输入端用+开始,2.同相端到输出端不变号,3.过电阻或导线不变号,4.反相端到输出端变号,5.从输入端出发沿前向通道到输出端,6.再沿反向通道回到输入端,7.比较返回信号如果部分抵消原输入信号则为负反馈,39,负反馈建立过程,1.起始阶段,输入加到输入端vp,此

14、时vn端暂时等于0V,净输入vp-vn很大，因此vo上升很快,vo的上升同时带动vn的上升，导致vp-vn下降,此时vp-vn的下降，将减缓vo的上升,当vp-vn下降到，vo=Avo（vp-vn）时，系统达到平衡，保持稳定静止,2.稳幅阶段,(vpvn,vo,vn,vp不变,vo,40,开环,闭环,41,2.3.1 同相放大电路,3. 虚假短路,在非线性区内，运放的差模输入电压vid= v+- v-可能很大,即v+ v-, 也就是说，此时，“虚短”现象不复存在,电路加入负反馈后 vOAvo(vPvN) 仍然成立,vO下降，vN上升，最后达到平衡,由于 vOAvo(vPvN,vn很接近vp，即

15、vpvn，或vidvpvn0。 这种现象称为虚假短路，简称虚短,不是真短路，而是等同于短路，电流不能通过,Avo无穷大,vPvN) =vo/Avo0,42,2.3.1 同相放大电路,4. 虚假断路,由于运放的输入电阻ri很大， 所以，运放两输入端之间的 ip-in (vpvn) / ri 0， 这种现象称为虚断,由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器，必须熟练掌握,在非线性区内，运放的差模输入电压vid= v+- v-可能很大,即v+ v-, 也就是说，此时，“虚短”现象不复存在,不是真断开，而是等同于断开，电流可以通过,问题：如果Avo不大会

16、怎么样,问题：如果R2太大会怎么样,43,2.3.1 同相放大电路,4. 几项技术指标的近似计算,1）电压增益Av,根据虚短和虚断的概念有 vpvn， ip-in0,所以由下图,可作为公式直接使用,闭环放大倍数与运放的开环放大倍数无关 仅与外接电阻相关,44,2.3.1 同相放大电路,4. 几项技术指标的近似计算,2）输入电阻Ri,输入电阻定义,根据虚短和虚断有 vivp，ii ip0,所以,3）输出电阻Ro,Ro0,vi =0,Avo(vPvN) 0,受控源为零,45,2.3.1 同相放大电路,4. 几项技术指标的近似计算,4）同相放大器参数小结,Ro0,适合什么样的使用环境,提示：输入电阻

17、大，输出电阻小,和开环放大电路比较在使用中最大的好处是什么,增益稳定 可调整,46,2.3.1 同相放大电路,5. 电压跟随器,根据虚短和虚断有,vovn vp vi,可作为公式直接使用,很有用的电路,常做最后的功放级,47,47,1.4.2 某电唱机拾音头内阻为1M，输出电压为1V（有效值），如果直接将它与10扬声器相接，扬声器上的电压为多少？如果在拾音头和扬声器之间接入一个放大电路，它的输入电阻Ri =1M，输出电阻Ro =10，电压增益为1，试求这时扬声器上的电压。该放大电路使用哪一类电路模型最方便,这时扬声器上的电压：两次均压0.25V,该放大电路使用哪一类电路模型最方便,电压放大,1

18、M,1M,10,10,48,电压跟随器的作用(回顾上次课的例子,无电压跟随器时 负载上得到的电压,电压跟随器时,ip0，vpvs,根据虚短和虚断有,vovn vp vs,电压决定于输入， 电流由电源提供,电流由谁提供,相当于阻抗变换,如何功率放大,问题：为什么增益等于1还有放大能力,49,2.3.1 同相放大电路,同相放大器应该是一个什么放大器,输入输出同相,比例放大器,比例关系：反馈电阻/输入端电阻+1,比例关系与运放参数无关,输出与负载无关,调整反馈电阻或输入端电阻就能调整比例关系（放大倍数,无关但不能省掉,50,2.3.2 反相放大电路,1. 基本电路,电路分析,输入改到了反相端，同相端接公共端,vo引回来的方式不变,51,2.3.2 反相放大电路,a）电路图 （b）由虚短引出虚地vn0 图2.3.5 反相放大电路,1. 基本电路,从反相端输入,输出被引回到反相输入端,输出被引回到相同输入端,反馈判别,52,2. 几