第11章运算放大器

1、+VCCRBRCC1C2T 固定偏置共射极放大电路固定偏置共射极放大电路uiRSusuoRLVCCRCC1C2TRL+RB1uoRSusRB2RE+CE能够自动稳定静态工作点能够自动稳定静态工作点T+uiuoRSC1RBC2RERL+VCC静态分析静态分析动态分析动态分析估算法估算法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法图解法图解法11.1.111.1.1运算放大器的组成运算放大器的组成1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好；2. 二极管多用三极管的发射结代替；二极管多用三极管的发射结代替；3. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电阻的阻值受到限制，大

2、电阻常用三极管恒流源代替， 电位器需外接；电位器需外接；4. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。和变压器均需外接。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。 a. 集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器中间级中间级 电压放大器电压放大器输入级输入级中间级中间级 输出级输出级-UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输

3、入端输入端T3T4T5T1T2ISb.原理框图：原理框图： 输入级输入级中间级中间级输出级输出级+UCCUEE u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS对输入级的要求：对输入级的要求：尽量抑制零点漂移和共模噪声尽量抑制零点漂移和共模噪声 , , 增大输入阻抗增大输入阻抗 ri 。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。输入级输入级中间级中间级 输出级输出级UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级 输出级输出级UEE+UCC u+uo u反相反相输入

4、端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，即输出主要提高带负载能力，即输出阻抗阻抗 ro小。给出足够的输出电流小。给出足够的输出电流io 。c. 集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号uu+ uo u u+ uoA0 ri 大大: :几百几百 k k 以上以上d.运放的特点：运放的特点：共模抑制比共模抑制比KCMR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 开环开环A o 很大很大:10:104 4 10 107 7理想理想运放：运放： ri KCMR ro 0 0Ao 1. 运算放大器的电压传输特性运算放大器的电压传输特性 u

5、o= f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uiuo+2. 理想运放工作在理想运放工作在线性区线性区的分析依据的分析依据+iiuiriduiiirid=对于理想运放对于理想运放相当于两输入端之间相当于两输入端之间断路断路uOii 0rid,+相当于两输入端之间相当于两输入端之间短路短路ui 0,2. 理想运放工作在理想运放工作在线性区线性区的分析依据的分析依据对于理想运放对于理想运放 u u+Auouo=uiu=u Auo+uiuO+uiuo由由“虚断路虚断路”原则原则 ii = 0 , 有有 u+=0 ； u+ u = 0如图，运放工作在线性放大区：如图，运放工作在线性放大区：

6、由由“虚短路虚短路”原则原则2. 理想运放工作在理想运放工作在线性区线性区的分析依据的分析依据“虚断路虚断路”成立；成立；3. 理想运放工作在理想运放工作在非线性区非线性区的分析依据的分析依据注意注意: u+ = u 输出输出u0只有两种可能：只有两种可能：u+u-时，时，u0= UOM;u+1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 1）. 串联反馈使电路的输入电阻增加：串联反馈使电路的输入电阻增加：ioifR)FA(R+= 1i iT+uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE: 电压串联负反馈电压串联负反馈FArr0ifi1+ += =o0of)1(rFAr+ += =

7、FArr0oof1+ += = 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。即有恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。即有恒流输出特性，故输出电阻提高。T+uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE: 电压串联负反馈电压串联负反馈uf加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FufAuiuo+uiduo大大小小uiA接近正弦波接近正弦波无负反馈无负反馈f|Au|理想运放工作在理想运放工作在线性区线性区的分析依据的分析依据+iiuiriduOii

8、0+ u u+“虚断路虚断路”成立；成立；理想运放工作在理想运放工作在非线性区非线性区的分析依据的分析依据注意注意: u+ = u 输出输出u0只有两种可能：只有两种可能：u+u-时，时，u0= UOM;u+R4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uouo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFRFRR1 12uiuouf2. 同相比例运算电路同相比例运算电路 uo = 1+ u+RFR1 1 = 1+ ui RF R1 1虚断路虚断路id 0虚短路虚短路uiu =+uou = fR

9、1R1 RF+u-u =+故有：故有：_+ + uiuoiouuuu=+此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。极输出器相同，但是电压跟随性能好。电压跟随器电压跟随器3. 差动比例运算电路差动比例运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析ui1i2uu0=uo+u0= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3

10、F1u o31. 反相加法运算电路反相加法运算电路Pui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3if11.3.2 2 1.差动比例运算电路差动比例运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析ui1i2uu0=uo+u0= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R311.3.3 减法运算电路减法运算电路 11ui1212. 两级反相输入减法运算电路两级反相输入减法运算电路132212N2N1

11、uoF1uRRRRRRRi2F2uo= ui1 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2uO = (1 + )(ui2 ui1)RFR2R1RP3. 精密测量放大电路精密测量放大电路ui反相积分运算电路反相积分运算电路CFuo211.3.4 积分电路积分电路由虚断和虚地由虚断和虚地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidtuuOi 11.3.5 反相微分运算电路反相微分运算电路C1 duidtuo= RF C1 uouiF输出与输入的关系式为输出与输入的关系式为若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出波形为ic

12、1ic1CF应用举例：应用举例：PID调节器调节器21uouiC1F输出与输入的关系式为输出与输入的关系式为duiu = ( + ) + RFC1 + ui dt ouiRFR1R1CFC1CFdt1R1R2uouiUOM-UOMuiuo(1) 反相输入过零比较器反相输入过零比较器0-UOMUOM(2) 同相输入过零比较器同相输入过零比较器uiuo0R1R2uouiR1R2UOM-UOMttUOM-UOM000uiuouOuiuiuo-UZUZ0uiuoR1R2R3DzuiuoUZ2. 过零限幅比较器过零限幅比较器1. 输出电压跃变的条件输出电压跃变的条件uu =+由此可求出电压比较器的门限电压由此可求出电压比较器的门限电压UT对过零比较器对过零比较器 门限电压门限电压 UT = 0 02. 电压传输特性电压传输特性uu +uo0 0；时，时，uu +uo0 0。时，时，输出端不接输出端不接 DZ时时， uo = UOM输出端接输出端接 DZ限幅时限幅时， uo = UZ例：求：例：求：Q，Av, ri, ro作业题作业题 11.3.1