模拟电子技术基础第二章运算放大器

1、2 2 运算放大器运算放大器2.1 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.2 2.2 理想运算放大器理想运算放大器2.3 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2.4 2.4 同相输入和反相输入放大同相输入和反相输入放大电路的其他应用电路的其他应用2.1 集成电路运算放大器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集成电路运算放大器的内部组成单元图图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图 本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路

2、。出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路。图图2.1.2 运算放大器的代表符号运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号）国内外常用符号 (a) (b) 通常：通常： 开环电压增益开环电压增益 Avo的的 105 （很高）（很高） 输入电阻输入电阻 ri 106 （很大）（很大） 输出电阻输出电阻 ro 100 （很小）（很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 注意输入输出的相位关注意输入输出的相位关系系放大：在输入信号控制下，放大：在输入信号控制下，放大电路将供电电源能量转放大电路将供电电源能量转换成为输出信号能量。换成为输

3、出信号能量。线性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率当当Avo(vPvN) V 时时 vO V 当当Avo(vPvN) V- -时时 vO V- -电压传输特性电压传输特性 vO f (vPvN)2.2 理想运算放大器理想运算放大器 满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。 1.差模电压放大倍数差模电压放大倍数Avd= ，实际上，实际上Avd80dB即可即可 1.1.理想运算放大器的条件理想运算放大器的条件2.差模输入电阻差模输入电阻Rid= ，实际上，实际上Rid比输入端外电路的比输入端外电路的 电阻大电阻大2

4、3个量级即可。个量级即可。 3.输出电阻输出电阻Ro=0，实际上，实际上Ro比输入端外电路的电阻小比输入端外电路的电阻小12个个量级即可。量级即可。 4.带宽足够宽。带宽足够宽。 5.共模抑制比共模抑制比足够大。足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。标明显下降即可。 理想运算放大器具有理想运算放大器具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特性，这两个的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保

5、证线性运用特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环，运放必须在闭环( (负反馈）下工作。负反馈）下工作。 2.2.理想运算放大器的特性理想运算放大器的特性 (1) (1)虚短虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在开环电压放大倍数都在80 dB80 dB以上。而运放的输出电压是有限的以上。而运放的输出电压是有限的，一般在，一般在10 10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两两输入端近似等电位，相当于输入端近似等电位，相当于 “短路短路”

6、。开环电压放大倍数越大开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。两输入端的电位越接近相等。 “虚短虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。将两输入端真正短路。(2)(2)虚断虚断 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在放大器的输入电阻都在1 M1 M 以上。因此流入运放输以上。因此流入运放输入端的电流往往不足入端的电流往往不足1 1 A A

7、，远小于输入端外电路的，远小于输入端外电路的电流电流. .。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，入电阻越大，两输入端越接近开路两输入端越接近开路。 “虚断虚断”是指是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。然不能将两输入端真正断路。 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2.3.1 同相放大电路同相放大电路2.3.2 反相放大电路反相放大电路2.3.1 同相放大电路同相放大电路

8、（a）电路图）电路图1. 1. 基本电路基本电路 （b）小信号电路模型）小信号电路模型2. 2. 几项技术指标的近似计算几项技术指标的近似计算（1）电压增益电压增益Av 根据根据虚短虚短和和虚断虚断的概念有的概念有 vpvn， ip-in0o2npivRRRvvv 11所以所以12121io1RRRRRA vvv（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）（2）输入电阻）输入电阻Ri 输入电阻定义输入电阻定义 iiiivR 根据虚短和虚断有根据虚短和虚断有 vivp，ii ip0所以所以 iiiivR（3）输出电阻）输出电阻Ro Ro03. 3. 电压跟随器电压跟随器根据虚短和虚断有根据虚短和

9、虚断有vovn vp vi1io vvvA（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）电压跟随器的作用电压跟随器的作用无电压跟随器时无电压跟随器时 负载上得到的电压负载上得到的电压sssLsLo01. 011001vvvv RRR有电压跟随器时有电压跟随器时ip00，vpvs根据虚短和虚断根据虚短和虚断vovn vp vs2.3.2 反相放大电路反相放大电路（a）电路图）电路图1. 1. 基本电路基本电路 （b）由虚短引出虚地）由虚短引出虚地vn0 2. 2. 几项技术指标的近似计算几项技术指标的近似计算根据虚短和虚断的概念有根据虚短和虚断的概念有 vn vp 0 ， ii0所以所以 i1i2

10、 12ioRRA vvv2on1niRRvvvv 即即（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）（1）电压增益电压增益Av （2）输入电阻）输入电阻Ri 11ii1ii/RRiR vvv（3）输出电阻）输出电阻Ro Ro0若信号源是非理想的电压信号源，采用哪种放大电路更好？若信号源是非理想的电压信号源，采用哪种放大电路更好？ 同相放大电路同相放大电路 反相放大电路反相放大电路当当R2 R3时，时，（1）试证明）试证明Vs( R3R1/R2 ) Im 解（解（1）根据虚短和虚断有）根据虚短和虚断有Ii =0 Vp = Vn =0例例2.3.3直流毫伏表电路直流毫伏表电路（2）R1R2150k

11、，R31k ，输入信号电压输入信号电压Vs100mV时，通过时，通过毫伏表的电流毫伏表的电流Im(max)？ 所以所以 I2 = Is = Vs / R1 R2和和R3相当于并联，所以相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - Im )得得1s332mRVRRRI)( 当当R2 R3时，时，Vs( R3R1/R2 ) Im （2）代入数据计算即可）代入数据计算即可（指针偏转角度与（指针偏转角度与Im是线性关系）是线性关系） 2.4 同相输入和反相输入同相输入和反相输入放大电路的其他应用放大电路的其他应用2.4.1 求差电路求差电路2.4.2 仪用放大器仪用放大器2.4.3 求和电路求和电

12、路2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2.4.1 求差电路求差电路 从结构上看，它是反相从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放输入和同相输入相结合的放大电路。大电路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(当当,2314RRRR 则则)(i1i214ovvRRv 若继续有若继续有,14RR 则则i1i2ovvv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N、P P点的点的KCLKCL得：得：pnvv 从放大器角度看从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 时时2314RRRR )(i1i214ovvRRv 增益为

13、增益为（该电路也称为差分电路或减法电路）（该电路也称为差分电路或减法电路）当当差模输入电阻差模输入电阻时时2314RRRR 当当i1i2idvvv )( -)(41ido32ididRRiRRi vv2idpRi v4idonRi vvnpvv 21idididRRiR v此时有此时有4132idiiiii 输入电阻较小输入电阻较小一种高输入电阻的差分电路一种高输入电阻的差分电路如何提高输入电阻？如何提高输入电阻？ + - - i2 i3 P N R2 R3 R1 R4 vo i1 i4 vp vn vi2 vi1 vi1 A1 vi2 A2 A32.4.2 仪用放大器仪用放大器)21(123

14、421ORRRRA vvvv2.4.3 求和电路求和电路1ni1-Rvv3on-Rvv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N点点的的KCLKCL得：得：2i231 i13o-vRRvRRv 321RRR 若若0pn vv2ni2-Rvv 则有则有2i1 io-vvv 输出再接一级反相电路输出再接一级反相电路2i1 iovvv 可得可得（该电路也称为加法电路）（该电路也称为加法电路）2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1. 1. 积分电路积分电路式中，负号表示式中，负号表示vo与与vi在相位上是相反的。在相位上是相反的。根据根据“虚短虚短”，得，得根据根据“虚断虚断”，得，得0pn

15、vv0i i因此因此Rviii12 电容器被充电，其充电电流为电容器被充电，其充电电流为2i设电容器设电容器C的初始电压为零，则的初始电压为零，则 tRCtiCd1d1i2onvvv tvRCvd1io（积分运算）（积分运算）当当vi为阶跃电压时，有为阶跃电压时，有vo与与 t 成线性关系成线性关系 tvRCvd1iotRCVi tV i 与一般与一般RC电路相比该积电路相比该积分电路有何特点？分电路有何特点？ C i vi R vo 例例: :画出在画出在给定输入波形给定输入波形作用下积分器作用下积分器的输出波形。的输出波形。(a) 阶跃输入信号阶跃输入信号(b)方波输入信号方波输入信号积分

16、器的输入和输出波形积分器的输入和输出波形2. 2. 微分电路微分电路tvRCvddio end例：例：设计一个加减运算电路，设计一个加减运算电路， RF=240k ，使使vo=10vi1+ 8vi2 20vi3解解:(1) 画电路。画电路。系数为负的信系数为负的信号从反相端输号从反相端输入，系数为正入，系数为正的信号从同相的信号从同相端输入。端输入。(2) 求各电阻值。求各电阻值。FRRRRR/3421)(332211RvRvRvRviiiFok240FRvo=10vi1+ 8vi2 20vi3k241Rk302Rk123Rk804R优点：优点：元件少，成本低。元件少，成本低。)(443322115RvRvRvRvRviiiio缺点：缺点：要求要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不。阻值的调整计算不方便。方便。单运放的加减运算电路单运放的加减运算电路改进：改进：采用双运放电路。采用双运放电路。 例：例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现，现有信号变化范围为有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高。试设计一电平抬高