模拟电子技术第2章集成运算放大器及线性应用

1、2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.2 理想运算放大器理想运算放大器2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2.4 同相输入和反相输入放大电同相输入和反相输入放大电 路的其他应用路的其他应用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2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器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2.1.2 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

2、号 （b）国内外常用符号）国内外常用符号图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型通常：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2. 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型2. 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型当当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)线

3、性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率 2.2 理想运算放大器理想运算放大器1、理想运算放大器的概念、理想运算放大器的概念 在分析由实际运算放大器组成的电路时，为了简化分在分析由实际运算放大器组成的电路时，为了简化分析，往往采用析，往往采用理想运算放大器理想运算放大器来代替。所谓理想运放，即来代替。所谓理想运放，即把实际运算放大器的参数理想化。把实际运算放大器的参数理想化。 理想运放有如下参数：理想运放有如下参数： rid ro0 IB1IB20 Avo VOS、IOS及温漂为零及温漂为零若若vPvN, 则则 vO= Vom=V若若vPvN,则则 vO= +Vom=V2、运放

4、工作在、运放工作在非线性区非线性区,即运放开环即运放开环3、运放工作在、运放工作在线性区线性区,即运放闭环（即运放闭环（引入负反馈引入负反馈）ip- -in (vpvn) / rid 0，这种现象称为，这种现象称为虚断。虚断。vp pvN N，或或vididvp pvN N0 0。这种现象称为。这种现象称为虚短虚短。 由运放引入负反馈而得到的由运放引入负反馈而得到的虚短虚短和和虚断虚断两个重要概念，是两个重要概念，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。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。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

5、2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路1. 基本电路基本电路 2.3.1 同相放大电路同相放大电路图图2.3.1 同相放大电路同相放大电路这是电压这是电压串联负反馈串联负反馈（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- -iN0o2Npivvvv RRR11所以所以12121io1RRRRRA vvv（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用） vI vO - - + R2 R1 A vN vP 2. 2. 几项技术指标的近似计算几项技术指标的近似计算ioRRvv)1(12 或或2.3.1 同相放大电路同相放大电路2. 几项技术指标的近似计算几

6、项技术指标的近似计算（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 ：00)/210 ooioRrRrRrR串联负反馈提串联负反馈提高输入电阻高输入电阻电压负反馈减电压负反馈减小输入电阻小输入电阻根据虚短和虚断有根据虚短和虚断有vovn vp vi1io vvvA（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）3. 电压跟随器电压跟随器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

7、负载上得到的电压负载上得到的电压ip00，vpvs根据虚短和虚断有根据虚短和虚断有vovn vp vs电压跟随器的作用电压跟随器的作用电压跟随器可起到变换电压跟随器可起到变换输入输出电阻的作用。输入输出电阻的作用。（b b）由虚短引出虚地）由虚短引出虚地v vn n0 0 1. 基本电路基本电路 图图2.3.5 反相放大电路反相放大电路（a）电路图）电路图2.3.2 反相放大电路反相放大电路这是电压并这是电压并联负反馈联负反馈（1）电压增益电压增益Av 根据根据虚短（地）虚短（地）和和虚断虚断的概念有：的概念有：所以所以 i1i2 12ioRRA vvv2on1niRRvvvv 即即（可作为公

8、式直接使用）（可作为公式直接使用）2. 2. 几项技术指标的近似计算几项技术指标的近似计算vn vp 0 ， ii02. 几项技术指标的近似计算几项技术指标的近似计算（2）输入电阻）输入电阻Ri 11iiiii/RRiR vvv（3）输出电阻）输出电阻Ro Ro02.3.2 反相放大电路反相放大电路 直流毫伏表电路如图，直流毫伏表电路如图，当当R2 R3时，试证明时，试证明 ： VS( R3R1/R2 ) IM 解解: 根据虚断有根据虚断有 II =0所以所以 I2 = IS = VS / R1 又因为又因为 VP VN = 0，1332332)(RVRRRIRRRISM 例例2.3.3 直流

9、毫伏表电路直流毫伏表电路即即 R3 (I2 - IM ) I2R2 = 0MS2MSIRRRVRRIRRRRV23133231 时时，当当故故有有MS2MSIRRRVRRIRRRRV23133231 时时，当当故故有有 2. 2.电流电流- -电压变换器电压变换器fRiS Ov输出电压与输入电流成比例。输出电压与输入电流成比例。则输出电流则输出电流SLfLfSLOO=iRRRRiRi vSOOS1=vvRiRi 或或已已知知输出电流与输入电压成比例。输出电流与输入电压成比例。负载不负载不接地接地3. 电压电压-电流变换器电流变换器 1、反相比例运算电路的输入电流基本上、反相比例运算电路的输入电

10、流基本上_流流过反馈电阻过反馈电阻Rf上的电流。上的电流。 课堂练习题课堂练习题 2、_运算电路的电压增益运算电路的电压增益Avf为为 Rf/R1。 3、_比例运算电路的特例是电压跟随器，比例运算电路的特例是电压跟随器，它具有它具有Ri很大和很大和Ro很小的特点，常用作缓冲器。很小的特点，常用作缓冲器。 A. 大于大于 B. 小于小于 C. 等于等于 D. 无关无关 A.反相比例反相比例 B.同相比例同相比例 C.加法加法 D.减法减法 A. 反相比例反相比例 B. 同相比例同相比例 C. 加法加法 D. 减法减法 4、电路如图所示，设运放是理想的。、电路如图所示，设运放是理想的。当输入电压当

11、输入电压vs 为为+1V时，则时，则vO =_V。 课堂练习题课堂练习题1A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 中山大学中山大学06年考研试题选年考研试题选解：（解：（1）利用虚短概念可得）利用虚短概念可得 Vo1= 0V；)()(:)(VVVKKKVoo9333201010222 可可得得应应用用虚虚短短和和虚虚断断的的概概念念)()(:)(VVVKKKVoo9333201010222 应应用用虚虚短短和和虚虚断断概概可可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 求和电路求和电路2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2.4 同相输入和反相输入放大电路

12、的其他应用同相输入和反相输入放大电路的其他应用 从结构上看，它是反相输入和从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。同相输入相结合的放大电路。4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i1i2i1vvvvv142323141)/1/)(1()(RRRRRRRRRRRRRRRRi2 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和n、p点的点的KCL得：得：pnvv 2.4.1 求差电路求差电路(差分式运算电路）差分式运算电路）i1i2i1vvvvv142323141)/1/)(1()(RRRRRRRRRRRRRRRRi2 电路引入的是电压串联和电路引入的是电压串联和电压并联两种负反馈。电压

13、并联两种负反馈。2.4.1 求差电路（求差电路（差动放大电路差动放大电路）从放大器角度看从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv ,2314时时当当RRRR )(i1i214ovvRRv 增益为增益为（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）或或 R1R3 = R2R4oovvv o110ifi2VRR ovv则则令令,用叠加原理求解差分电路用叠加原理求解差分电路2323141140iP1RRRRRRVRRRvvvoi1 则则令令,i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(2.4.1 求差电路求差电路一种高输入电阻的差分电路一种高输入电阻的差分电路Ri

14、 = Ri1 )21(123421ORRRRA vvvv2.4.2 仪用放大器仪用放大器求解求解:解：解：vs1和和vs2为为 差模输入差模输入信号，信号，R1的中点为的中点为交流交流零电位零电位。A3是双端输入是双端输入差动放大电路。差动放大电路。 数据放大器原理图数据放大器原理图)(21( S1S212o1o2ovvvvv RRS2122oS112o1)2/1()2/1(vvvvRRRR 显然调节显然调节R1可以可以改变放大器的增益。改变放大器的增益。求仪用放大器的输出表达式，并分析求仪用放大器的输出表达式，并分析R1的作用。的作用。S2122oS112o1)2/1 ()2/1 (vvvv

15、RRRR 1ni1Rvv - -3onRvv - 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和n n点点的的KCLKCL得：得：2i231i13ovvvRRRR - -321RRR 若若0pn vv2ni2Rvv - - 则有则有2i1iovvv - -（该电路也称为加法电路）（该电路也称为加法电路）2.4.3 求和电路求和电路例例2 2：电路如图电路如图，求求v0的数值。的数值。解：解：V 833221101IfIfIfvRRvRRvRR v64)6(424 3)241(02 v01020126)1261(vvv V9 01022123vv V219 这是由运放组这是由运放组成的三个电路成的三个电路加法加

16、法同相同相差分差分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0N v0I i因此因此RiiI12v 电容器被充电，其充电电流为电容器被充电，其充电电流为i2设电容器设电容器C C的初始电压为零，则的初始电压为零，则 tRCtiCd1d1I2ONvvv tRCd1IOvv（积分运算）（积分运算）2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路电路分析电路分析C为反馈元件，在冲放为反馈元件，在冲放电过程中，引入的是电过程中，引入的是电压并联负反馈电压并联负反馈当当v vI I为阶跃电压时，有

17、为阶跃电压时，有vO与与 t 成线性关系成线性关系 tRCd1IOvvtRCVI tV I积分电路输入阶跃电压积分电路输入阶跃电压t的大小受的大小受Vom值限制值限制Vom的大小受的大小受VCC的值限制的值限制 画出积分电路在以下几种阶跃画出积分电路在以下几种阶跃输入下的的输出波形。输入下的的输出波形。(a) 输入负阶跃信号输入负阶跃信号tRCVi ov解解：积分电路波形图例题积分电路波形图例题: :uIEOtuOOUOLt(a) 阶跃输入t1t2t3t412T12TuIEOEtuOOUomtUom(b) 方波输入uIEOtuOOUOLt(a) 阶跃输入t1t2t3t412T12TuIEO E

18、tuOO UomtUom(b) 方波输入 在在vi为负时，为负时，R两两端有电位差，产生反端有电位差，产生反向电流，对向电流，对C反向充反向充电，电，vo向反方向变化。向反方向变化。（b）输入正负对称的方波）输入正负对称的方波 注意：当输入信号在某一个时注意：当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一个时间段的最终数变的，保持前一个时间段的最终数值。因为没有放电回路，所以值。因为没有放电回路，所以C 不能不能放电，故输出电压放电，故输出电压vo o保持不变。保持不变。 若在运放的输出端接上负若在运放的输出端接上负载电阻载电阻RL，vo将有何变

19、化？将有何变化？(c) 输入正方波信号输入正方波信号tRCRiddI1Ovv 2. 微分电路微分电路 vN= vP= 0，i1= itvo . 电路结构：电路结构：. 电路分析：电路分析：. 画输出波形：画输出波形：tvi1. 二象限乘法器二象限乘法器（a）原理电路）原理电路 （b）同相（或反相）乘法器代表符号）同相（或反相）乘法器代表符号6.6.1 模拟乘法器的工作原理模拟乘法器的工作原理6.6.1 模拟乘法器的工作原理模拟乘法器的工作原理1. 二象限乘法器二象限乘法器电路的最后输电路的最后输 O112OvvRR YX12vvRRK 缺点：缺点： 精度差精度差 vY必须大于必须大于0V，只能实现两个象限的乘法运算，只能实现两个象限的乘法运算1 1、乘方、乘方 6.6.2 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用6.6.2 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用2 2、除法、除法 只有当只有当vX2为正极性时，才能保证运算