第二章运算放大器

1、第二章第二章 集成运算放大器集成运算放大器第二章第二章 集成运算放大器集成运算放大器2.1 2.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述2.2 2.2 理想运算放大器及分析方法理想运算放大器及分析方法2.3 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2.4 2.4 基本运算电路基本运算电路一、一、集成运算放大器集成运算放大器的特点的特点（1 1）直接耦合方式直接耦合方式，充分利用管子性能，充分利用管子性能良好的一致性良好的一致性采采用用差分放大电路和电流源电路差分放大电路和电流源电路。（2 2）用）用复杂电路实现高性能复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复的放大电路，因为电路的复杂化并不带来

2、工艺的复杂性。杂化并不带来工艺的复杂性。（3 3）用）用有源元件替代无源元件有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制，如用晶体管取代难于制作的大电阻。作的大电阻。（4 4）采用）采用复合管复合管。 集成运算放大器，简称集成运算放大器，简称集成运放集成运放，是一个，是一个高性能高性能的的直接直接耦合耦合多级放大电路多级放大电路。因首。因首先用于信号的运算先用于信号的运算，故而得名。，故而得名。2.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述差放和电流源电路差放和电流源电路复杂电路实现高性能复杂电路实现高性能有源元件替代无源元件有源元件替代无源元件复合管复合管直接耦合方式直接耦合方式集成运放的特点：

3、集成运放的特点： 前置级，多采用前置级，多采用差分放大电路差分放大电路。要求。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，输入端耐压高小，输入端耐压高。 主放大级，多采用主放大级，多采用共射放大电路共射放大电路。要求。要求有足够有足够的放大能力的放大能力。 功率级，多采用准功率级，多采用准互补输出级互补输出级。要求。要求Ro小，最小，最大不失真输出电压尽可能大大不失真输出电压尽可能大。为各级放大电路为各级放大电路设置合适的设置合适的静态静态工作点工作点。采用。采用电电流源流源电路。电路。二、二、集成运算放大器集成运算放大器的组成的组成二、二、集成运算放大器集成运算放大器的组成的组成两个两个输入端输入

4、端一个一个输出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为一，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。个双端输入、单端输出的差分放大电路。三、三、集成运算放大器电路模型及符号集成运算放大器电路模型及符号集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益电压增益高高 104输出电阻输出电阻小小 102输入电阻输入电阻大大 106 反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入端 u+ 输出端输出端 uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：输出端输出端 uo三、三、集成运算放大器电路模型及符号集成运算放大器电路模型及符号反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入

5、端 u+ 1. 最大输出电压最大输出电压 VOM 能使输出和输入保持能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 AVo 运放运放没有接反馈电路没有接反馈电路时的时的差模电压放大倍数差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 VICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失调

6、电压输入失调电压 VIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB四、四、集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数uouu+ 五、集成运算放大器的电压传输特性五、集成运算放大器的电压传输特性 u+ u uo线性区线性区饱和区饱和区线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +UOM u+ u 时，时， uo = UOM 由于由于Aod高达几十万倍高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为的数值仅为几十一百多微伏几十一

7、百多微伏。 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输出不是集成运放的输出不是UOM , 就是就是UOM，即集成运放工作在，即集成运放工作在非线性区非线性区。+UOM -UOM 饱和区饱和区实际运放的电压传输特性实际运放的电压传输特性( (了解了解) )：设：电源电压设：电源电压V VCCCC= =10V10V。 运放的运放的A AVOVO=10=104 4UUi i1mV1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。A AVOVO越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当A AVOVO时，线性区时，线性区0 0uOAod(uPuN)开环电压放大倍数开环电压放大倍数 A A

8、 V0 V0 =差模输入电阻差模输入电阻 R R id id =输出电阻输出电阻 R R 0 0 =0=0一、理想运算放大器：一、理想运算放大器： 电路引入负反馈！电路引入负反馈！理想运放工作在线性区条件：理想运放工作在线性区条件：2.2 理想运算放大器及分析方法理想运算放大器及分析方法线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)虚短（虚短（U UP P=U=UN N）虚断（虚断（i iP P=i=iN N=0=0）二、理想运算放大器分析方法：二、理想运算放大器分析方法：运放工作在非线性区的分析方法在第九章讨论运放工作在非线性区的分析方法在第九章讨论运放工作在线性区分析方法运放工作在线性区

9、分析方法开环电压放大倍数开环电压放大倍数 A AV0V0=差模输入电阻差模输入电阻 R Ridid=输出电阻输出电阻 R R0 0=0=0i iP Pi iN NuOAod(uPuN)2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路二、反相比例运算电路二、反相比例运算电路一、同相比例运算电路一、同相比例运算电路vIvO- -+RfR1AvNvPf1ii= =fON1N0RvvRv = = I1fO)1(vRRv = =输出与输入同相输出与输入同相vIvO- -+AvNvP虚短虚短虚断虚断特例特例PNvv= =R R1 1=Vo=ViVo=Vi电压跟随器，常作为阻抗变换器电压跟随器，常作为阻抗变换器P3

10、0一、同相比例运算电路一、同相比例运算电路i iP Pi iN NuOAod(VPVN)虚短（虚短（V VP P=V=VN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）iP P= = iN N=0=0IPvv= =vIvO- -+RfR1AvNvP例例 . R1=10k , Rf=20k , , Vi =-1V=-1V。求。求: : VoAv=1+ =1+20/10=3RfR1Vo= Av Vi=(3)(-1)= -3V 输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强V-=V+=Vi，所以共模输入等于输入信号，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模抑对运放的

11、共模抑制比要求高制比要求高一、同相比例运算电路一、同相比例运算电路特点：虚短（虚短（V VP P=V=VN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）vIvO- -+RfR1AvNvPR2fON1NIRvvRvv=I1fOvRRv = =输出与输入反相输出与输入反相虚短虚短虚断虚断PN= = vv平衡电阻平衡电阻R Rf f=R=R1 1特例特例R R2 2 = R1Rf Vo=-ViVo=-Vi二、反相比例运算电路二、反相比例运算电路 运放的前级是一个差放，为了保证差动放大器运放的前级是一个差放，为了保证差动放大器的对称性，其两个输入端的电阻必须相等。的对称性，其两个输入端的电阻

12、必须相等。 i iP Pi iN Ni iP P=i=iN N=0=0f1ii= =虚短（虚短（V VP P=V=VN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）=0=0例例 . R . R1 1=10k=10k , R , Rf f=20k=20k , , V Vi i =-1V=-1V。求。求: :V Vo o AV= -（Rf / R1）= -20/10= -2Vo= AV Vi=(-2)(-1)=2V 输入电阻输入电阻R1，输出电阻小，输出电阻小，带负载能力强带负载能力强 反相端虚地，故共模输入可视为反相端虚地，故共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低对运放共模抑制比要求

13、低 要求放大倍数较大时，要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差反馈电阻阻值高，稳定性差。二、反相比例运算电路二、反相比例运算电路特点：虚短（虚短（V VP P=V=VN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）vIvO- -+RfR1AvNvPR2 T T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路P32P321i 用用低电阻网络低电阻网络得到得到高增益高增益的放大电路的放大电路vIvO- -+RfR1AvNvPR2要求放大倍数较大时，要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差反馈电阻阻值高，稳定性差。1fIORRvv=虚短（虚短（U UP P=U=UN N）虚断（）虚断

14、（i iP P=i=iN N=0=0） 如果要求放大倍数如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M例：求电路的电压放大倍数例：求电路的电压放大倍数AvA1R1R8R2voR3R4viR7R6R5A2A3v+3vo3v+1ovRRRv4343=35631=vRRvoiovvRRRv=37881=887655443RRRRRRRRRvvAvio虚短（虚短（U UP P=U=UN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）反相放大反相放大同相放大同相放大2.4 基本运算电路基本运算电路一、减法运算电路一、减法运算电路二、加法运算电路二、加法运算电路四、微分运算电路四、微分运算电

15、路三、积分运算电路三、积分运算电路反相比例运算电路反相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路_+RfR1R2vi2voR3vi1虚短虚短虚断虚断PNvv= =fON1Ni1RvvRvv=3P2Pi20RvRvv=i11fi23231f1O)(vRRvRRRRRRv=一、差分式放大电路（减法电路）一、差分式放大电路（减法电路）NvPv结点电流法结点电流法虚短（虚短（U UP P=U=UN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）_+RfR1R2vi2voR3vi1反相放大器反相放大器i11fO1vRRv=NvPv一、差分式放大电路（减法电路）一、差分式放大电路（减法电路）叠加

16、定理叠加定理同相放大器同相放大器i23231f1O2)(vRRRRRRv=I1fO)1 (vRRv = =输出与输入同相输出与输入同相I1fOvRRv = =输出与输入反相输出与输入反相Vi1、 Vi2共同作用：共同作用：Vi1单独作用：单独作用：Vi2单独作用：单独作用：i11fi23231f1O)(vRRvRRRRRRv=虚短（虚短（U UP P=U=UN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）_+RfR1R2vi2voR3vi1特例特例减法器减法器当当,231fRRRR= =则则)(i1i21fOvvRRv=若继续有若继续有,1fRR = =则则i1i2Ovvv=i11f

17、i23231f1O)(vRRvRRRRRRv=NvPv一、差分式放大电路（减法电路）一、差分式放大电路（减法电路）虚短（虚短（U UP P=U=UN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）1NS1-RvvfON-Rvv= =根据根据虚短虚短、虚断虚断得：得：2S2f1S1fO-vRRvRRv = =f21RRR= = =若若2NS2-Rvv R2 Rf R1 vS2 vS1 iI vO N P + 则有则有2S1SO-vvv = =二、加法电路二、加法电路虚短（虚短（U UP P=U=UN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）结点电流法结点电流法 R2 Rf

18、R1 vS2 vS1 iI vO N P + 二、加法电路二、加法电路虚短（虚短（U UP P=U=UN N）虚断（）虚断（i iP P=i=iN N=0=0）叠加定理叠加定理反相放大器反相放大器s11fO1vRRv=NvPv反相放大器反相放大器2S2fO2-vRRv=Vs1、 Vs2共同作用：共同作用：Vs1单独作用：单独作用：Vs2单独作用：单独作用：）（2S2f1S1fO-vRRvRRv=设计思考题讨论设计思考题讨论1 1、v vo o= -10v= -10vS1S1R Ri i=10K=10K10K/100Kv vo o= 2 v= 2 vS1S1 5 v 5 vS2S22214142

19、)1 (sfsfovRRvRRRRRv=2 2、v vo o= 2 v= 2 vS1S1 5 v 5 vS2S22213sfsfovRRvRRv=例例:设计一加减运算电路设计一加减运算电路设计一加减运算电路，使设计一加减运算电路，使 Vo=2Vi1+5Vi2-10Vi3解：用双运放实现解：用双运放实现如果选Rf1= Rf2 =100K，且R4= 100K则：R1= 50K R2= 20K R5= 10K平衡电阻 R3= R1/ R2/ Rf1= 12.5KR6= R4/ R5/ Rf2= 8.3KVi2-+A1Rf1R3Vo1R2Vi1R1-+A2Rf2R6VoR4Vi3R5=-10Vi3-(2Vi1+5Vi2) =-（10Vi3+Vo1）电容元件理论回顾电容元件理论回顾 电容是储能元件。电容是储能元件。 聚集的电荷聚集的电荷q越越多多，电压，电压u就