第二章 集成运算放大器

1、 第二章 集成运算放大器电子电路基础电子电路基础运算放大器运算放大器 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 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 信号运算电路信号运算电路 2.5 小结小结运放符号：运放符号：vv+ vo v v+ voA0 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器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运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型+-vPvoriAvo(vP-vN)+-rovNNPO+-V-V+r ri i

2、：通常为：通常为1M1M , , 有的可达有的可达100100M M 以上。以上。A Avovo：一般在：一般在10105 5 10 107 7之间。之间。r ro o ：通常为：通常为100100 或更低或更低。集成运放线性放大区线性放大区所对应的输入信号范围很小范围很小。例如设Avo=105， 、 为10V，则Vim10/105 10-4V 100uVomVomV集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性 由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的称其所谓的理想运放理想运放

3、。 2.2 理想运算放大器理想运算放大器理想运放的条件理想运放的条件oAir0or)vv(vvooA虚短虚短vv0iI放大倍数与负载无关，可以放大倍数与负载无关，可以分开分析。分开分析。虚断虚断运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点分析运放组成的线性电路的出发点分析运放组成的线性电路的出发点虚短虚短虚断虚断放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关， 可以分开分析可以分开分析。0iIvvIivv+ vo2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。2.3.1 同相放大电路同相放大电路

4、（a）电路图）电路图 （b）小信号电路模型）小信号电路模型图图2.3.1 同相放大电路同相放大电路1. 基本电路基本电路 2.3.1 同相放大电路同相放大电路2. 负反馈的基本概念负反馈的基本概念 开环开环 闭环闭环 反馈：将放大电路输出量，反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路通过某种方式送回到输入回路的过程。的过程。 瞬时电位变化极性瞬时电位变化极性某时刻电位的斜率某时刻电位的斜率电路有电路有 vo Avo (vpvn)引入反馈后引入反馈后 vn 0，vp(vi)不变不变 (vpvn) vo o 使输出减小了，增益使输出减小了，增益Avvo/ /vi下降了，这时的反馈称为下降了

5、，这时的反馈称为负反馈负反馈。2.3.1 同相放大电路同相放大电路3. 虚假短路虚假短路 图中输出通过负反馈的作用，图中输出通过负反馈的作用，使使vn n自动地跟踪自动地跟踪vp p，即即vp pvn n，或或vididvp pvn n0 0。这种现象称为虚假短路，简称这种现象称为虚假短路，简称虚短虚短。 由于运放的输入电阻由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的很大，所以，运放两输入端之间的 ip- -in (vpvn) / ri 0，这种现象称为，这种现象称为虚断。虚断。 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

6、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4. 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 根据虚短和虚断的概念有根据虚短和虚断的概念有 vpvn， ip- -in0o211npivvvv RRR所以所以12121io1RRRRRA vvv（可作为公式直接使用）（可作为公式直接使用）2.3.1 同相放大电路同相放大电路4. 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 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 v

7、ivp，ii ip0所以所以 iiiivR（3）输出电阻）输出电阻Ro Ro0同相放大器的特点：同相放大器的特点：1、电压增益为正，且大于等于、电压增益为正，且大于等于1。2、输入电阻电阻很大。、输入电阻电阻很大。3、输出电阻低，负载能力较强。、输出电阻低，负载能力较强。4、存在共模输入信号。、存在共模输入信号。2.3.1 同相放大电路同相放大电路5. 电压跟随器电压跟随器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）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

8、. 011001vvvv RRR电压跟随器时电压跟随器时ip00，vpvs根据虚短和虚断有根据虚短和虚断有vovn vp vs 电压跟随器电压跟随器vIvO- -+AvNvP电压跟随器，输入电阻大，输出电阻电压跟随器，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输小，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。在电出器相同，但是电压跟随性能好。在电路中常用作阻抗变换器或缓冲器。路中常用作阻抗变换器或缓冲器。例例I1 + + - R1A vNvP直流电压表电路如图所示。直流电压表电路如图所示。设磁电式电流表满度电流设磁电式电流表满度电流IM=100uA, 当当R1=2M时

9、，时，求可测的最大输入电压求可测的最大输入电压Vs解：解：111RVRVIIsNM)V(RIVMs20010210100661由分析可知，电压表的读数正比于由分析可知，电压表的读数正比于Vs,与信号源内阻和仪表内阻无关。与信号源内阻和仪表内阻无关。RmIM磁电式磁电式电流表电流表+-VsRs（2 2）反相放大器反相放大器信号从反相端输入信号从反相端输入 vi vO - - + Rf R1 A vN vP R2 i1iff12/ RRR 称为平衡电阻称为平衡电阻0,1vviif根据根据“虚短虚短”和和“虚断虚断”有：有：111RvRvviiiivRRv1fO得到：得到：fOfOfRvRvvi v

10、i vO - - + Rf R1 A vN vP R2 1RRvvAfioVF反相放大器的特点：反相放大器的特点：1、运放的反相输入端为、运放的反相输入端为虚地虚地。2、共模信号输入信号为、共模信号输入信号为0。3、输入电阻小、输入电阻小, Ri = R14、输出电阻低，负载能力较强。、输出电阻低，负载能力较强。电位为电位为0 0，虚地，虚地例例i1if vi vO - - + R2R1 A vN vP RpR3R4v含有含有T型反馈网络的反相型反馈网络的反相放大器如图所示。求电压放大器如图所示。求电压放大倍数。放大倍数。解：解：ovR/RRR/Rv4234212RvRviif143232RR

11、RRRRAVF不用高值电阻就能获得高增益不用高值电阻就能获得高增益当当R2 R3时，时，（1）试证明）试证明VS( R3R1/R2 ) IM 解解:（1）根据虚断有）根据虚断有 II =0所以所以 I2 = IS = VS / R1 例例2.3.3直流毫伏表电路直流毫伏表电路（2）R1R2150k ，R31k ，输入信号电压输入信号电压VS100mV时，通过时，通过毫伏表的最大电流毫伏表的最大电流IM(max)？ 又又根据虚短有根据虚短有 VP = VN =0R2和和R3相当于并联，所以相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - - IM )所以所以1S332M)(RVRRRI 当当R2

12、 R3时，时，VS( R3R1/R2 ) IM （2）代入数据计算即可）代入数据计算即可end2.4 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)(i1i214ov

13、vRRv 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 2.4.1 求差电路求差电路从放大器角度看从放大器角度看14i1i2odRRvvvAv 时，时，2314RRRR )(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）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uoR1R1A3R2R2+uo2uo1+A1A2RRRWui1ui2ab+2.4.2 仪用放大器仪用放大器1 iauu 2ibuu WbaWooRuuRRuu

14、221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRR虚短路：虚短路：虚开路：虚开路：uo2uo1+A1A2RRRWui1ui2ab+)(21212iiWWouuRRRRRu 三运放电路是差三运放电路是差动放大器，放大动放大器，放大倍数可变。倍数可变。 由于输入均在同由于输入均在同相端，此电路的相端，此电路的输入电阻高。输入电阻高。)(1212ooouuRRuuoR1R1A3R2R2+例：例：由仪用放大器组成的温度测量电路。由仪用放大器组成的温度测量电路。E=+5VRRRRtuiRt ：热电阻：热电阻集成化仪用放大器集成化仪用放大器uoR1R1R2R2_A2RRRW+A1+A3Rt=f

15、 (TC)E=+5VRRRRtuiERRRREERRRutttti)( 22ERRRRRRRRRuRRRRRuttWWiWWo)( 2221212uoR1R1R2R2_A2RRRW+A1+A32.4.3 求和电路求和电路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）2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1. 积分电路积分电路式中，负号表示式中，负号表示vO

16、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 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当当vI I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 tRCd1IOvvtRCVI tV I1. 积分电路积分电路2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2. 微分电路微分电路tRCddIOv

17、v end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。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为电路，将其变化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路电平抬高电路A/D计算机计算机uiuouo = 0.5ui+2.5 Vuo =0.5ui +2.5 V =0.5 (ui +5) V_+10k 20k +5V5k ui20k uo1) 5( 5 . 0) 5(20101iiouuu) 5( 5 . 020201ioouuuuo_+20k 20k 10k 运算电路运算电路要求要求1. 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。路图及放大倍数公式。2. 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3. 会用会用 “虚开路虚开路(ii=