第二章-运算放大器(第五版)

1、1 集成电路运算放大器2 理想运算放大器3 基本线性运放电路4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用一、主要内容一、主要内容二、重点及难点二、重点及难点1 掌握理想放大器的基本特点及典型放大电路的应用2 难点典型放大电路的应用在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。简单来说，称为集成电路。简单来说，集成电路是把元器件和集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而连接导线全部制作在一小块硅片上而成成的电路。的电路。集成电路按其功能来分，有数

2、字集成电路和模拟集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。常用的其他模拟集成电路等。引引 言言运算放大器外形图运算放大器外形图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

3、构框图,PNOV V v v v 运算放大器方框图1. 输入级差分放大输入级差分放大：均采用差动放大电路组成，可减：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响，提高整个电路共模抑制比。小温度漂移的影响，提高整个电路共模抑制比。2. 中间级电压放大中间级电压放大：多采用有源负载的共射极放大电：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复合管可提高电压增益。路，有源负载及复合管可提高电压增益。3. 输出级功率放大输出级功率放大：互补对称功放。：互补对称功放。4. 偏置电路偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电：用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路组成。流源电路组成。表示信表示信号从号

4、从左左( (输输入端入端) )向右向右( (输输出端出端) )传输传输的方向。的方向。vNvPvOvNvPvOvN或或v：反相输入端反相输入端，信号从此端输入信号从此端输入(vP=0)，输出信，输出信号和输入信号反相。号和输入信号反相。vP或或v+：同相输入端同相输入端，信号从此端输入信号从此端输入(vN=0) ，输出信，输出信号和输入信号同相。号和输入信号同相。vO：输出端输出端。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2. 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型图图2.1.3 运算放大器的电

5、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)线性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率输出电压与其两个输入端的电压输出电压与其两个输入端的电压之

6、间存在线性放大关系，即之间存在线性放大关系，即)(odONPuuAu集成运放的工作区域集成运放的工作区域线性区域：线性区域：Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大倍数非线性区域：非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。uOuP-uN+UOM-UOM例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻输入电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值时输入

7、电压的最小幅值vP-vN=?输入电流输入电流ii=?(2)画出传输特性曲线画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。说明运放的两个区域。 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例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入输入电阻电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值时输入电压的最小幅值vP-vN=? 输入电流输入电流ii=?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解：由解：由/PNOvo

8、vvvA当当vo=Vom=12V时时512/(2 10 )60VA PNvv()/iPNiivvr660/(0.6 10 )A 100pA 例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入输入电阻电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。 (2)画出传输特性曲线画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。说明运放的两个区域。 解：取解：取a点（点（+60V,+12V），）， b点（点（-60V,-12V），连接），连接a、b两点得两点得ab线线段，其斜率段，其斜率Avo=2105, vP

9、-vN 60 V，则运放进入非线性区。，则运放进入非线性区。运放的电压传输特性如图所示。运放的电压传输特性如图所示。Avo=2105(+60V,+12V)(-60V,-12V)2.2 理想运算放大器理想运算放大器1. vo o的饱和极限值等于运放的饱和极限值等于运放的电源电压的电源电压V和和V 2. 运放的开环电压增益很高运放的开环电压增益很高 若（若（vPvN）0 则则 vO= +Vom=V 若（若（vPvN）0 则则 vO= Vom=V 3. 若若V vO 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 I1 =0所以所以 I2 = I

10、s = 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

11、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,RRRR2314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 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14i1i2odRR

12、vvvAv 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）例例2.4.1 一种高输入电阻的差分电路如图一种高输入电阻的差分电路如图2.4.22.4.2所示。求输所示。求输出电压的表达式，并说明其特点出电压的表达式，并说明其特点)i11121i2222o1i2222ov(vv(vvRRRRRRR同相放大求差电路输入阻抗为无穷大2.4.2 仪用放大器仪用放大器)21(123421ORRRRA vvvv同相放大求差电路2.4.3 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

13、N点点的的KCLKCL得：得：2i231 i13o-vRRvRRv 321RRR 若若0pn vv2ni2-Rvv 则有则有2i1 io-vvv （该电路也称为加法电路）（该电路也称为加法电路）解，该电路为求和电路虚短、虚断1. 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1. 积分电路积分电路根据根据“虚短虚短”，得得根据根据“虚断虚断”，得得0NPvv0i i因此因此21ii 即即cNIiRvvdtdVCiCc又又即即dtdVCdtdVCRvOCI tRCd1IOvv2.4.4 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

14、关系成线性关系 tRCd1IOvvtRCVi tV i 1. 积分电路积分电路vO与t成线性关系，电容器被充电，使其电压达到运放的输出最大幅度时，进入非线性区，由于受到限幅保持输出最大值。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tRCddIOvv 根据根据“虚短虚短”，得，得根据根据“虚断虚断”，得，得0NPvv0i i因此因此ii 1设C初始电压vc(0)=0V，当输入电压vIuit0t0uotuisin若输入：若输入：则：则：)90sin(costRCtRCuo高频信号将产生较大的噪声。高频信号将产生较大的噪声。Auo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的

15、线性范围越小，必须在在输出与输入输出与输入之间之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。0or例、已知下图所示各电路中的集成运放均为理想运例、已知下图所示各电路中的集成运放均为理想运放。放。1. 试说明各运放组成何种电路；试说明各运放组成何种电路；2. 试分别求解各电路的运算关系。试分别求解各电路的运算关系。 解：图（解：图（a）所示电路）所示电路A1A1为求和运算电路、为求和运算电路、 A2A2为为积

16、分电路。积分电路。 d1 )1 ()( )a (O1OI343421f2I21I1fO1tuRCuuRRRRRRRuRuRu练习、练习、 电路如下图所示，集成运放输出电压电路如下图所示，集成运放输出电压的最大幅值为的最大幅值为14V，填表。，填表。 uI/V0.10.51.01.5uO1/V uO2/V 解：解：uO1(Rf /R) uI10 uI，uO2(1+Rf /R ) uI11 uI。当集成运放工作到非线性区时，输出电压不是14V，就是14V。uI/V0.10.51.01.5uO1/V151014uO2/V1.15.51114练习、练习、 在下图（a）所示电路中，已知输入电压uI的波形

17、如图（b）所示，当t0时uO0。试画出输出电压uO的波形。 解解：输出电压的表达式为 )(d11O IO21tutuRCutt)()(100 )()(10101 )()(11O12I1O12I75112IOtuttututtututtuRCuO若t0时uO0，则t5ms时 uO10055103V2.5V。当uI为常量时 当t15mS时 uO100(5)10103（2.5）V2.5V。因此输出波形如下图所示。 电压电压电流变换电路电流变换电路测量放大电路测量放大电路单电源供电放大电路单电源供电放大电路稳压电源稳压电源电压电压电流变换电路电流变换电路 电流电流电压变换电路电压变换电路IsUo= -

18、IsRfUoRfRP-+RLUsUo-+R1IL 电压电压电流变换电路电流变换电路IL=Us/R1测量放大电路测量放大电路 电桥放大器电桥放大器RfRRR RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。RX的阻值随被测量的变化而变，的阻值随被测量的变化而变，RX=R+ R.当当RX=R时电桥平衡，时电桥平衡，Ui=0,Uo=0当当RX产生产生 R变化时，输出电压将变化变化时，输出电压将变化 Uo， Uo正比于正比于 R。当电阻当电阻RfR,且相对变化且相对变化 = R/RU-时，时，Uo为正饱和值为正饱和值 当当U+U-时，时，Uo为负饱和值为负饱和值 闭环运放的两种基本电路闭环运放的两种基本电路1. 反相放大器。它实质上是一个电压并联负反馈放大器，反相放大器。它实质上是一个电压并联负反馈放大器，