模电1503ch02华中科技电信系

1、12.1 集成电路运算放大器2 运算放大器2.2 理想运算放大器2.3 基本线性运放电路2.4 同相输入和反相输入放大电 路的其他应用第3次课第2次课22 运算放大器本章讨论的主要问题：集成运算放大器的电路模型、组成、主要技术指标理想电路模型闭环反馈特性分析增益和输入输出电阻计算同相放大电路反相放大电路其他应用电路 32 运算放大器会利用“虚短”和“虚断”概念本章的学习要求：分析计算各种运算电路的增益和输入输出电阻。本章是本课程的（绝对重点）学了这一章已经能够设计放大器学了这一章已经能够用PSpice软件进行仿真实验。4本教材特色先讲运算放大器。为什么先讲运算放大器？运算放大器是目前最实用、最

2、常用、最广泛的放大器。引言51.运算放大器样品图：2.0 认识集成电路运算放大器6集成电路是将半导体三极管、二极管、电阻等元件及连线全部集中制造在同一小块半导体基片上，成为一个完整的固体电路。集成电路的元件密度高、引线短、外部接线少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性，并且减低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。将彼此独立的三极管、二极管、电阻、电容等用导线连接成的电路称为分立元件电路。 集成运算放大器是基于集成工艺的直接耦合多级放大电路。2.关于运算放大器的定义：7集成8线性非线性乘除对指数 信号运算电路比例微积分加减 运放的基本应用 信号发生电路（信号振荡器）信号处理电路比较器有源

3、滤波器运算处理发生3.运算放大器按应用分类：91 通用型2 高速型和宽带型3 高精度(低漂移型）4 高输入阻抗型5 低功耗型种类较多时，各有优缺点，不能十全十美。十全十美时，种类会单一，如微软。4.运算放大器按特性分类：10前图看到运算放大器的内部结构十分复杂分析运算放大器采用归纳出来的统一的模型来分析。6.分析运算放大器的思路：第一章给出的放大器模型应该具有普遍适用性。由于此用第一章的放大器模型分析运算放大器是本章的分析思路。暂且避开运算放大器复杂的内部结构。11模拟电子电路设计特点：种类很多，是因为没有电路功能全面，只好根据需要选择设计搭配电路组合成一定的功能。电路输出电量的最大幅度一般是

4、由电源和电路结构决定。放大电路的构成思路用直流承载交流变化。用直流电路构造一个电量变化区域，一般来说电源的上下限值决定电路输出的最大可能幅度。V+V-122.1 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(简介）图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图正负双电源供电。同相反相双输入端三级（多级）放大总放大倍数为三级放大倍数之积最后一级为功放，电压放大倍数为1。单一输出端13关于反相：什么是反相？以基点反方向增量变化基点输入量增益为1的输出量增益为3的输出量142.1 集成电路运算放大器图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图差分电路输入电阻大,抗干扰能力强,前放的放大倍数不要

5、太大,要求低噪声.使放大倍数达到要求能够驱动负载一般用跟随器适当选择输出功率正负电源中点作为参考电位三级放大的特点也是放大电路设计的重要原则15小知识点：负载和带负载能力/驱动能力？带负载能力：负载：电压输出型电路，输入一定，增益一定，输出电压也一定，带负载能力就是提供电流的能力电流输出型电路，输入一定，增益一定，输出电流也一定，带负载能力就是提供电压的能力负载大：电阻小负载大：电阻大吸收一定功率的电路电路提供功率的能力162.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器的符号图2.1.2 运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号17182. 运算放大器的电路模型一般采用

6、正负双电源供电有些运放可以单正电源工作（1）.基本结构工作电压在高低电源电压之间变化。如：电源电压为+8V和-8V输出电压变动范围为：-8V+8V单电源使用时输出电压只能在正电源电压和零电位之间变化。1.电源部分双电源输出电压范围V+V-V+0单电源输出电压范围192. 运算放大器的电路模型图2.1.3 运算放大器的电路模型从输入端看进去：两输入之间等效一个交流输入电阻ri。（1）.基本结构2.输入部分差分输入：vp和vn这个交流输入电阻ri一般比较大-兆欧级vi=vp-vn注意输入不对公共端！202. 运算放大器的电路模型图2.1.3 运算放大器的电路模型受控源受控于输入之差值从输出端看进去

7、：等效一个交流输出电阻ro和一个受控源串联。（1）.基本结构3.输出部分交流输出电阻ro一般很小。百欧以下开环增益Avo一般很大。万倍级与放大模型的输出部分相同！212. 运算放大器的电路模型图2.1.3 运算放大器的电路模型 开环电压增益 Avo105 （很高） 输入电阻 ri 106 （很大） 输出电阻 ro 100 （很小） vOAvo(vPvN)（2）.主要参数总结：第2次课运算放大器传输函数：（ V vO V ） 如何理解运算放大器的传输函数？差分输入被放大Avo倍成为输出电压。特别提醒这里的输入是差分输入！。222. 运算放大器的电路模型当Avo(vPvN) V 时 当Avo(vP

8、vN) V-时 Rail To Rail实际器件一般输出电压最大值比电源电压小12V(3).特性运算放大器传输函数：vOAvo(vPvN)（ V vO V ） 输出电压最大值为多少？vO VvO V-232. 运算放大器的电路模型电压传输特性 vO f (vPvN)线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo是线性部分的斜率，非常陡峭微小的输入会：导致饱和运放的传输特性曲线两个工作区：线性区和饱和区(3).特性该放大器适合什么样的信号源什么样的负载？24解：输入信号只能小于60微伏只能放大微弱信号放大20万倍分析：太大的放大倍数不稳定运算放大器开环电压很大且是固定值需要有稳定措施252.2 理想运

9、算放大器1. 运放的开环电压增益很高 若（vPvN）0 则 vO= +Vom=V 若（vPvN）0 则 vO= Vom=V 图2.2.1 运放的简化电路模型运算放大器特性的理想化3. 输入电阻ri的阻值很高理想化：ri 2. 输出电阻很小理想化： Avo 理想化： iP 0、iN 0 理想化： ro0 262.2 理想运算放大器图2.2.1 运放的简化电路模型运算放大器特性理想化小结理想模型今后作为运算放大器统一标准使用iP 0、iN 0 理想化： Avo ro0 ri vOAvo(vNvP)但是仍然满足27理想：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)能放大什么信号？只能放大无穷小的信号

10、输入信号都要调整到很小理想模型放大倍数很大不能调而且大增益往往不稳定因此理想运算放大器需要采取一定措施才能用于放大信号282.3 基本线性运放电路2.3.1 同相放大电路2.3.2 反相放大电路-两个单输入放大电路292.3.1 同相放大电路1. 基本电路 考察如图同相输入电路开环放大时，vi输入信号必须很小。使放大器的净输入vp-vn减小，可使得vo脱离饱和如果将vo输出引回到vn端使vn上升。达到一个有限值vo通过R2和R1分压将电压加载到vn端302.3.1 同相放大电路1. 基本电路 R2阻值越大，vn得到的分压越小这时vo变大还是变小？R2越大vo越大。如此得到一个实用的同相输入放大

11、电路312.3.1 同相放大电路（a）电路图1. 基本电路 （b）小信号电路模型做出电路的小信号模型322.3.1 同相放大电路1. 基本电路 计算此时放大电路的增益：因为Avo332.3.1 同相放大电路1. 基本电路 分析此表达式：vo是R1和R2上的电压vi是R1和(vp-vn)上的电压(vp-vn)上的电压很小，因此可以认为(vp-vn)=0或vpvn，称为“虚假短路”即所谓的“虚短”342.3.1 同相放大电路2. 引入负反馈概念 开环：电路只有前向通道 闭环:电路中增加反向通道与前向通道形成闭合环路。 反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。 反馈有什么用处。 输

12、出信号引回到输入端对电路有什么影响？352.3.1 同相放大电路2. 负反馈的基本概念 瞬时电位变化极性用瞬时电位分析法分析反馈对电路的影响：某时刻各点电位的变化趋势（升还是降）根据输入点为上升影响沿路各点的电位的变化，用+表示上升，用-表示下降设定输入点电位为上升用+表示从输入点出发，沿前向通路到输出，再从输出沿反向通道回到输入口最后回到输入的电位变化使输入减少的过程称为负反馈362.3.1 同相放大电路2. 负反馈的基本概念根据 vo Avo (vpvn)引入反馈后 vn ，vp(vi)不变 (vpvn) vo 使输出减小了，放大电路增益Avvo/vi下降。负反馈最后能达到一个平衡的输出值

13、。负反馈会使纯输入减少(vpvn)注意是闭环放大倍数 372.3.1 同相放大电路2. 负反馈的基本概念 (vpvn) vo vo vn 负反馈达到输出平衡稳定的过程：（vPvN）0直到稳定再回顾这个过程：负反馈最后能达到一个稳定的输出值。假设稳定后的v0上升看电路的变化。能够抑制输出波动vp不变38小结瞬时电位分析法：1.从输入端用+开始2.同相端到输出端不变号3.过电阻或导线不变号4.反相端到输出端变号5.从输入端出发沿前向通道到输出端6.再沿反向通道回到输入端7.比较返回信号如果部分抵消原输入信号则为负反馈。39负反馈建立过程：1.起始阶段：输入加到输入端vp此时vn端暂时等于0V。净输

14、入vp-vn很大，因此vo上升很快。vo的上升同时带动vn的上升，导致vp-vn下降。此时vp-vn的下降，将减缓vo的上升。当vp-vn下降到，vo=Avo（vp-vn）时，系统达到平衡，保持稳定静止。2.稳幅阶段： (vpvn) vo vn vp不变 vo 40开环：闭环：412.3.1 同相放大电路3. 虚假短路在非线性区内，运放的差模输入电压vid= v+- v-可能很大,即v+ v-, 也就是说，此时，“虚短”现象不复存在电路加入负反馈后 vOAvo(vPvN)仍然成立。vO下降，vN上升，最后达到平衡由于 vOAvo(vPvN) vn很接近vp，即vpvn，或vidvpvn0。这种

15、现象称为虚假短路，简称虚短。 不是真短路，而是等同于短路，电流不能通过！Avo无穷大(vPvN) =vo/Avo0422.3.1 同相放大电路4. 虚假断路 由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的 ip-in (vpvn) / ri 0，这种现象称为虚断。 由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，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。在非线性区内，运放的差模输入电压vid= v+- v-可能很大,即v+ v-, 也就是说，此时，“虚短”现象不复存在不是真断开，而是等同于断开，电流可以通过。问题：如果Avo不大会怎么样？问题：如果R2太大会怎么样？432.

16、3.1 同相放大电路4. 几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有 vpvn， ip-in0所以由下图：（可作为公式直接使用）闭环放大倍数与运放的开环放大倍数无关仅与外接电阻相关442.3.1 同相放大电路4. 几项技术指标的近似计算（2）输入电阻Ri 输入电阻定义 根据虚短和虚断有 vivp，ii ip0所以（3）输出电阻Ro Ro0vi =0Avo(vPvN) 0受控源为零452.3.1 同相放大电路4. 几项技术指标的近似计算（4）同相放大器参数小结 Ro0适合什么样的使用环境？提示：输入电阻大，输出电阻小和开环放大电路比较在使用中最大的好处是什么？增益稳定可调整

17、462.3.1 同相放大电路5. 电压跟随器根据虚短和虚断有vovn vp vi（可作为公式直接使用）很有用的电路！常做最后的功放级47471.4.2 某电唱机拾音头内阻为1M，输出电压为1V（有效值），如果直接将它与10扬声器相接，扬声器上的电压为多少？如果在拾音头和扬声器之间接入一个放大电路，它的输入电阻Ri =1M，输出电阻Ro =10，电压增益为1，试求这时扬声器上的电压。该放大电路使用哪一类电路模型最方便？这时扬声器上的电压：两次均压0.25V该放大电路使用哪一类电路模型最方便？电压放大 Ro 1M1M101048电压跟随器的作用(回顾上次课的例子）无电压跟随器时 负载上得到的电压电

18、压跟随器时ip0，vpvs根据虚短和虚断有vovn vp vs电压决定于输入，电流由电源提供电流由谁提供?相当于阻抗变换！如何功率放大？问题：为什么增益等于1还有放大能力？492.3.1 同相放大电路同相放大器应该是一个什么放大器？输入输出同相比例放大器？比例关系：反馈电阻/输入端电阻+1比例关系与运放参数无关输出与负载无关调整反馈电阻或输入端电阻就能调整比例关系（放大倍数）无关但不能省掉。502.3.2 反相放大电路1. 基本电路 电路分析：输入改到了反相端，同相端接公共端。vo引回来的方式不变512.3.2 反相放大电路（a）电路图 （b）由虚短引出虚地vn0 图2.3.5 反相放大电路1. 基本电路 从反相端输入输出被引回到反相输入端输出被引回