第二模块：集成运放基本电路

1、第十二讲 理想运算放大器,1 理想运放的概念,理想运放的技术参数应满足下列条件,开环差模电压增益 Aod=,差模输入电阻 Rid=,输出电阻 Rod=0,共模抑制比 KCMR=,输入偏置电流 IIB=0,开环带宽 KCMR=,Introduction-Basics,Basic Configuration of Op amps Three terminals (2 inputs and 1 output) Bipolar power supply Reference ground is the “power supply ground”,Basic Configuration of Op amp

2、s,Characteristics of Opamps,Output voltage is proportional to the difference between the two inputs. The open-loop gain A is very very large, and can be considered as infinite,Characteristics of Opamps,The two input terminals are “virtually open”. That is, the input impedance of the terminals are ve

3、ry very big (infinite). The output impedance is very very small and can be considered as zero.,Characteristics of Opamps,We would like opamps to amplify the amplitude of input signal by a factor of any arbitrary value; However, the open-loop gain is fixed and too large, therefore some external circu

4、its should be used to make the system close-loop; There are two configurations in terms of using the external circuits: Non-inverting and Inverting.,A virtual short circuit means that whatever voltage is at 2 will automatically appear at 1 because of the infinite gain A. But terminal 2 happens to be

5、 connected to ground; thus v1 = 0 and v2 = 0. We speak of terminal I as being a virtual groundthat is, having zero voltage but not physically connected to ground.,(3) 理想运算放大器的等效模型,理想运算放大器的开环电压增益Aod=,虚短,差模输入电阻 Rid=,虚断,：理想运放输出为有限值uo,II：理想运放输出电阻 Rod=0,运放电路简化分析的要点,输出端相当于理想电压源,虚断,虚短,运放构成的两种基本负反馈电路,1反相放大器

6、 (D01fanxiang.ms7),平衡电阻R=Rf / R1,何种反馈？,电压并联深度负反馈,电路性能分析：, 电路结构：,由虚断：,由虚短：,“虚地”,“虚地”是反相放大器的特点,反相比例运算放大器,完成比例运算,输入电阻,电压增益,2同相放大器 (D02tongxiang.ms7), 电路结构：,平衡电阻R=Rf / R1,何种反馈？,电压串联深度负反馈,电路性能分析：,由虚断：,由虚短：,电压增益,输入电阻,输出电阻,电压串联深度负反馈,电压跟随器,一、电压比较器基本概念,电压比较器是集成运放的另一类基本应用电路，作用是对两个输入电压进行比较，比较的结果及输出只有两种状态，既高电平和

7、低电平,当uiuREF,uo= uoH “1 ”,当uiuREF,uo= uoL “0 ”,模拟与数字电路的接口电路,一位模数转换电路,电压比较器 D03(dianyanbijiaoqi).ms7,2 集成运算放大器的非线性应用,1 理想运放工作在非线性区的特点,1) 开关特性,非线性区的理想运放内某些三极管饱和或截止，使运放工作在开关状态,输出电压的值只有两种可能：或等于正向饱和值；或等于负向饱和值。,时，发生状态的转换。,此时的输入电压称为“阀值电压”或“门限电压”，用UTH表示。,一般运放输出端不接限幅的情况下，输出电压的高、低电平在数值上分别与运放的正负电源电压值接近,理想特性,线性区

8、,uo=Aoduid =Aod(u+-u-),理想运放工作在非线性区时的特点,2)理想运放的输入电流等于零“虚断”,理想运放rid=，,3)理想运放工作在非线性区时不引入负反馈，一般工作在开环状态,只在判断临界状态时才适用“虚断”、“虚短”,4)鉴别灵敏度,Aud=,由于实际的运放,Aud,ui在UREF附近的一个很小范围内存在一个鉴别不灵敏区，在该范围内输出状态即非UOH又非UOL ，故无法实现对输入电平大小进行判别。,一般AudU鉴别灵敏度,2电压比较器,1) 反向电压比较器,ui,UR,基准参考电压,时，发生状态的转换。,此时的输入电压ui称为“阀值电压”或“门限电压”，用UTH表示。,

9、UTH UR,UoL,UoH,输入电压,0,2)过零比较器（零电平检测器）,根据虚断：,UOL,UOH,阀值电压：,过零比较器的输入、输出波形,0,0,3 集成运算放大器的线性应用,加法运算电路,反相加法运算电路,同相加法运算电路,差动加法运算电路,1反相加法运算电路,平衡电阻R=Rf / R1 / R2 / R3,由虚断：,由虚短：,由虚地：,若 R1 R2 R3 R,反相加法运算电路优点,（1）改变R1 R2 R3可调相加比例参数,（2）由于叠加点为虚地，输入信号之间满足线性叠加定理，互不影响。,2同相加法运算电路,电路平衡Rf / R= R / R1 / R2 / R3,由虚断：,由虚短

10、：,消除u+和u-得uo和ui关系式,若 R1 R2 R3,同相加法运算电路缺点,输入信号之间相互影响,由虚断：,7.4.2差动放大器,平衡电阻 R / R2 =Rf / R1,由虚断：,由虚短：,一般要求：R = Rf R2 =R1,Rf,差模电压增益,例1求输出电压表达式,uo2,uo1,同相放大器输出,同相放大器输出,差动放大器输出,例2求输出电压表达式,由虚断：,由“虚地”,例3求输出电压表达式,由虚断：,uo1,由虚短：,由反相放大器：,例4求输出电压表达式,由虚断：,由“虚地”,例5试设计一个加减运算电路，使uo=10ui1+8ui2-20ui3,加减运算电路的设计步骤,先根据函数

11、关系画出电路，然后计算参数,解(1) 画出电路,(2) 计算电阻,平衡电阻 R / R1 / R2 =Rf / R3,取Rf =240k,一般取 Rf =（几k 至1M）,uo1,例5试设计一个加减运算电路，使uo=10ui1+8ui2-20ui3,取Rf 1=,取Rf 2=,积分器,1 反相积分器,平衡电阻R=R,由虚断：,由“虚地”,实现模拟信号的积分运算，还可实现延时、移相、波形变换作用,反相放大器输出,当s=j0时，uo(s) ,uo(s) VCC,阻塞失真,Auf(s) ,2实际应用的积分器,反相比例放大器输出,当s=j0时，Auf (s) -Rf /R,避免阻塞失真,当sRf RCR时,微分器,实现模拟信号的微分运算，还可实现移相、波形变换作用,1反相微分器,平衡电阻R=Rf,由虚断：,由“虚地”,反相放大器输出,2实际应用的微分器,R限制输入电流，降低高频噪声,1/ CiC 高频噪声,Cf相位补偿，抑制自激振荡,对数和指数运算电路,由虚断：,由于PN 结电压与电流之间的关系,由“虚地”,基本对数运算电路的缺点,（1）由于UT和IS是温度的函数，因此运算精度受温度的影响。,（2）UDuuoUT在小信号时误差大。,（3）只在一定范围内满足,1 对数运算电路,（1）利用参数相同的对管抵消温度对Is的影响,改进措施,（2）利用热敏电阻