第二章运算放大器.ppt

1、2 运算放大器,2.1 集成电路运算放大器,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,电子技术的发展过程,电子管时代 1904年研制出世界上第一只电子管（真空二极管）。1906年研制出真空三极管。其中最著名的电子产品是世界上第一台电子计算机（使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦）-“庞然大物” 晶体管时代 1947年，美国贝尔实验室三位工程师发明了晶体管。晶体管以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快取代了电子管，但仍不能满足电子技术的飞速发展。比如1960年上市的通用型号计算机有10万个二极管和2.5万个

2、晶体管。一个晶体管有3条腿，复杂一些的电子设备就可能有数百万个焊接点，稍有不慎就极可能出现故障。 集成电路时代 1959年，美国德州仪器公司（TI）的研究人员在不超过4平方毫米的面积上，集成了大约20余个元件，这种由半导体元件构成的微型固体组合件被命名为集成电路（IC）。从此电子技术进入了集成电路时代。 1961年德州仪器公司研制出第一台用集成电路组装的计算机，该机共有587块集成电路，重300克，功率只有16瓦。,集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成运放简介,2.1 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,中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。

3、,输入级采用差分放大电路。,输出级采用互补对成放大电路和共集放大电路， 带负载能力很强。,本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路。,集成运算放大器外型举例,集成运算放大器外型举例,2.1 集成电路运算放大器,运算放大器的符号,（a）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号,反相输入端,同相输入端,输出端,集成运算放大器的管脚和外部接线图,2. 运算放大器的电路模型,图2.1.3 运算放大器的电路模型,通常： 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

4、) （ V vO V ）,2. 运算放大器的电路模型,当Avo(vPvN) V 时 vO V,当Avo(vPvN) V-时 vO V-,电压传输特性 vO f (vPvN),线性范围内 vOAvo(vPvN),Avo斜率,2.2 理想运算放大器,1. vo的饱和极限值等于运放的电源电压V和V,2. 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,3. 若V vO V 则 （vPvN）0,4. 输入电阻ri的阻值很高 使 iP 0、iN 0,5. 输出电阻很小， ro 0,图2.2.1 运放的简化电路模型,2.3 基本线性运放电路,2

5、.3.1 同相放大电路,2.3.2 反相放大电路,2.3.1 同相放大电路,（a）电路图 （b）小信号电路模型 图2.3.1 同相放大电路,1. 基本电路,2.3.1 同相放大电路,2. 负反馈的基本概念,开环,闭环,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。,瞬时电位变化极性某时刻电位的斜率,电路有 vo Avo (vpvn),引入反馈后,vn 0，vp(vi)不变, (vpvn), vo,使输出减小了，增益Avvo/vi下降了，这时的反馈称为负反馈。,2.3.1 同相放大电路,3. 虚假短路,图中输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp， 即vpvn，或vidvpvn0。

6、这种现象称为虚假短路，简称虚短,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。,2.3.1 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,（可作为公式直接使用）,2.3.1 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,Ro0,2.3.1 同相放大电路,

7、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）,电压跟随器的作用,无电压跟随器时 负载上得到的电压,电压跟随器时,ip0，vpvs,根据虚短和虚断有,vovn vp vs,2.3.2 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,2. 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 vn vp 0 ， ii0,所以 i1i2,即,（可作为公式直接使用）,2.3.2 反相放大电路,2. 几项技术指标的近似计算,（2）输入电阻Ri,（3）输出电阻Ro,Ro0,2.3.2 反相放大电路,当R2

8、 R3时， （1）试证明Vs( R3R1/R2 ) Im,解（1）根据虚断有 Ii =0,所以 I2 = Is = Vs / R1,例2.3.3直流毫伏表电路,（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压Vs100mV时，通过毫伏表的最大电流Im(max)？,又根据虚短有 Vp = Vn =0,R2和R3相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - Im ),所以,当R2 R3时，Vs( R3R1/R2 ) Im,（2）代入数据计算即可,当vi1=vi2 =0时，用叠加原理分别求出vi3=0和vi4 =0时的输出 电压vop。 当vi3 = vi4 =0时，用 叠加原理分别求出vi1=0

9、和vi2 =0时的输出电压von。,式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf,2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用,2.4.1 求差电路,2.4.2 仪用放大器,2.4.3 求和电路,2.4.4 积分电路和微分电路,2.4.1 求差电路,从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。,当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：,补充：用加法器构成减法器,2.4.1 求差电路,从放大器角度看,时，,增益为,（该电路也称为差分电路或减法电路）,2.4.1 求差电路,一种高输入电阻的差分电路,2.4.2 仪用放大器,调节R1可以改变放大器的增益。产品有数据放

10、大器，如AD624等， R1有引线连出，同时有一组R1接成分压器形式，可选择连线接成多种的R1阻值 。,2.4.3 求和电路,根据虚短、虚断和N点的KCL得：,若,则有,（该电路也称为加法电路）,2.4.4 积分电路和微分电路,1. 积分电路,式中，负号表示vO与vI在相位上是相反的。,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,因此,电容器被充电，其充电电流为,设电容器C的初始电压为零，则,（积分运算）,2.4.4 积分电路和微分电路,当vI为阶跃电压时，有,vO与 t 成线性关系,1. 积分电路,2.4.4 积分电路和微分电路,2. 微分电路,end,例:画出在 给定输入波形 作用下积分器 的输出波形。,(a