模拟电子电路7-2.ppt

1、7.5 理想运算放大器,7.5.1 运放的理想参数,工程上常常将集成运放的各项技术指标进行理想化，将其看作一个理想的运算放大电路。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Ro0；,输入失调电压UIO0、输入失调电流IIO0，以及它们的温漂UIO0、IIO0；,共模抑制比KCMR；,输入偏置电流IIB0；,开环带宽BW,7.5 理想运算放大器,7.5.2 理想运放的等效模型和分析方法,引入“零子”和“极子”（或称“任意子”）两种假想的电路元件,所谓“零子”，是指端子间电压为零，流过端子的电流也为零的二端电路元件,所谓“极子”是指端子间电压为任意

2、值、流过端子的电流也为任意值的二端电路元件,根据理想集成运放的特性，可以将其看成一个由“零子”和“极子”构成的等效模型,理想集成运放的特性：, 运放的输入端可以看作“零子”,由于受到电源电压值的限制，运放的输出电压uo总是有限值,开环差模电压增益Aod,或：u+u-,称为“虚短”，这是集成运放的一个重要特性,7.5 理想运算放大器,7.5.2 理想运放的等效模型和分析方法,理想集成运放的特性：, 运放的输入端可以看作“零子”,由于受到电源电压值的限制，运放的输出电压uo总是有限值,开环差模电压增益Aod,或：u+u-,称为“虚短”，这是集成运放的一个重要特性,又因为理想运放的差模输入电阻Rid

3、，则流入运放的电流iid也趋近于零,集成运放输入端口不汲取电流看成“虚断”, 运放的输出端可以看作理想的电压源（即内阻Ro=0）,根据理想运放的“虚短”和“虚断”两个特性，这样可以大大简化电路的分析过程,7.5.3 运放构成的两种基本负反馈电路,休息1,休息2,返回,由于理想运放的开环差模电压增益Aod，当要求集成运放工作在线性区时，必须给集成运放外接一定类型的负反馈电路，下面介绍两种集成运放工作在线性区的基本负反馈电路。,1. 反相放大器,输入信号加在反相输入端，反馈电阻Rf构成电压并联负反馈组态,同相输入端接平衡电阻R，其阻值为R= R1/ Rf,反相输入端的节点上，ii= i-+if,根

4、据 “虚断”的特性，流入运放的电流i-=0，于是可得：ii=if,同相输入端，由于“虚断”，流入运放的电流i+=0, u-=u+=0,称为“虚地点”， “虚地”是反相放大器电路的一个重要特点。,反相放大器电路引入了电压并联负反馈，故电路的输入电阻不大，输出电阻较低。,Rif=R1，,Rof=0,电路仿真,7.5.3 运放构成的两种基本负反馈电路,休息1,休息2,返回,2. 同相放大器,输入信号加在同相输入端，反馈电阻Rf构成深度电压串联负反馈,同相输入端接平衡电阻R，其阻值为R= R1/ Rf,根据“虚短”的特性，u-=u+=ui,由“虚断”的特性，iR1=if，,同相放大器引入深度电压串联负

5、反馈，可得到较高的输入电阻和较低的输出电阻。,如果使同相放大器反相输入端的电阻开路(即R1)，或反馈电阻短路(Rf=0),可得Auf =1，称为“电压跟随器”。,Rif=，,Rof=0,电路仿真,7.5.3 运放构成的两种基本负反馈电路,休息1,休息2,返回,例题 一种常见的同相放大器的电路结构如图所示。试求电路的闭环电压增益。,解：根据图所示的电路结构，可写出闭环电压增益的表达式为,由“虚断”的特性；,由同相放大器：,所以,Rif=R2+R1， Rof=0,电路仿真,7.6 集成运算放大器的线性应用,7.6.1 加法运算电路,1.反相加法运算电路,输入信号ui1、ui2、ui3经过各路电阻R

6、1、R2、R3加在反相输入端,平衡电阻R为：R=R1/R2/R3/Rf,根据“虚断”，有：i1+i2+i3=if,如果电路中各电阻满足R1=R2=R3=R,由“虚地”的概念：u-=u+= 0,反相加法运算电路的优点为：改变某一路输入信号的电阻值，不会影响其它路输入与输出之间的比例关系，可以方便、灵活地调整输出与各输入信号的比例关系。在实际应用得到广泛应用。,电路仿真,7.6 集成运算放大器的线性应用,2. 同相加法运算电路,输入信号ui1、ui2、ui3经过各路电阻R1、R2、R3加在同相输入端,反馈电阻Rf接到反相输入端,输出信号uo相对同相输入端信号u+构成同相运算放大器电路,式中，Rp=

7、R1/R2/R3/R,根据“虚断” ，由i1+i2+i3=i，可得,同相加法运算电路的问题：电阻Rp与各输入电路的电阻有关，给电路的调整带来不便。改变某一路输入信号的电阻值，会影响其它路输入与输出之间的比例关系，调整繁琐，较少使用 。,电路仿真,7.6.2 差动放大器,差动放大器可以实现输出电压与输入电压的减法运算,输入电压ui1、ui2分别加在集成运放的反相输入端和同相输入端,为了使运放的两个输入端对地电阻相等，要求R1/Rf = R2/R,根据“虚断”的特性，在反相输入端，可以列出方程,根据“虚断”特性，同相输入端：,利用 “虚短”特性，有：u-=u+,考虑到：R1/Rf = R2/R，则

8、有,Rid= R1+ R2=2R1,运放构成的差动放大器有一个不足，电阻值Rf不是非常大时，不能同时达到高增益和高输入阻抗的要求,电路仿真,7.6.3 测量放大器,为了解决差动放大器很难同时获得较高的输入阻抗和较高增益的问题。一种解决的方法是在信号源和相应的输入端之间接入电压跟随器。,这样的设计也存在着不足之处，不能方便地根据需要调整放大器的增益。,流过电阻R1的电流为：,“虚短”特性：u1-= ui1，u2-= ui2,电阻R2中的电流也为il，且运放Al和A2的输出电压分别为,差动放大器的输出为：,由于信号输入到A1和A2的同相端，所以输入阻抗非常大。闭环差模增益为电阻R1的函数，通过调节

9、R1就可以改变放大器的增益。,电路仿真1,电路仿真2,电容的容抗以Zf=1/sC表示,输出端与反相输入端之间引入以电容C为反馈元件的深度负反馈,7.6.4 积分器,1. 反相积分器,“虚短”特性：u-=u+=0 ，即uo= -u,利用反相放大电路的电压增益可表示为,由拉氏的反变换，把上式转换为时间域函数,电容端电压u与流过电容的电流i可以用积分关系表示,2. 实际应用的积分器,当输入信号频率很低或接近直流信号0，即s0时，则有Auf(s)，电路会因增益过大而出现阻塞，使输出产生严重上的非线性失真。,实际应用中，常在电容C的支路并联一个电阻Rf，防止电路出现阻塞,当s=j0时，增益为有限值,电路

10、仿真,7.6.4 微分器,电路仿真,1. 反相微分器,微分是积分的逆运算。将反相积分电路中电阻和电容的位置互换，就可构成反相微分电路,反相放大器电压增益的表达式可得:,拉氏函数转换为时间域函数，得,2. 实际应用的微分器,微分电路uo对ui的变化非常敏感，抗干扰性能差；另外，RC电路对反馈信号具有滞后作用，与运放内部电路的滞后作用相叠加产生自激振荡。,常在输入端串联电阻R，限制输入电流，降低高频噪声；在反馈支路上并联一个电容Cf,7.7 集成运算放大器的非线性应用,电路仿真,7.7.1 对数和指数运算电路,在集成运放的应用中，如果在其输出端与输入端之间加上深度负反馈非线性网络，可以实现对数、指

11、数等模拟运算功能以及其它非线性变换功能等。,1. 对数运算电路,对数运算电路非线性元件二极管VD作为反馈网络,当输入电压ui为正值时，二极管导通,根据“虚短”的特性: ud= -uo,由二极管的PN结方程，得：,udUT时，近似为,取对数并化简:,实际应用中，为获得大的工作范围,常用三极管代替二极管,7.7.1 对数和指数运算电路,指数运算是对数的逆运算，只要将对数运算电路中的二极管和电阻的位置互换，就可构成指数运算电路,2. 指数运算电路,由“虚断”和“虚短”的特性:,由二极管的PN结方程，得：,uiUT时，近似为,指数运算同对数运算电路一样，其运算精度也受到温度的影响,电路仿真,整理后，可

12、得:,7.7.2波形变换电路,波形变换电路属于非线性变换电路，把二极管接入运算放大器组成的电路中，利用二极管单向导电性，产生输出信号波形变换的作用,1. 检波与绝对值电路,(1) 检波电路,检波二极管VD1接在反馈支路中，VD2接在运放A输出端与电路输出端之间,电路工作原理分析：,输出电压: uo=0,电路仿真,当ui0时，由uo10，VD1导通，VD2截止,当ui0，VD2导通，VD1截止,输出电压为:,运放检波器，即使输入信号电压幅值为微伏数量级，仍能正常检波，能克服普通二极管检波电路失真大，传输效率低的固有缺点,1. 检波与绝对值电路,(2) 绝对值电路,绝对值电路又称全波整流电路,在检

13、波器的基础上，输出端加一级加法器，即可构成绝对值电路,ui0时，检波器A1输出电压为uo1=0。加法器A2的输出电压uo为：,电路仿真,电路原理分析：,如果取,可得:,2. 限幅电路,基本功能：当输入信号电压进入限幅区后，输出信号电压不再跟随输入信号电压的变化而改变，振幅基本保持不变。,（1）串联限幅电路,限幅二极管VD串接在运放A的反向输入端，参考电压(-UR)作二极管VD的反偏电压，控制限幅门限值Uth。,在二极管VD未导通之前，电压UA为：,电路原理分析：,令刚好能使二极管VD导通的输入电压ui称为限幅电路的门限值电压Uth,由于u-=0(虚地),即当ui=Uth时， UA=UD,电路仿

14、真,整理可得门限值电压,式中UD=0.7V,当uiUth时，VD截至，输出电压uo=0，电路进入限幅区,当uiUth时，VD导通，相当一个反向放大器，uo随ui的变化关系为,7.8 集成运放的其它应用简介,休息1,休息2,返回,7.8.1 电压比较器,7.8.1 电压比较器,返回,2. 理想运放工作在非线性区的特点,（1）理想运放的开关特性,理想运放工作在非线性区时，差模输入电压u+u，不再存在“虚短”现象，而是通过对两个输入电压大小的比较，输出两种稳定状态：高电平或低电平。,当u+u-时，输出电压uo为高电平UoH，即uo=UoH；,当u+u-时，输出电压uo为低电平UoL，即uo=UoL,

15、一般运放在输出端不接限幅电路的情况下，输出电压的高、低电平在数值上分别与运放的正、负电源电压值相接近。,（2）电路结构的特点,当运放工作在线性区域时，一般不加负反馈（即运放工作在开环状态）。,另外，为了加速运放输出状态的转换，还需要引入正反馈。,集成运放工作在非线性区时，不能直接用“虚断”和“虚短”的概念求解输出和输入的函数关系。“虚断”和“虚短”只有在判断临界情况下才适用。,3. 同相比较器,UREF0,UREF 0,休息1,休息2,电路仿真,返回,4. 反相比较器,UREF,电路仿真,休息1,休息2,返回,ui,5. 电压比较器的应用实例,3V,uB,6V,uA,电路仿真,电路仿真,休息1,休息2,返回,6. 迟滞电压比较器,电路仿真,休息1,休息2,返回,6. 迟滞电压比较器,u+,电路仿真,休息1,休息2,返回,Uref,7 . 3