模电第02章+运算放大器(康华光).ppt

1、第二章 运算放大器 重点: 1.了解运放的基本组成部分及其功能; 2.理解运放电压传输特性与等效电路的意义,掌握其基本分析方法; 3. 理解用运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理及其设计方法。,(5-2),集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。最早开始应用于1940年，1960年后，随着集成电路技术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来越广泛的应用。 运算放大器主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等运算，对电路进行模拟分析。在信号处理、测量及波形产生方面也获得广泛应用。,4运放LM324,2.1 集成运算放器简介 一、集成电路运算放大器的

2、内部组成单元 1. 发展历程简介,单运放LM741,(5-3),2.集成运算放大器的内部结构框图简介,输入级:输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，一般采用带恒流源的差放 。 中间级:电压放大倍数高,通常由多级放大器构成。 输出级:与负载相接,输出电阻低,带负载能力强,常由互补对称电路或射极输出器构成。 偏置电路:为上述各级电路提供稳定合适的静态工作点,由各种恒流源电路组成。 LM741内部结构P282,(5-4),LM741 8个管脚： 2：反相输入端 3：同相输入端 7 、4 ：外接正负电源端 6：输出端 1、5：外接调零电位器 8：空脚,3. 管脚简介,外接图,管 脚 说 明,(5-

3、5),4、图形符号,注意： 在电路符号图中一般除画出输入输出端外，其余的省去。 vn(v-) ：反相输入端的输入电位 vp(v+) ：同相输入端的输入电位 vo：输出端的输出电位 ：输入输出公共端(接地端) 上述每一点均为对地的电压 ，在接地端未画出时应注意。 vd vpvn：差模输入电压 A：开环电压放大倍数, 一般很大。,或,开环电压放大倍数,(5-6),二、 运算放大器的电路模型 放大电路处在线性工作状态且信号源单独作用时： 从净输入端(vp-vn)之间看进去运放等效为ri ，从输出vo地之间看进去运放用戴维宁定理等效为一个受控恒压源A(vp-vn)和一个内阻ro相串联。,很大,很大,很

4、小,1.实际运算放大器的特点 开环电压放大倍数 A=106108,差摸输入电阻 ri =1061011 ,输出电阻 ro=10100 ,共模抑制比 KCMR=80dB140dB,很大,(5-7),其中： (1)线性工作(放大)区 -+ 时, vo=+Vom (3)反向饱和区 vp-vn -时, vo=-Vom,其中: Vom 输出电压的极限值, 称为饱和电压, 且: |Vom| |VS| VS正负电源电压,2.实际运放的传输特性,(5-8),3.含实际运算放大器电路的分析依据,若图示电路中,正负电源电压VS= 5V。求： (1) A=103 ，则输出电压Uo=? (3) A=104 ，则输出电

5、压Uo=? 解：(v+-v-)= - 2mV (1) Vom/A 5mV vo=A(v+-v-)= - 2V (2) Vom/A 0.5mV vo - 5V,例1,(1)若|vp- vn|+ 时, vo=+Vom vp-vn -时, vo=-Vom,(5-9),例2,试求vovi关系。,经整理后得：,v+= 0 vo= A(v+-v-),若R1=10k, Rf=100k, ri=1M, VS= 5V。 求：(1) vi =0.1V时vo =？ (2) vi =1V时vo =？ 解：,当：(1) vi =0.1V时, vo 1V (2) vi =1V时: vo 5V,=9.99vi,(5-10)

6、,2.2理想运算放大器 一.理想运放的图形符号,或,二、运算放大器的电路模型,三.理想运放的特点 A= ri = ro = 0 KCMR=,(5-11),四.理想运放的传输特性,实际运算放大器理想运算放大器 分析实际运算放大器分析理想运算放大器,可见： 当vp-vn 0 时, vo=+Vom 运放工作在正向饱和区 当vp-vn0时, vo=-Vom 运放工作在反向饱和区,(5-12),五.含理想运算放大器电路的分析依据 1、闭环(负反馈)使用特点,ro 0 vo A(vp- vn),(1)输出电压 vo 恒定,与负载无关,(2.)虚短,voA(vp- vn) A vp -vn= vo/A0,v

7、pvn,(3.)虚断,vpvn , ri ip=in=(vn-vp)/ri0,ip=in0,(5-13),2.开环(除负反馈外)使用特点 vpvn 无虚短,(1)虚断,(2)由于ro 0， voA(vp- vn) ， A 很大 ，所以 当(vp- vn)0时, vo= +Vom 正饱和值 当(vp- vn)0时, vo=-Vom 负饱和值 饱和值Vom的绝对值略低于正负电源的绝对值。,ri ip=in=(vn-vp)/ri0,ip=in0,(5-14),2.3 2.4 线性运放电路 运放外部接若干元件(R、C 等)，即可组成多种线性运放电路。线性运放电路工作在闭环状态。 一、反相比例器,1.结

8、构特点 负反馈引到反相输入端,信号从反相端输入。,2.指标计算 (1)电压增益,“虚断”: ipin0 i1 i2+in i2,“虚短”: vnvp,0,虚地,(5-15),(2)输入电阻Ri和输出电阻Ro a.输入电阻Ri,b.输出电阻Ro 求输出电阻Ro 的图:,可见: Ro=ro/(ri/R1)+R2 ro0 Ro0,(5-16),结论 Avf为负值，即 vo与 vi 极性相反。因为 vi 加在反相输入端。 Avf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。 | Avf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。 因v= v+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”。 电压并联负反

9、馈，输入、输出电阻低，ri = R1。共模输入电压低。,(5-17),解(1)根据虚断有 Ii =0 所以 I2 =Is =Vs/R1 又根据虚短有 Vp = Vn =0 R2和R3相当于并联, 所以 -I2R2 = R3 (I2 - Im ),即:,当R2 R3时，Vs( R3R1/R2 ) Im (2)代入数据计算即可,直流毫伏表电路图示。当R2 R3时: (1)试证明Vs( R3R1/R2 ) Im (2)R1R2150k, R31k, 输入信号电压Vs100mV时，通过毫伏表的最大电流Im(max)？,例1,(5-18),二、同相比例器,根据“虚短”和“虚断”: ipin0 vnvp

10、=-ipR3+vi vi i2 i1 + in i1,R3R1/R2 1.结构特点 负反馈引到反相输入端,信号从同相端输入。 2.指标计算 (1)电压增益,(5-19),可见： (1)vo与vi同相; (2)当R1=，R2=0时, vo=vi 称为电压跟随器 (2)输入电阻Ri和输出电阻Ro a.输入电阻Ri,b.输出电阻Ro 求输出电阻Ro 的图:,Ro=ro/(ri+R3)/R1+R20,(5-20),结论 Avf 为正值,即 vo与 vi 极性相同。因为 vi 加在同相输入端。 Avf只与外部电阻 R1、RF 有关,与运放本身参数无关。 Avf 1 ，不能小于 1 。 v = v+ 0

11、，反相输入端不存在“虚地”现象。 电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。 由运放构成的电压跟随器输入电阻高,输出电阻低,其跟随性能比射极输出器更好。,上图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压 vo不会随之变化。,例2,(5-21),负载电流的大小 与负载无关。,负载浮地的电压-电流的转换电路,1. 能测量较小的电压； 2. 输入电阻高，对被 测电路影响小。,流过电流表的电流,例3,(5-22),三、反相加法器,0,1.输出电压 根据“虚短”和“虚断”: ipin0 vnvp,i1 + i2 + i3 if + in i

12、f,若:R1=R2=R3 =R , 则:,Ro=ro/(ri/R1/R2/R3)+Rf0,2.输出电阻Ro,(5-23),平衡电阻： Ri1 / Ri2 = R1 / RF,v+,3. 同相加法运算电路,(5-24),同相加法运算电路的特点： 1. 输入电阻高； 2. 共模电压高； 3. 当改变某一路输入电阻时， 对其它路有影响；,反相加法运算电路的特点： 1. 输入电阻低； 2. 共模电压低； 3. 当改变某一路输入电阻时， 对其它路无影响；,(5-25),解出：,四、减法运算电路(差分电路),1.输出电压 ipin0 vnvp,若: R4/R1=R3/R2 , 则:,Ro=ro/(ri+R

13、2/R3)/R1 +R40,2.输出电阻Ro,常用做测量 放大电路,(5-26),五.仪用放大器,vo vi的关系? 电压增益Av =?,因为虚短、虚断, 所以R1上的电压等于vi , 且:,i1=i2=i3=,vo1,vo2,(5-27),ipin0 vnvp0,六.微分运算器,i1=iF,(5-28),若输入：vi=Vm sint 求： vo并画波形。,解： vo=- RC Vm cost =- RC Vmsin(t-90),例4,(5-29),比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中,PD调节器在调节过程中起加速作用,即使系统有较快的响应速度和工作稳定性

14、。,PD调节器,if,(5-30),七 . 积分运算,ipin0 vnvp0 i1=iF,(5-31),V,积分时限,如果积分器的输入vi是直流电压,画出vo波形。,输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,例5,积分电路的主要用途： 1. 在电子开关中用于延迟。 2. 波形变换。例：将方波变为三角波。 3. A/D转换中，将电压量变为时间量。 4. 移相。,(5-32),比例-积分运算电路PI 调节器,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时

15、间常数, 以满足控制系统的要求。,(5-33),注意 1.每个闭环(负反馈)电路均存在: ipin0(虚断)、vnvp (虚短)两条件 。 2.每个开环电路均存在ipin0(虚断)这一条件。 注意：开环电路中 vnvp 当(vp- vn) 时, vo= +Vom 正饱和值 当(vp- vn)-时, vo=-Vom 负饱和值 当-(vp- vn)时, vo=A(vp- vn) =Vom/A 3.任何运算放大器输出电压饱和电压电源电压。,(5-34),vo=?,例6,1,2,因为： i1+= i1- 0 v1- v1+ 0 i2+= i2- 0 v2- v2+ 0,解得：,(5-35),例7,vo=?,(5-36),求Av =?,v+= v-=0 i1= i2 i2i3 = i4,例8,联立求解得：,(5-37),同相求和运算,例9,联立求解得：,(5-38),设计一个加减运算电路， RF=240k，使 vo