2运算放大器12

2021/6/1612.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.2 理想运算放大器理想运算放大器2 2集成运算放大器集成运算放大器2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路 2.4 同相输入和反相输入放大电同相输入和反相输入放大电路的其他应用路的其他应用 2021/6/162集成电路运算放大器（集成电路运算放大器（集成运放集成运放）是模拟集成电）是模拟集成电路中应用极为广泛的一种电子器件。路中应用极为广泛的一种电子器件。它采用一定它采用一定制造工艺将大量制造工艺将大量半导体三极管半导体三极管、电阻电阻、电容电容等元等元件及件及连线连线制作在同一小块制作在同一小块单晶硅单晶硅的的芯片芯片上，并具上，并具有一定功能的有一定功能的电子电路。电子电路。它不仅用于信号的它不仅用于信号的运算运算、处理处理、变换变换、测量测量、信信号产生号产生电路，还可用于电路，还可用于开关开关电路。电路。集成运放集成运放本身具有本身具有非线性非线性的特性，但一般都将它作为的特性，但一般都将它作为线性电路线性电路的器件，很容易用来设计各种应用电路。的器件，很容易用来设计各种应用电路。2021/6/1632021/6/164 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器1.运放的内部组成单元：运放的内部组成单元：PN差分式放大电路差分式放大电路对称性对称性一级或多级放大电路一级或多级放大电路提高电压增益提高电压增益输入级输入级1vA1Ov中间级中间级2vA2Ov输出级输出级3vA功率放大电路功率放大电路电压增益为电压增益为1，向负载提供足够功率，向负载提供足够功率PvNv Ov V VO以正、负电源的中间接点作为参考点位点以正、负电源的中间接点作为参考点位点2021/6/165国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小集成运算放大器集成运算放大器(operational amplifier)符号符号同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端VVVo+ApNvvvvNPvov 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2021/6/1662.运放的电路模型运放的电路模型PNPvNv ir Ovor V V1V2V)(NPovvAv 输入电阻模拟输入电阻模拟输入端口输入端口输出电阻与受控源输出电阻与受控源模拟输出端口模拟输出端口电源是运放电源是运放必须的能源必须的能源电源中间接点为参考电位点电源中间接点为参考电位点将运算放大器看作一个简化的具有端口特性的将运算放大器看作一个简化的具有端口特性的标准标准器件，用一个包含器件，用一个包含输入端口输入端口、输出端口输出端口和和供电电源端供电电源端的电路模型来代表的电路模型来代表2021/6/167sRLR sv iv oviR oRiovAv 甚甚至至更更高高通通常常可可达达到到的的值值较较高高，至至少少为为开开环环电电压压增增益益64o10,10vA或或更更高高的的值值较较大大，通通常常为为输输入入电电阻阻 6i10r或或更更低低的的值值较较小小，通通常常为为输输出出电电阻阻 100or内内部部电电路路所所确确定定三三个个参参数数的的值值是是由由运运放放和和、oiorrAv值的范围？：输出电压oQv2021/6/168)(NPoovvAvv V/ovmV/)(NPvv VVom VVomoab正饱和正饱和线性区线性区负饱和负饱和输出电压的正、负极限值输出电压的正、负极限值实际实际输出电压的变化范围是？输出电压的变化范围是？VVvVvvAVVvVvvAvvAvVvvAVvvvvomoNPoomoNPoNPooNPo,)(,)()(,)(为什么为什么ab段几乎是一条段几乎是一条垂直垂直于于横坐标的横坐标的直线直线？容易导致运放的性能容易导致运放的性能不稳定不稳定，为使运放组成的各种应用电路为使运放组成的各种应用电路稳定地工作在稳定地工作在线性区线性区，须引入，须引入负反馈负反馈输出电压输出电压正比正比于输入电压于输入电压2.运放的电压传输特性运放的电压传输特性2021/6/169例例2.1.1PNPvNvirovor V V1V2V)(NPvovvA 5102 voA开环电压增益开环电压增益 M6.0ir输输入入电电阻阻V12V12 VV电电源源电电压压的最小值？的最小值？时时试求当试求当NPomovvVVv 12)1()(?)2(NPoivvfvi 画画出出传传输输特特性性曲曲线线输输入入电电流流2021/6/1610 2.2 理想运算放大器理想运算放大器)(NPoovvAvv V/ovmV/)(NPvv VVom VVomoab VVVVvomomo.1，的的饱饱和和极极限限值值 VVvvvVVvvvvvAvomoNPomoNPNPo,0)(,0)()(,.2若若若若很很小小即即使使运放进入饱和区运放进入饱和区0,.3NPo必未达到饱和值vvv0,0.4NPiiir则0.5orPvNv Ov V V)(NPovvAv 0P i0N i运放工作在线性区运放工作在线性区,0,iovorrA 理 想 运 算 放 大 器：2021/6/1611 2.2 理想运算放大器理想运算放大器按按功功能能分分类类按工作区域分类按工作区域分类放大放大 信号传递信号传递 AV、AI、AR（V/I）、）、AG（I/V）运算运算 、elndtdxxx处理处理 滤波、整流、取样保持、绝对值滤波、整流、取样保持、绝对值比较比较 判断电压大小（第判断电压大小（第9章）章）信号产生信号产生 正弦、方波、三角波（第正弦、方波、三角波（第9章）章）线性应用线性应用(虚短、虚短、虚断虚断)非线性应用非线性应用(虚断虚断)2021/6/1612 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路同相输入同相输入和和反相输入反相输入放大电路是运算放大电路的放大电路是运算放大电路的基础。如无特殊说明，运放视为基础。如无特殊说明，运放视为理想运放。理想运放。为使运放组成的各种应用电路稳定地工作在线性为使运放组成的各种应用电路稳定地工作在线性区，电路中必须引入负反馈。区，电路中必须引入负反馈。2021/6/16132.3.1 同相放大电路同相放大电路 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路1.基本电路基本电路ivpvnv ov 1R2Ro211fnvRRRvv 输入信号电压加在输入信号电压加在同相端与地之间同相端与地之间输出电压通过输出电压通过分压作用于反分压作用于反相输入端相输入端由输出电压经过由输出电压经过反馈元件反馈元件R1、R2送回送回到反相输入端，又称到反相输入端，又称vn为为反馈电压反馈电压vf2021/6/1614 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2.负反馈的基本概念负反馈的基本概念ivpvnv ov 1R2R)()()(idvvid=vi-vf=vp-vn比无反馈时比无反馈时减少减少电压增益电压增益Av=vo/vi也也减小减小根据反馈的定义，此时引入的是根据反馈的定义，此时引入的是负反馈负反馈)(ipvv ov21,RR nvidv ov 负反馈负反馈作用是作用是输出信号输出信号vo通过通过反馈通路反馈通路（R1、R2）得到）得到反馈信反馈信号号vf引回到输入回路与引回到输入回路与输入信号输入信号vi做做比较比较，起到自动调整作用，起到自动调整作用，最后达到输出稳定平衡。最后达到输出稳定平衡。2021/6/16153.虚假短路虚假短路ivpvnv ov 1R2R深度负反馈深度负反馈的条件下，运的条件下，运放工作在放工作在线性区线性区时有：时有：idv0npid vvv)(npoovvAvv 由由理想理想运放的参数可知：运放的参数可知：ovA为为有有限限值值ov0np vv两输入端的电位约相等，称为两输入端的电位约相等，称为虚短虚短iii/ivr ir为为有有限限值值iv0ii0np ii两输入端的电流约为零，称为两输入端的电流约为零，称为虚断虚断虽然不是严格的物理定虽然不是严格的物理定义，但是在分析义，但是在分析线性放线性放大电路大电路时会非常方便时会非常方便Q：运放什么状态下存在：运放什么状态下存在“虚短虚短”？什么情况下存在？什么情况下存在“虚断虚断”？2021/6/1616 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路4.几项技术指标的近似计算几项技术指标的近似计算（1）电压增益）电压增益Avipvv 由虚短：由虚短：npvv 由虚断：由虚断：0n ipvnv ov 1R2Riv idv )(npovvAv ni1Ri2Ri21RRii o211nvRRRv o211ivRRRv 12121io1RRRRRvvAv闭环电压增益闭环电压增益Av 只取决于反馈电路元件值，与运放本身参数无关。只取决于反馈电路元件值，与运放本身参数无关。2021/6/1617 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路（2）输入电阻）输入电阻Ri由输入电阻的定义：由输入电阻的定义：iiivRi由虚断：由虚断：0iiipvv iR即便考虑运放为即便考虑运放为非理想非理想运放这个因素，运放这个因素，Ri也可达也可达109 pvnv ov 1R2Riv idv )(npovvAv ni1Ri2Ri2021/6/1618 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路（3）输出电阻）输出电阻Ro由求输出电阻的方法：由求输出电阻的方法：)|(|2i1ooRrRrR pvnvov1R2R idv 0)(npo vvAvir0or0oR2021/6/1619 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路5.电压跟随器电压跟随器pivv nv ov1R2R 1R令令02 R令令输出电压等于反馈电压输出电压等于反馈电压novv 由虚短：由虚短：npivvv 输出电压与输入电压大小相等，相位相输出电压与输入电压大小相等，相位相同，称为电压跟随器。同，称为电压跟随器。1io vvAv2021/6/1620 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路5.电压跟随器电压跟随器pivv nv ov iR0oR在电路中常作为在电路中常作为阻抗变换器阻抗变换器或或缓冲器缓冲器阻抗变换器阻抗变换器sssLsLo01.010011vvvRRRv 一个具有一个具有高内阻高内阻的信号源直接驱动的信号源直接驱动阻值不大阻值不大的负载时：的负载时：sR信号源信号源负载负载LR ov sv k100 k12021/6/1621 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路5.电压跟随器电压跟随器sRLR ov sv k100 k1信号源信号源负载负载将将电压跟随器电压跟随器接在高内阻的接在高内阻的信号源信号源与与负载负载之间，由虚短、虚断知：之间，由虚短、虚断知：psvv?novv?npvv sovv 负载变化负载变化仍然成立仍然成立消除消除负载变化负载变化对输出电压的影响对输出电压的影响2021/6/16221.基本电路基本电路2Rpvnv ov1Riv输入信号通过输入信号通过R1加到运放的加到运放的反相端反相端，反馈电阻反馈电阻R2 在输出端和反相输入端，在输出端和反相输入端，由虚短知：由虚短知：反相放大电路反相放大电路0pn vv反相输入端电位接近于反相输入端电位接近于地电位，称为虚地。地电位，称为虚地。“虚地虚地”的存在是的存在是线性反相放大电路在闭环工作状态下线性反相放大电路在闭环工作状态下的重要的重要特征特征2.3.2 反相放大电路反相放大电路 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2021/6/16232.3.2 反相放大电路反相放大电路 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路虚地虚地2Rpvnv ov1Riv1i2inipi1.电压增益电压增益Av由虚断：由虚断：0pn ii21ii 由虚短：由虚短：0npvv2on1niRvvRvv 2o1iRvRv 12ioRRvvAv io12vvRR 时时，为为反反相相电电路路，即即当当2021/6/16242.3.2 反相放大电路反相放大电路 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路2Rpvnv ov1Riv1i2inipi（2）输入电阻）输入电阻Ri1iRR （3）输出电阻）输出电阻Ro2oo|RrR 0or0oR2021/6/1625例例2.3.2T形网络形网络代替代替R2构成前置放大电路：构成前置放大电路：;)1(iovvvA 求电压增益表达式求电压增益表达式由虚地、虚断列由虚地、虚断列n和和M点点KCL方程：方程：解解：4Rpvnv ov1Riv2R3R idv1i2inipi3i4iM4vn21ii 24100RvRvi 342iii 34442400RvvRvRvo 143232)(RRRRRRvvAiov 联立方程求解：联立方程求解：2021/6/16264Rpvnv ov1Riv2R3R idv1i2inipi3i4iM4vn例例2.3.2的值；的值；计算计算时时当当4321,100390,51)2(RvvkRRkRio 解解：将参数代入将参数代入Av的表达式：的表达式：10051)390390(3903904 RAv kR2.354故此时故此时R4可用可用50K电位器代替，设置阻值为电位器代替，设置阻值为35.2K，使得，使得Av=-100，即可通过调节，即可通过调节R4的取值来改变电压增益的大小；的取值来改变电压增益的大小；2021/6/1627例例2.3.2值值。时时，求求当当形形网网络络电电阻阻时时，代代替替直直接接用用212100,51T)3(RAkRRv 解解：2Rpvnv ov1Riv1i2inipi12RRvvAiov kkRARv51005110012用用T形网络代替反馈电阻作用：可用形网络代替反馈电阻作用：可用低阻值电阻网络低阻值电阻网络得到得到高增高增益益的放大电路。的放大电路。2021/6/16282.4.1 求差电路求差电路 2.4 同相和反相输入放大电路的其他应用同相和反相输入放大电路的其他应用 根据根据虚短虚短、虚断虚断得：得：（1）利用差分式电路）利用差分式电路(difference amplifier)以实以实现减法运算现减法运算3Rpvnv ov2R2iv2i3iii4R4i1R1i1iv 1i2ivv idvpn4on1n1iRvvRvv 3p2p2iRvRvv pnvv 1i142i323141o)(vRRvRRRRRRv 2021/6/16292.4.1 求差电路求差电路 2.4 同相和反相输入放大电路的其他应用同相和反相输入放大电路的其他应用（1）差分式电路）差分式电路3Rpvnv ov2R2iv2i3iii4R4i1R1i1iv 1i2ivv idvpn若阻值选取满足若阻值选取满足R4/R1=R3/R2的关系：的关系：)(1i2i14ovvRRv 141i2iodRRvvvAv 输入电阻输入电阻Ri22222112221i2ii22)(RiRiiRiRiivvR R1=R2 i2=-i1输出电阻输出电阻Ro同同理想运放理想运放的输出电阻的输出电阻2021/6/163021Rnv1ov 1R1iv2R22R 2R2ov22R1A2A21Rnv 1R1iv2R22R 2R2ov22R2iv1A2A21Rnv1ov 1R1iv2R22R 2R2ov22R2iv1A2A例例2.4.1高输入电阻高输入电阻差分电路如图，求输出电压表达式。差分电路如图，求输出电压表达式。11211)1(iovRRv 由由叠加定理叠加定理：12222oovRRv 11212222)1(iovRRRRv 2222222222)(1(iovRRRRRv 222ooovvv当当R1=R21时时)(122222iiovvRRv 与与单级差放电路单级差放电路相比，由于第一级是相比，由于第一级是同同相输入放大电路相输入放大电路，输入电阻为，输入电阻为无穷大无穷大2021/6/1631 2.4.2 仪用放大器仪用放大器2R3v 1R1v3R4R ov4R1A3A 2R4v 2v3R2A 2Ri2Ri1Ri 3pv3nv43vv 211vvvR 1243121RRvvRvR )(21(211243vvRRvv )(4334ovvRRv 由由差分输入差分输入关系知：关系知：)21(123421oRRRRvvvAv 输入信号都是从同相端输入，其输入信号都是从同相端输入，其输入电阻输入电阻为为无穷大无穷大2021/6/1632 2.4.3 求和电路求和电路3Rnv ov1R1iv1i3iii2R2iv2i由虚断：由虚断：321iii 3on2n2i1n1iRvvRvvRvv 由虚地：由虚地：0n v2i231i13ovRRvRRv 321RRR 若若2i1iovvv 2021/6/1633习题习题2.4.5anpvv foRRRv 3p2pi21pi10RvRvvRvv pfo)1(vRRv )(/(2i21i1321pRvRvRRRv 2021/6/1634习题习题2.4.2 R2 R3 vS2 vS1 A1 vO1 n p+vO+R1+vO2 A2 A3 A4 vO4 vA R1 R2 R4 s2o2 s1o1vvvv 对对A3利用利用虚短虚短、虚断虚断有有2n1no1RvRvv 2o4p1po2RvvRvv 2o401021()RvvvRo43o4vRRv A4为反相比例为反相比例2413vR RAR R习题习题2.4.6 习题习题2.4.7 2021/6/1635 2.4.4 积分电路积分电路积分电路积分电路(integrator circuit)如图所示。如图所示。Nv OvRIv1i2iIiC Cv由虚断：由虚断：12ii由虚地：由虚地：RviI1 设电容器设电容器C初始电压初始电压vC(0)=0tIdtvRCv0C1tvRCvvCd1IO输出电压输出电压vO为输入电压为输入电压vI对时间的积分，其实质是电容两端对时间的积分，其实质是电容两端电压电压vC为流过电容电流为流过电容电流iC的积分的积分dtvRCvRvdtdvCdtdvCiICICC122021/6/1636 2.4.4 积分电路积分电路IVIvOtIVOv OtomV tVtRCVv IIO 阶跃电压阶跃电压运放输出电压的运放输出电压的最大值最大值受受到到直流电源电压直流电源电压的限制，的限制，运放进入运放进入饱和区饱和区，输出保，输出保持持不变不变，停止积分，停止积分积分电路用于扫描电路、模数转换器、模拟运算器等积分电路用于扫描电路、模数转换器、模拟运算器等2021/6/1637练习：练习：画出在给定输画出在给定输入波形作用下入波形作用下积分器的输出积分器的输出波形波形tvs0212345tvo0-2-4-6C R vS vO+A R+2021/6/1638应用举例：应用举例：输入方波，输出是三角波输入方波，输出是三角波tvs0tvo0C R vS vO+A R+2021/6/1639vP=vN=012ii 2.4.4 微分电路微分电路O2vi R 微分电路微分电路(differential circuit)如图所示。如图所示。Nv OvRIv1i2iIiCtvRCvddIO 2021/6/1640微分电路还可以用作波形变换，将矩形波变换为尖顶微分电路还可以用作波形变换，将矩形波变换为尖顶脉冲波。脉冲波。2.4.4 微分电路微分电路Nv OvRIv1i2iIiCtvRCvddIO VIvOtOv Ot2021/6/1641tvs0tvo090,求求vo。tvRCvddSO )90sin(cosO tRCtRCvtv sinsivvo1CRsR+iC例题例题2021/6/1642Nv Ov2ZIv1Z电路参数可以是简单的电路参数可以是简单的R、C外，也可以是外，也可以是R、L、C元元件的件的串串、并联并联组合组合利用利用拉氏变换拉氏变换，在，在复频域复频域中有：中有：)()()()(I12OsVsZsZsV 反相运算反相运算电路的一般数学表达式，改变电路的一般数学表达式，改变Z1(s)和和Z2(s)的形式，的形式，可实现不同的数学运算可实现不同的数学运算归纳与推广归纳与推广2021/6/1643归纳与推广归纳与推广 Ov1RIv2C2R1C)1(1)()()(111122iosCRsCRsCRsVsVsA )1(21121212CsRCsRCCRR 比例比例运算运算微分微分运算运算积分积分运算运算VIvOtOv Ot阶跃响应阶跃响应PID调节器调节器PID调节器是调节器是自动控制自动控制系统中常用系统中常用的运算电路的运算电路2021/6/1644 2.4.4 微分电路微分电路习题习题2.4.10112OI1I211221/1/1/(1)1/sCsCsCvvvRRRsC I111I211112211vsR CvsR CsR CsR C RRR 21CCC 21I2I11()vvsRC Nv Ov1RI1v1Cpv2RI2v2C2021/6/1645小结小结:熟练运用虚断与虚短的概念，掌握运放工作在熟练运用虚断与虚短的概念，掌握运放工作在线性区时的分析与计算线性区时的分析与计算。作业：作业：p.47 2.3.4、2.4.1、2.4.2、2.4.8运算放大器运算放大器有两个工作区域。在有两个工作区域。在线性区线性区放大小信号；输入为放大小信号；输入为大信号时，工作在大信号时，工作在非线性区非线性区，输出电压为，输出电压为饱和值饱和值同相放大电路同相放大电路和和反向放大电路反向放大电路是两种最基本的是两种最基本的线性应用电路线性应用电路，由此推广到由此推广到求和求和、求差求差、积分积分和和微分等电路微分等电路理想运放理想运放具有理想参数具有理想参数运放稳定地工作在运放稳定地工作在线性区线性区时，均需引入时，均需引入深度负反馈深度负反馈，具有，具有“虚短虚短”、“虚断虚断”的特点的特点2021/6/1646电压比较器电压比较器 将一个模拟电压信号与一将一个模拟电压信号与一参考电压参考电压相比较，输相比较，输出一定的高低电平。出一定的高低电平。功能：功能：构成：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系的关系vo=f(vi)是非线性函数。是非线性函数。VOH-VOL补充知识vv+OiVREFvovi0VREF 若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！