运算放大器康华光第五版.pptx

2.1 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2.3 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在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。简单来说，称为集成电路。简单来说，集成电路是把元器件和集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而连接导线全部制作在一小块硅片上而成成的电路。的电路。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。常用的其他模拟集成电路等。引引 言言l模拟集成电路的特点：模拟集成电路的特点：电阻值电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；电容电容利用利用PN结结电容，一般不超过几十结结电容，一般不超过几十pF。需要大。需要大电容时，通常在集成电路外部连接。电容时，通常在集成电路外部连接。不能制电感，级不能制电感，级与级之间用直接耦合；与级之间用直接耦合；二极管用三极管的发射结代。二极管用三极管的发射结代。比如比如由由NPN型三极管型三极管短路其中一个短路其中一个PN结构成。结构成。运算放大器外形图运算放大器外形图2.1 集成电路运算放大器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集成电路运算放大器的内部组成单元图图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图 集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。低输出电阻的多级直接耦合放大电路。低输出电阻的多级直接耦合放大电路。低输出电阻的多级直接耦合放大电路。运算放大器方框图1.输入级输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响，提高整个电路共模抑制比。移的影响，提高整个电路共模抑制比。2.中间级中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复合管可提高电压增益。负载及复合管可提高电压增益。3.输出级输出级：互补对称功放。：互补对称功放。4.偏置电路偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电：用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路组成。流源电路组成。表示信表示信号从号从左左(输入端入端)向右向右(输出端出端)传输的方向。的方向。vNvPvOvNvPvOl集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号vN或或v：反相输入端反相输入端，信号从此端输入信号从此端输入(vP=0)，输出信，输出信号和输入信号反相。号和输入信号反相。vP或或v+：同相输入端同相输入端，信号从此端输入信号从此端输入(vN=0)，输出信，输出信号和输入信号同相。号和输入信号同相。vO：输出端输出端。图图2.1.2 运算放大器的代表符号运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号）国内外常用符号2.运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型通常：通常：开环电压增益开环电压增益 Avo的的 105（很高）（很高）输入电阻输入电阻 ri 106（很大）（很大）输出电阻输出电阻 ro 100（很小）（很小）vOAvo(vPvN)（V vO V）注意输入输出的相位关系注意输入输出的相位关系2.运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型当当Avo(vPvN)V 时时 vO V 当当Avo(vPvN)V-时时 vO V-电压传输特性电压传输特性 vO f(vPvN)线性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN)Avo斜率斜率 电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值输输出出电电压压与与其其两两个个输输入入端端的的电电压压之间存在线性放大关系，即之间存在线性放大关系，即集成运放的工作区域集成运放的工作区域线性区域：线性区域：Aod为差模开环放大倍数为差模开环放大倍数非线性区域：非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。uOuP-uN+UOM-UOM例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻输入电阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值时输入电压的最小幅值vP-vN=?输输入电流入电流ii=?(2)画出传输特性曲线画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。说明运放的两个区域。图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电输入电阻阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流输入电流ii=?图图2.1.3 运算放大器的电路模型运算放大器的电路模型解：由解：由当当vo=Vom=12V时时例例2.2.1 电路如图电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电输入电阻阻ri=0.6M，电源电压，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(2)画出传输特性曲线画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。说明运放的两个区域。解：取解：取a点（点（+60V,+12V），），b点（点（-60V,-12V），连接），连接a、b两点得两点得ab线线段，其斜率段，其斜率Avo=2105,vP-vN 60 V，则运放进入非线性区。运放的电，则运放进入非线性区。运放的电压传输特性如图所示。压传输特性如图所示。Avo=2105(+60V,+12V)(-60V,-12V)2.2 理想运算放大器理想运算放大器1.vo o的饱和极限值等于运放的饱和极限值等于运放的电源电压的电源电压V和和V 2.运放的开环电压增益很高运放的开环电压增益很高 若（若（vPvN）0 则则 vO=+Vom=V 若（若（vPvN）0 则则 vO=Vom=V 3.若若V vO R3时，时，（1）试证明）试证明Vs(R3R1/R2)Im 解（解（1）根据虚断有）根据虚断有 I1=0所以所以 I2=Is=Vs/R1 例例2.3.3直流毫伏表电路直流毫伏表电路（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压，输入信号电压Vs100mV时，通时，通过毫伏表的最大电流过毫伏表的最大电流Im(max)？又又根据虚短有根据虚短有 Vp=Vn=0R2和和R3相当于并联，所以相当于并联，所以 I2R2=R3(I2-Im)所以所以当当R2 R3时，时，Vs(R3R1/R2)Im（2）代入数据计算即可）代入数据计算即可2.4 同相输入和反相输入同相输入和反相输入放大电路的其他应用放大电路的其他应用2.4.1 求差电路求差电路2.4.2 仪用放大器仪用放大器2.4.3 求和电路求和电路2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2.4.1 求差电路求差电路 从从结结构构上上看看，它它是是反反相相输输入入和和同同相相输输入入相相结结合合的的放放大电路。大电路。当当则则若继续有若继续有则则 根根据据虚虚短短、虚虚断断和和N N、P P点的点的KCLKCL得：得：2.4.1 求差电路求差电路从放大器角度看从放大器角度看时，时，增益为增益为（该电路也称为差分电路或减法电路）（该电路也称为差分电路或减法电路）2.4.1 求差电路求差电路一种高输入电阻的差分电路一种高输入电阻的差分电路2.4.2 仪用放大器仪用放大器2.4.3 求和电路求和电路 根根据据虚虚短短、虚虚断断和和N N点点的的KCLKCL得：得：若若则有则有（该电路也称为加法电路）（该电路也称为加法电路）2.4.3 求和电路的进一步讨论求和电路的进一步讨论Vi3-+ARfRVoIfR3I3IdVi2R2I2Vi1I1R18.1.1 求和电路虚短、虚断特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系；称为支路增益，一般11.反相反相反相反相求和电路2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1.积分电路积分电路式中，式中，负号表示负号表示vO与与vI在相位上是相反的在相位上是相反的。根根据据“虚虚短短”，得得根根据据“虚虚断断”，得得因此因此（积分运算）（积分运算）即即2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路1.积分电路积分电路根根据据“虚虚短短”，得得根根据据“虚虚断断”，得得因此因此即即又又即即2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路当当vI I为阶跃电压时，有为阶跃电压时，有vO与与 t 成线性关系成线性关系1.积分电路积分电路积分电路的用途将方波变为三角波积分电路的用途将三角波变为正弦波积分电路的用途 tuOO可可见见，输输出出电电压压的的相相位位比比输输入入电电压压的的相相位位领领先先 90 。因此，此时积分电路的作用是。因此，此时积分电路的作用是移相移相。tuIOUm图图 7.2.172.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路2.微分电路微分电路根根据据“虚虚短短”，得得根根据据“虚虚断断”，得得因此因此即即uit0t0uo若输入：若输入：则：则：高频信号将产生较大的噪声。高频信号将产生较大的噪声。Auo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入输出与输入之间之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。例例、已已知知下下图图所所示示各各电电路路中中的的集集成成运运放放均均为为理理想想运运放。放。1.试说明各运放组成何种电路；试说明各运放组成何种电路；2.试分别求解各电路的运算关系。试分别求解各电路的运算关系。解：图（解：图（a）所示电路）所示电路A1A1为求和运算电路、为求和运算电路、A2A2为为积分电路。积分电路。练习、练习、电路如下图所示，集成运放输出电压电路如下图所示，集成运放输出电压的最大幅值为的最大幅值为14V，填表。，填表。uI/V0.10.51.01.5uO1/VuO2/V解解：uO1(Rf/R)uI10 uI，uO2(1+Rf/R)uI11 uI。当集成运放工作到非线性区时，输出电压不是14V，就是14V。uI/V0.10.51.01.5uO1/V151014uO2/V1.15.51114练练习习、在下图（a）所示电路中，已知输入电压uI的波形如图（b）所示，当t0时uO0。试画出输出电压uO的波形。解解：输出电压的表达式为若t0时uO0，则t5ms时uO10055103V2.5V。当uI为常量时当t15mS时uO100(5)10103（2.5）V2.5V。因此输出波形如下图所示。集成运放的其他应用电路集成运放的其他应用电路电压电压电流变换电路电流变换电路测量放大电路测量放大电路单电源供电放大电路单电源供电放大电路稳压电源稳压电源电压电压电流变换电路电流变换电路 电流电流电压变换电路电压变换电路IsUo=-IsRfUoRfRP-+RLUsUo-+R1IL 电压电压电流变换电路电流变换电路IL=Us/R1测量放大电路测量放大电路 电桥放大器电桥放大器RfRRRRX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。RX的阻值随被测量的变化而变，的阻值随被测量的变化而变，RX=R+R.当当RX=R时电桥平衡，时电桥平衡，Ui=0,Uo=0当当RX产生产生 R变化时，输出电压将变化变化时，输出电压将变化 Uo，Uo正比于正比于 R。当电阻当电阻RfR,且相对变化且相对变化=R/RU-时，时，Uo为正饱和值为正饱和值 当当U+U-时，时，Uo为负饱和值为负饱和值 闭环运放的两种基本电路闭环运放的两种基本电路1.反反相相放放大大器器。它它实实质质上上是是一一个个电电压压并并联联负负反反馈馈放放大大器器，主要特点是反相输入端呈主要特点是反相输入端呈“虚地虚地”.电压增益电压增益:AUf-RfRl式中，式中，Rf是反馈电阻，是反馈电阻，R1是反相输入端电阻。是反相输入端电阻。反相放大器的反相放大器的输入电阻输入电阻rif=R1，输出电阻，输出电阻rof=0。2.同同相相放放大大器器。它它实实质质上上是是一一个个电电压压串串联联负负反反馈馈放放大大器器，电压增益电压增益:AUf1+RfRl注意：式中注意：式中Rl是反相端电阻，是反相端电阻，Rf是反馈电阻。是反馈电阻。同相放大器的同相放大器的输入电阻输入电阻rif=，输出电阻，输出电阻rof=0小小 结结