第5章 含有運(yùn)算放大器電阻電路(刪改)

1、第五章第五章含有運(yùn)算放大含有運(yùn)算放大器的電阻電路器的電阻電路首首 頁(yè)頁(yè)本章內(nèi)容本章內(nèi)容運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型5.1比例電路的分析比例電路的分析5.2含有理想運(yùn)算放大器的電路分析含有理想運(yùn)算放大器的電路分析5.3l重點(diǎn)重點(diǎn) （1 1）理想運(yùn)算放大器的外部特性；）理想運(yùn)算放大器的外部特性； （2 2）含理想運(yùn)算放大器的電阻電路分析；）含理想運(yùn)算放大器的電阻電路分析； （3 3）一些典型的電路；）一些典型的電路；返 回l 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器(operational amplifier) ( (簡(jiǎn)稱運(yùn)放簡(jiǎn)稱運(yùn)放) )5.1 5.1 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型1. 1.

2、 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 運(yùn)算放大器是一種放大倍數(shù)很高（通常放大運(yùn)算放大器是一種放大倍數(shù)很高（通常放大倍數(shù)倍數(shù)A10A105 5），并且可同時(shí)放大直流和交流信號(hào)的），并且可同時(shí)放大直流和交流信號(hào)的放大器。它是一種多端元件，即通過(guò)多個(gè)端點(diǎn)與放大器。它是一種多端元件，即通過(guò)多個(gè)端點(diǎn)與外部電路相聯(lián)的電路器件。它與其它元件組合起外部電路相聯(lián)的電路器件。它與其它元件組合起來(lái)，可以完成加、減、乘、除、微分、積分等數(shù)來(lái)，可以完成加、減、乘、除、微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以可以形象地稱其為運(yùn)算放大器。學(xué)運(yùn)算，所以可以形象地稱其為運(yùn)算放大器。下 頁(yè)上 頁(yè)集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器返 回l 符號(hào)符號(hào)76543

3、21+15V15V8 8個(gè)管腳：個(gè)管腳：2 2：倒向輸入端（：倒向輸入端（即反相輸入端即反相輸入端）3 3：非倒向輸入端：非倒向輸入端（即同相輸入端即同相輸入端）4 4、7 7：電源端：電源端6 6：輸出端：輸出端1 1、5 5：外接調(diào)零電位器：外接調(diào)零電位器8 8：空腳：空腳單單向向放放大大下 頁(yè)上 頁(yè)返 回運(yùn)放與外部電路連接的端鈕只有四個(gè)：運(yùn)放與外部電路連接的端鈕只有四個(gè)：兩個(gè)輸入兩個(gè)輸入 端、一個(gè)輸出端和一個(gè)接地端端、一個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，這樣，運(yùn)放可看，這樣，運(yùn)放可看 為是一個(gè)四端元件。為是一個(gè)四端元件。l電路符號(hào)電路符號(hào)a a：倒向輸入端，輸入電壓：倒向輸入端，輸入電壓ub b：非

4、倒向輸入端，輸入電壓：非倒向輸入端，輸入電壓u+o o：輸出端：輸出端, , 輸出電壓輸出電壓 uo在電路符號(hào)圖中一般不畫出直流電在電路符號(hào)圖中一般不畫出直流電源端，而只有源端，而只有a,b,o三端和接地端。三端和接地端。 圖中參考方向表示每一點(diǎn)對(duì)地的電壓，圖中參考方向表示每一點(diǎn)對(duì)地的電壓，在接在接地端未畫出時(shí)須特別注意。地端未畫出時(shí)須特別注意。A：開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)，開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)，可達(dá)十幾萬(wàn)倍?？蛇_(dá)十幾萬(wàn)倍。: : 公共端公共端( (接地端接地端) )下 頁(yè)上 頁(yè)注意+_+u+u-+_uoao+_udb_+A+返 回 在在 a，b 間加一電壓間加一電壓 ud =u+-u-，可得輸出可得輸出

5、uo和和輸入輸入ud之間的轉(zhuǎn)移特性曲線如下：之間的轉(zhuǎn)移特性曲線如下：2. 2. 運(yùn)算放大器的靜特性運(yùn)算放大器的靜特性Usat-Usat-Uo/VUd/mV0實(shí)際特性實(shí)際特性au+u-uoo+_ud_+A+b下 頁(yè)上 頁(yè)返 回Usat-Usat-Uo/VUd/mV0分三個(gè)區(qū)域：分三個(gè)區(qū)域：線性工作區(qū)：線性工作區(qū)：|ud| 則則 uo= Usatud- 則則 uo= -Usat 是 一 個(gè) 數(shù) 值 很 小 的 電 壓 ， 例 如是 一 個(gè) 數(shù) 值 很 小 的 電 壓 ， 例 如Usat=13V, A =105，則則 = 0.13mV。近似特性近似特性下 頁(yè)上 頁(yè)注意返 回3. 3. 電路模型電路模

6、型輸入電阻輸入電阻輸出電阻輸出電阻當(dāng)當(dāng): : u+= 0, 則則uo=Au當(dāng)當(dāng): : u= 0, 則則uo=Au4. 4. 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器下 頁(yè)上 頁(yè)+_A(u+-u-)RoRiu+u-uo在線性放大區(qū)，將運(yùn)放電路作如下理想化處理：在線性放大區(qū)，將運(yùn)放電路作如下理想化處理： Auo為有限值，則為有限值，則ud=0 , ,即即u+=u-，兩個(gè)，兩個(gè)輸入端之間相當(dāng)于短路輸入端之間相當(dāng)于短路( (虛短路虛短路) ) Ri i+=0 , i=0。 即從輸入端看進(jìn)去，元即從輸入端看進(jìn)去，元件相當(dāng)于開(kāi)路件相當(dāng)于開(kāi)路( (虛斷路虛斷路) )。 Ro 0返 回用理想運(yùn)算放大器代替實(shí)際運(yùn)算放大器所

7、引起的誤差并不嚴(yán)重，但使分析用理想運(yùn)算放大器代替實(shí)際運(yùn)算放大器所引起的誤差并不嚴(yán)重，但使分析 過(guò)程大大簡(jiǎn)化。過(guò)程大大簡(jiǎn)化。 5.2 5.2 比例電路的分析比例電路的分析1. 1. 倒向比例器倒向比例器運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作極不穩(wěn)定，一般外部接若干元件運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作極不穩(wěn)定，一般外部接若干元件( (R、C等等) )，使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。，使其工作在閉環(huán)狀態(tài)。下 頁(yè)上 頁(yè)+_uo+_uiR1RfRL21_+A+21R1RiRfRo-Aun1+_uoRL運(yùn)放等效電路運(yùn)放等效電路+_ui返 回用結(jié)點(diǎn)法分析：用結(jié)點(diǎn)法分析：( (電阻用電導(dǎo)表示電阻用電導(dǎo)表示) )(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui-G

8、f un1(Gf+Go+GL)un2 =-GoAu1u1= un1整理，得：整理，得：(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui(-Gf +GoA)un1(Gf+Go+GL)un2 =0解得：解得：iLoffi1foffff1n2o)( )()()(uGGGGGGGAGGGAGGGGuuo下 頁(yè)上 頁(yè)21R1RiRfRo-Au1+_+_uoRL+_ui2. 2. 電路分析電路分析返 回iLoffi1foffoff1n2o)( )()()(uGGGGGGGAGGGAGGGGuu因因A一般很大，上式分母中一般很大，上式分母中Gf(AGo-Gf)一項(xiàng)的值比一項(xiàng)的值比(G1+ Gi + Gf)

9、 (G1+ Gi + Gf)要大得多。所以要大得多。所以i1fif1ouRRuGGuuo / ui只取決于反饋電阻只取決于反饋電阻Rf與與R1比值，而與放大器比值，而與放大器本身的參數(shù)無(wú)關(guān)。負(fù)號(hào)表明本身的參數(shù)無(wú)關(guān)。負(fù)號(hào)表明uo和和ui總是符號(hào)相反總是符號(hào)相反( (倒向倒向比例器比例器) )。下 頁(yè)上 頁(yè)表明返 回 根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”： 根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”：i1fouRRu u+ = u- =0， i1= ui/R1 i2= -uo /Rfi-= 0，i2= i1下 頁(yè)上 頁(yè)以上近似結(jié)果可將運(yùn)放看作理想情況而得以上近似結(jié)果可將運(yùn)放看作理想情況而得到。由理想運(yùn)放的特性：到。由理想運(yùn)放的特性：注

10、意i1i2+_uo+_uiR1RfRL21_+返 回當(dāng)當(dāng)R1 和和Rf 確定后，為使確定后，為使uo不超過(guò)飽和電壓不超過(guò)飽和電壓( (即保即保證工作在線性區(qū)證工作在線性區(qū)) )，對(duì)，對(duì)ui有一定限制。有一定限制。運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)極不穩(wěn)定，振蕩在飽和區(qū)運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)極不穩(wěn)定，振蕩在飽和區(qū); ;工作在閉環(huán)狀態(tài)，輸出電壓由外電路決定。工作在閉環(huán)狀態(tài)，輸出電壓由外電路決定。 ( (Rf 接在輸出端和反相輸入端接在輸出端和反相輸入端, ,稱為負(fù)反饋稱為負(fù)反饋) )。 下 頁(yè)上 頁(yè)注意i1fouRRu+_uo+_uiR1RfRL21_+返 回下 頁(yè)上 頁(yè)5.3 5.3 含有理想運(yùn)算放大器的電路分析含

11、有理想運(yùn)算放大器的電路分析 根據(jù)理想運(yùn)放的性質(zhì)，抓住以下兩條規(guī)則：根據(jù)理想運(yùn)放的性質(zhì)，抓住以下兩條規(guī)則：（a）倒向端和非倒向端的輸入電流均為零倒向端和非倒向端的輸入電流均為零 “ “虛斷（路）虛斷（路）” ；（b）對(duì)于公共端（地），倒向輸入端的電壓與對(duì)于公共端（地），倒向輸入端的電壓與 非倒向輸入端的電壓相等非倒向輸入端的電壓相等 “ “虛短（路）虛短（路）” 。1. 1. 分析方法分析方法 合理地運(yùn)用這兩條規(guī)則，并與結(jié)點(diǎn)電壓法相結(jié)合。合理地運(yùn)用這兩條規(guī)則，并與結(jié)點(diǎn)電壓法相結(jié)合。返 回 加法器加法器比例加法器比例加法器：y =a1x1+a2x2+a3x3 ，符號(hào)如下圖：符號(hào)如下圖：（ui1-u

12、-)/R1+ (ui2-u-)/R2+ (ui3-u-) /R3 =(u-uo )/Rfuo= -(Rf /R1 ui1 +Rf /R2 ui2+Rf /R3 ui3)u-= u+=0i-=0 x1a1a2a3-1-yyx2x3下 頁(yè)上 頁(yè)+_uoR2Rfi-u+u-R1R3ui1ui2ui3_+2. 2. 典型電路典型電路返 回 非倒向比例器非倒向比例器u+= u-= uii+= i-= 0uo =(R1 + R2)/R2 ui =(1+ R1/R2) ui(uo-u-)/R1= u-/R2根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”和和“虛斷虛斷” uo與與ui同相。同相。 當(dāng)當(dāng)R2=(開(kāi)路），R1=0（短路）時(shí)

13、，時(shí)， uo=ui， 為電壓跟隨器。為電壓跟隨器。 輸入、輸出關(guān)系與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。輸入、輸出關(guān)系與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。下 頁(yè)上 頁(yè)結(jié)論RiuiR1R2u+u-i-+_uo+_i+_+返 回 電壓跟隨器電壓跟隨器 輸入電阻無(wú)窮大輸入電阻無(wú)窮大( (虛斷虛斷) )； 輸出電阻為零；輸出電阻為零；應(yīng)用：在電路中起隔離前后兩級(jí)電路的作用。應(yīng)用：在電路中起隔離前后兩級(jí)電路的作用。 uo= ui電電路路A電電路路B下 頁(yè)上 頁(yè)特點(diǎn)+_+_uiuo_+返 回例例12122uRRRu12122uRRRu 可見(jiàn)，加入跟隨器后，隔離了前后兩級(jí)電路的可見(jiàn)，加入跟隨器后，隔離了前后兩級(jí)電路的相互影響。相互影響。A電電路路下 頁(yè)上 頁(yè)R2RLR1+_u2+_u1+_u1R1R2RL+_u2_+返 回 減法運(yùn)算減法運(yùn)算u-=u+i-=i+=0i1= if323i2RRRuuufRuuRuuio1i11解得：解得：1113230)1 (RRuRRRRRuufifi2 11 ii203f21)( , RRuuuRRRRf當(dāng)當(dāng)下 頁(yè)上 頁(yè)+_uoR2Rfi-u+u-R1R3ui1ui2i1if_+返 回求輸出電壓求輸出電壓uo解解)(24421oiiRuR下 頁(yè)上 頁(yè)例例1+_uo_+_4V4R2Ri1i2u+u-V20u倒向比例