模擬電子技術基礎-02運算放大器

2.1集成電路運算放大器2運算放大器2.2理想運算放大器2.3基本線性運放電路2.4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應用12運算放大器內容：·集成運算放大器組成、電路模型、理想電路模型·同相放大電路、反相放大電路，及其他應用電路要求：·會利用“虛短”和“虛斷”的概念，分析計算反相比例、同相比例、加、減、積分、微分等電路組成的各種運算電路23集成電路是將半導體三極管、二極管、電阻等元件及連線全部集中制造在同一小塊半導體基片上，成為一個完整的固體電路。集成電路的元件密度高、引線短、外部接線少，從而提高了電子設備的可靠性和靈活性，并且減低了成本，為電子技術的應用開辟了一個新的時代。將彼此獨立的三極管、二極管、電阻、電容等用導線連接成的電路稱為分立元件電路。

4運放概述線性非線性乘除對指數(shù)信號運算電路比例微積分加減

運放的基本應用信號發(fā)生電路（信號振蕩器）信號處理電路比較器有源濾波器

集成運算放大器是基于集成工藝的直接耦合多級放大電路。運算處理發(fā)生5模擬運放分類1通用型2高速型和寬帶型3高精度(低漂移型）4高輸入阻抗型5低功耗型6集成電路內部原理圖72.1集成電路運算放大器1.集成電路運算放大器的內部組成單元圖2.1.1集成運算放大器的內部結構框圖正負雙電源供電。同相反相雙輸入端三級（多級）放大總放大倍數(shù)為三級放大倍數(shù)之積最后一級為功放，電壓放大倍數(shù)為1。單一輸出端82.1集成電路運算放大器1.集成電路運算放大器的內部組成單元圖2.1.1集成運算放大器的內部結構框圖差分電路輸入電阻大,抗干擾能力強,前放的放大倍數(shù)不要太大,要求低噪聲.使放大倍數(shù)達到要求能夠驅動負載一般用跟隨器適當選擇輸出功率正負電源中點作為參考電位三級放大的特點9小知識點：負載和帶負載能力/驅動能力？帶負載能力：負載：電壓輸出型電路，輸入一定，傳遞函數(shù)一定，輸出電壓一定，帶負載能力就是提供電流的能力電流輸出型電路，輸入一定，傳遞函數(shù)一定，輸出電流一定，帶負載能力就是提供電壓的能力負載大：電阻小負載大：電阻大吸收一定功率的電路電路提供功率的能力102.1集成電路運算放大器1.集成電路運算放大器的內部組成單元圖2.1.2運算放大器的代表符號（a）國家標準規(guī)定的符號（b）國內外常用符號兩個輸入端：同相輸入端和反相輸入端。標“+”的為同相輸入端，表明輸出電壓信號與該輸入端電壓信號相位相同；標“-”的為反相輸入端，表明輸出電壓與該輸入端的電壓信號相位相反。直流如何反相112.運算放大器的電路模型圖2.1.3運算放大器的電路模型注意受控源受控于誰？受控于輸入之差值正負電源供電也可以單正電源工作122.運算放大器的電路模型圖2.1.3運算放大器的電路模型開環(huán)電壓增益

Avo≥105（很高）輸入電阻

ri

≥106Ω（很大）輸出電阻

ro

≤100Ω（很小）

vO＝Avo(vP－vN)

（V－＜

vO

＜V＋）

輸出電壓最大值為多少？輸出電壓不能越過電源電壓Avo很高是一個不穩(wěn)定的因素-后將引入穩(wěn)定措施主要參數(shù)：132.運算放大器的電路模型當Avo(vP－vN)≥V＋時

vO＝

V＋當Avo(vP－vN)≤

V-時

vO＝

V-電壓傳輸特性

vO＝

f

(vP－vN)線性范圍內

vO＝Avo(vP－vN)Avo——是線性部分的斜率，非常陡峭微小的輸入會：導致飽和RailToRail一般比電源電壓小1～2V14例題2.1.1表示0.06毫伏信號放大20萬倍達到12V特性很抖運算放大器開環(huán)電壓很大且是固定值本例中輸入信號只能小于0.06毫伏放大倍數(shù)有可變的需要太大的放大倍數(shù)不穩(wěn)定，需要有穩(wěn)定措施只能放大微弱信號152.2理想運算放大器1.

vO的飽和極限值等于運放的電源電壓V＋和V－

2.運放的開環(huán)電壓增益很高

若（vP－vN）＞0

則vO=+Vom=V＋

若（vP－vN）＜0

則vO=–Vom=V－

3.若V－<vO<V＋

則（vP－vN）

0

4.輸入電阻ri的阻值很高

使iP≈0、iN≈0

5.輸出電阻很小，ro

≈0理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞

vO＝Avo(vN－vP)圖2.2.1運放的簡化電路模型理想模型作為今后統(tǒng)一標準使用

vO＝Avo(vP－vN)16理想：ri≈∞

ro≈0

Avo→∞

vO＝Avo(vN－vP)能放大什么信號？只能放大無窮小的信號避開穩(wěn)定性來講，性能很高，但不好用不好用的原因：輸入信號都要調整到很小放大倍數(shù)不能調不穩(wěn)定172.3基本線性運放電路2.3.1同相放大電路2.3.2反相放大電路182.3.1同相放大電路（a）電路圖（b）小信號電路模型圖2.3.1同相放大電路1.基本電路

輸入加在同相端輸出被電阻引回到反相輸入端192.3.1同相放大電路2.引入負反饋概念開環(huán)：電路只有前向通道閉環(huán):電路中增加反向通道與前向通道形成閉合環(huán)路。反饋：將放大電路輸出量，通過某種方式送回到輸入回路的過程。反饋有什么用處。輸出信號引回到輸入端對電路有什么影響？202.3.1同相放大電路2.負反饋的基本概念瞬時電位變化極性用瞬時電位分析法分析反饋對電路的影響：——某時刻各點電位的變化趨勢（升還是降）根據輸入點為上升影響沿路各點的電位的變化，用+表示上升，用-表示下降設定輸入點電位為上升用+表示從輸入點出發(fā)，沿前向通路到輸出，再從輸出沿反向通道回到輸入口最后回到輸入的電位變化使輸入減少的過程稱為負反饋212.3.1同相放大電路2.負反饋的基本概念根據

vo

＝Avo(vp－vn)引入反饋后vn

↑

，vp(vi)不變→

(vp－vn)↓→

vo↓使輸出減小了，放大電路增益Av＝vo/vi下降。負反饋最后能達到一個平衡的輸出值。負反饋會使純輸入減少(vp－vn)↓注意是閉環(huán)放大倍數(shù)222.3.1同相放大電路2.負反饋的基本概念→

(vp－vn)↓→

vo↓→

vo

↑

→

vn

↑

負反饋達到輸出平衡穩(wěn)定的過程：（vP－vN）＞0直到穩(wěn)定再回顧這個過程：負反饋最后能達到一個穩(wěn)定的輸出值。假設穩(wěn)定后的v0上升看電路的變化。能夠抑制輸出波動232.3.1同相放大電路3.虛假短路※在非線性區(qū)內，運放的差模輸入電壓vid=v+-v-可能很大,即v+≠v-,也就是說，此時，“虛短”現(xiàn)象不復存在電路加入負反饋后

vO＝Avo(vP－vN)仍然成立。vO下降，vN上升，最后達到平衡由于

vO＝Avo(vP－vN)

vn很接近vp，即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短。

不是真短路，而是等同于短路Avo→無窮大(vP－vN)→0242.3.1同相放大電路4.虛假斷路

由于運放的輸入電阻ri很大，所以，運放兩輸入端之間的

ip＝-in＝(vp－vn)/ri

≈0，這種現(xiàn)象稱為虛斷。

由運放引入負反饋而得到的虛短和虛斷兩個重要概念，是分析由運放組成的各種線性應用電路的利器，必須熟練掌握?！诜蔷€性區(qū)內，運放的差模輸入電壓vid=v+-v-可能很大,即v+≠v-,也就是說，此時，“虛短”現(xiàn)象不復存在不是真斷開，而是等同于斷開252.3.1同相放大電路4.幾項技術指標的近似計算（1）電壓增益Av

根據虛短和虛斷的概念有

vp≈vn，ip＝-in＝0所以由下圖：（可作為公式直接使用）放大倍數(shù)與運放的開放無關，僅與外接電阻相關262.3.1同相放大電路4.幾項技術指標的近似計算（2）輸入電阻Ri

輸入電阻定義根據虛短和虛斷有

vi＝vp，ii＝ip≈0所以（3）輸出電阻Ro

Ro→0vi=0Avo(vP－vN)＝0受控源為零272.3.1同相放大電路5.電壓跟隨器根據虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vi（可作為公式直接使用）很有用的電路！常做最后的功放級28電壓跟隨器的作用無電壓跟隨器時負載上得到的電壓電壓跟隨器時ip≈0，vp＝vs根據虛短和虛斷有vo＝vn≈vp＝vs電壓決定于輸入，電流由電源提供電流由誰提供?相當于阻抗變換！如何功率放大？292.3.1同相放大電路同相放大器應該是一個什么放大器？輸入輸出同相比例放大器？比例關系：反饋電阻/輸入端電阻+1比例關系與運放參數(shù)無關輸出與負載無關調整反饋電阻或輸入端電阻就能調整比例關系（放大倍數(shù)）無關不能省掉。。。302.3.2反相放大電路（a）電路圖（b）由虛短引出虛地vn≈0

圖2.3.5反相放大電路1.基本電路

從反相端輸入輸出被電阻還是被引回到反相輸入端312.幾項技術指標的近似計算（1）電壓增益Av

根據虛短和虛斷的概念有

vn≈

vp＝

0

，ii＝0所以i1＝i2

即（可作為公式直接使用）2.3.2反相放大電路322.幾項技術指標的近似計算（2）輸入電阻Ri

（3）輸出電阻Ro

Ro→02.3.2反相放大電路數(shù)值有限，盡量選大比較同相放大有什么區(qū)別？輸入電阻小反相放大倍數(shù)少133當R2>>R3時，（1）試證明VS＝(R3R1/R2)IM

解:（1）根據虛斷有II

=0所以I2

=IS

=VS

/

R1

例2.3.3直流毫伏表電路（2）R1＝R2＝150k

，R3＝1k

，輸入信號電壓VS＝100mV時，通過毫伏表的最大電流IM(max)＝？又根據虛短有VP

=

VN

=0R2和R3相當于并聯(lián)，所以–I2R2

=R3(I2-IM)所以當R2>>R3時，VS＝(R3R1/R2)IM

（2）代入數(shù)據計算即可end與儀表動圈內阻無關Vs只與IM有關，電阻為比例系數(shù)同流同壓同壓34運算放大器電路分析的關鍵：符合理想運算放大器的條件使用“虛短”“虛斷”簡化電路再分析結果352.4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應用2.4.1求差電路2.4.2儀用放大器2.4.3求和電路2.4.4積分電路和微分電路362.4.1求差電路(差分電路）（單極，雙極）從結構上看，它是反相輸入和同相輸入相結合的放大電路。（特點：?信號無地）當則若繼續(xù)有則根據虛短、虛斷和n、p點的KCL得：能用反相輸入和同相輸入疊加求出結果嗎？上下支路電流各相等372.4.1求差電路從放大器角度看時，增益為（該電路也稱為差分電路或減法電路）382.4.1求差電路輸入電阻：時，輸入電壓為：根據虛短和虛斷的概念有

vp≈vn，ii＝0當R4=R3，輸入電阻有限受反相端影響？392.4.1求差電路一種高輸入電阻的差分電路輸入加同相放大改善輸入電阻？Ri=？應用疊加法！402.4.2儀用放大器雙同相輸入再差分：由412.4.2儀用放大器另一求