一运算放大器

运算放大器1集成电路运算放大器2理想运算放大器3基本线性运放电路4同相输入和反相输入放大电路的其他应用§1集成电路运算放大器1.运放的内部组成单元：PN差分式放大电路对称性一级或多级放大电路提高电压增益输入级1vA1Ov中间级2vA2Ov输出级3vA功率放大电路电压增益为1，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国际符号：国内符号：集成运放的特点：•电压增益高•输入电阻大•输出电阻小集成运算放大器(operationalamplifier)符号同相输入端反相输入端输出端VVVo+－A+-vvv＋－v+-vov§1集成电路运算放大器§1集成电路运算放大器2.运放的电路模型：PNPvNvirOvorVV1V2V)(NPovvAv输入电阻模拟输入端口输出电阻与受控源模拟输出端口电源是运放必须的能源电源中间接点为参考电位点§1集成电路运算放大器2.运放的电路模型：sRLRsvivoviRoRiovAv甚至更高通常可达到的值较高，至少为开环电压增益64o10,10vA或更高的值较大，通常为输入电阻6i10r或更低的值较小，通常为输出电阻100or内部电路所确定三个参数的值是由运放和、oiorrAv不可能超过什么值？：输出电压oQv§1集成电路运算放大器2.运放的电压传输特性：)(NPoovvAvvV/ovmV/)(NPvvVVomVVomoab正饱和线性区负饱和输出电压的正、负极限值实际输出电压的变化范围是？为什么ab段几乎是一条垂直于横坐标的直线？容易导致运放的性能不稳定，为使运放组成的各种应用电路稳定地工作在线性区，须引入负反馈输出电压正比于输入电压§1集成电路运算放大器2.运放的电压传输特性：)(NPoovvAvvV/ovmV/)(NPvvVVomVVomoab正饱和线性区负饱和oPNooPNoPNoomoPNoom()()()()vvvvVAvvVvAvvAvvVvVVAvvVvVV§2理想运算放大器)(NPoovvAvvV/ovmV/)(NPvvVVomVVomoabVVVVvomomo.1，的饱和极限值VVvvvVVvvvvvAvomoNPomoNPNPo,0)(,0)()(,.2若若很小即使运放进入饱和区0,.3NPo必未达到饱和值vvv0,0.4NPiiir则0.5orPvNvOvVV)(NPovvAv0Pi0Ni运放工作线性区§2理想运算放大器按功能分类按工作区域分类放大—信号传递AV、AI、AR（V/I）、AG（I/V）运算—、、、、、、、elndtdxxx处理—滤波、整流、取样－保持、绝对值比较—判断电压大小（第9章）信号产生—正弦、方波、三角波（第9章）线性应用(虚短、虚断)非线性应用(虚断)3.1同相放大电路§3基本线性运放电路1.基本电路ivpvnvov1R2Ro211fnvRRRvv3.1同相放大电路§3基本线性运放电路2.负反馈的基本概念ivpvnvov1R2R)()()(idvvid=vi-vf=vp-vn比无反馈时减少电压增益Av=vo/vi也减小根据反馈的定义，此时引入的是负反馈)(ipvvov21,RRnvidvov3.1同相放大电路§3基本线性运放电路3.虚假短路ivpvnvov1R2R)(npoovvAvv由理想运放的参数可知：ovA为有限值ov0npvv两输入端的电位约相等，称为虚短iii/ivrir为有限值iv0ii0npii两输入端的电流约为零，称为虚断3.1同相放大电路§3基本线性运放电路4.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Avipvv由虚短：npvv由虚断：0nipvnvov1R2Rividv)(npovvAvni1Ri2Ri21RRiio211nvRRRvo211ivRRRv12121io1RRRRRvvAv3.1同相放大电路§3基本线性运放电路4.几项技术指标的近似计算（2）输入电阻Ri由输入电阻的定义：iiiivR由虚断：0iiipvviR即便考虑运放为非理想运放这个因素，Ri也可达109pvnvov1R2Rividv)(npovvAvni1Ri2Ri3.1同相放大电路§3基本线性运放电路4.几项技术指标的近似计算（3）输出电阻Ro由求输出电阻的方法：])||[(||2i1ooRrRrRpvnvov1R2Ridv0)(npovvAvir0or0oR3.1同相放大电路§3基本线性运放电路5.电压跟随器pivvnvov1R2R1R令02R令输出电压等于反馈电压novv由虚短：npivvv输入、输出大小相等，相位相同1iovvAv3.1同相放大电路§3基本线性运放电路5.电压跟随器pivvnvoviR0oR在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器阻抗变换器sssLsLo01.010011vvvRRRv一个具有高内阻的信号源直接驱动阻值不大的负载时：sR信号源负载LRovsvk100k13.1同相放大电路§3基本线性运放电路5.电压跟随器sRLRovsvk100k1信号源负载将电压跟随器接在高内阻的信号源与负载之间，由虚短、虚断知：psvvnovvnpvvsovv负载变化仍然成立消除负载变化对输出电压的影响3.2反相放大电路§3基本线性运放电路虚地点2Rpvnvov1Riv1i2inipi1.电压增益Av由虚断：0pnii21ii由虚地：0nv2on1niRvvRvv2o1iRvRv12ioRRvvAvio12vvRR时，为反相电路，即当3.2反相放大电路§3基本线性运放电路2Rpvnvov1Riv1i2inipi（2）输入电阻Ri1iRR（3）输出电阻Ro2oo||RrR0or0oR4.1求差电路§4同相输入和反相输入放大电路的其他应用根据虚短、虚断得：（1）利用差分式电路(differenceamplifier)以实现减法运算3Rpvnvov2R2iv2i3iii4R4i1R1i1iv1i2ivvidvpn4on1n1iRvvRvv3p2p2iRvRvvpnvv1i142i323141o))((vRRvRRRRRRv4.1求差电路§4同相输入和反相输入放大电路的其他应用（1）差分式电路3Rpvnvov2R2iv2i3iii4R4i1R1i1iv1i2ivvidvpn若阻值选取满足R4/R1=R3/R2的关系：)(1i2i14ovvRRv141i2iodRRvvvAv输入电阻Ri22222112221i2ii22)(RiRiiRiRiivvRR1=R2输出电阻Ro同理想运放的输出电阻§4.1求差电路O1vf1i11RvROvf2i22RvRO122fvRR（2）利用反相信号求和以实现减法运算Ov即f2f1i121RRvRRf2i22RvR当时22f11fRRRR，得Oi1i2vvv（减法运算）vvf2oRi22RR2+－vvf1o1Ri11R+－A1A221Rnv1ov1R1iv2R22R2R2ov22R1A2A21Rnv1R1iv2R22R2R2ov22R2iv1A2A21Rnv1ov1R1iv2R22R2R2ov22R2iv1A2A例4.1高输入电阻差分电路如图，求输出电压表达式。11211)1(iovRRv由叠加定理：12222oovRRv11212222)1(iovRRRRv2222222222))(1(iovRRRRRv222ooovvv当R1=R21时)(122222iiovvRRv与单级差放电路相比，由于第一级是同相输入放大电路，输入电阻为无穷大§4.2仪用放大器2R3v1R1v3R4Rov4R1A3A2R4v2v3R2A2Ri2Ri1Ri3pv3nv43vv211vvvR1243121RRvvRvR))(21(211243vvRRvv)(4334ovvRRv由差分输入关系知：)21(123421oRRRRvvvAv输入信号都是从同相端输入，其输入电阻为无穷大§4.3求和电路3Rnvov1R1iv1i3iii2R2iv2i由虚断：321iii3on2n2i1n1iRvvRvvRvv由虚地：0nv2i231i13ovRRvRRv321RRR若2i1iovvv§4.4积分电路IVIvOtIVOvOtomVtVtRCVvIIO阶跃电压运放输出电压的最大值受到直流电源电压的限制，运放进入饱和区，输出保持不变，停止积分vP=vN=012ii§4.4微分电路O2viR微分电路(differentialcircuit)如图所示。NvOvRIv1i2iIiCtvRCvddIO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。§4.4微分电路NvOvRIv1i2iIiCtvRCvddIOVIvOtOvOttvs0tvo090°,求vo。tvRCvddSO)90sin(cosOtRCtRCvtvsinsivvo1－CRsR+iC例题归纳与推广Ov1RIv2C2R1C)1(1)()()(111122iosCRsCRsCRsVsVsA)1(21121212CsRCsRCCRR比例运算微分运算积分运算VIvOtOvOt阶跃响应PID调节器PID调节器是自动控制系统中常用的运算电路§4.4微分电路习题4112OI1I211221/1/1/(1)1/sCsCsCvvvRRRsCI111I211112211vsRCvsRCsRCsRCRRR21CCC21I2I11()vvsRCNvOv1RI1v1Cpv1RI2v2C电压比较器将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系vo=f(vi)是非线性函数。VOH-VOLvv+Oi－VREFvovi0VREF