第二章--运算放大电路

理论学习课程导学自我测试常熟理工学院电气与自动化工程学院本章知识结构图本章教学要求正确理解集成运放的组成结构及各组成部分的作用；掌握运放的电路模型以及理想运放的特点；熟练掌握“虚短”、“虚断”“虚地”概念；熟练掌握各类差基本线性运大电路和运算电路。本章重点难点1．集成电路运算放大器的基本组成集成电路运算放大器的实质是高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。通常由输入级、中间级、输出级以及偏置电路组成。输入级通常采用恒流源式的差分式放大电路，通过发挥集成运放内部参数匹配性好的特点，降低零点漂移、温度漂移；采用恒流源引入共模负反馈，抑制共模信号，提高共模抑制比。中间级又称电压放大级，其主要任务是提供足够大的电压增益，向输出级提供大的推动电流，因此通常由共射放大电路组成。输出级一般不要求提供高的电压放大倍数，而要求向负载提供足够大的输出电流。通常输出级采用电压跟随器或互补对称的电压跟随器。偏置电路起到为输入级、中间极和输出级提供偏置电流，确定各级静态工作点以及在放大电路中充当有源负载的作用。偏置电路主要由电流源电路组成，常用的有镜像电流源、比例电流源和微电流源等，前两者提供的偏置电流较大，后者则可产生较小的偏置电流，适用于输入级偏置电路。2．集成运算放大器线性应用电路集成运算放大器实际上是高增益直耦多级放大电路，它实现线性应用的必要条件是引入深度负反馈。此时，运放本身工作在线性区，两输入端的电压与输出电压成线性关系，各种基本运算电路就是由集成运放加上不同的输入回路和反馈回路构成。在分析由运放构成的各种基本运算电路时。注意：不同的输入方式（同相或反相）和负反馈这两个基本点。3．理想集成运放工作在线性区的两大特点理想集成运放工作在线性区时，存在两个重要特征“虚短”和“虚断”。“虚断”和“虚短”是分析集成运放构成的各种线性电路的重要依据。“虚短”是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。虚短的必要条件是运放引入深度负反馈。“虚断”是指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大，就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开路，称为“虚断”。第二章运算放大电路2.1集成电路运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路及其应用真空器件半导体器件集成电路大规模集成电路集成电路的分类1.按功能分类：数字集成电路、模拟集成电路2.按构成有源器件的类型分类：双极型、单极型3.按外形分类：双列直插式、圆壳式、扁平式4.按类型分类：集成运算放大器、集成功率放大器、集成比较器、集成稳压器等等2.1集成电路运算放大器输入级中间级输出级偏置电路2.1集成电路运算放大器实质：集成运放是具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。对集成电路的多项性能起决定性作用提供足够大的电压放大倍数，要求：①具有较高的电压放大倍数；②具有较大的输入电阻，减小对前级的影响；③向输出级提供大电流。①提供足够大的输出功率；②具有较大的输入电阻，减小对前级的影响；③具有较小的输出电阻，提高带负载能力;④电压增益为1。①为输入级、中间级、输出级提供合适的偏置电流，以确定各级静态工作点;②作为有源负载，提高放大电路的电压增益。一.内部组成单元反相输入端N同相输入端PO输出端二.运算放大器的代表符号“+”对应的端子——同相输入端，即此端输入信号，将在输出端得到一个与输入信号同相位的输出信号；“-”对应的端子——反相输入端，即此端输入信号，将在输出端得到一个与输入信号反相位的输出信号。输入端P（同相输入端）、N（反相输入端）和输出端O的电压分别为vP、vN、vO。三.运算放大器的电路模型将运算放大器看作具有端口特性的标准器件，用包含输入端口、输出端口、供电电源端的电路模型表示。输入端口用输入电阻ri（较大，通常为106Ω或更高）模拟，输出端口用输出电阻ro（较小，通常为100Ω或更低）和受控电压源Avo（vP-vN）模拟。开环增益较高，至少为104，通常可高达106；输出电压不能超越正负电源电压值，具有正负饱和极限值（+Vom=V+，-Vom=V-），实际输出电压介于两者之间，具体表示为VvvAVVvVvvAVVvVvvAVvvAvNPvoomoNPvoomoNPvoNPvoo电压传输特性是指开环时，输出电压与差模输入电压之间的关系。运放的电压传输特性主要分为线性区（当输入电压幅值较小时，输出电压和输入电压之间呈线性关系）和非线性区（限幅区）。为使集成运放所组成的各种电路稳定地工作在线性区，应引入负反馈。三.运算放大器的电压传输特性+Vom=V+vP-vN-Vom=V-Ovo理想特性实际特性正饱和负饱和例题运放的开环电压增益Avo=2×105，输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V，V-=-12V。（1）试求当时输入电压vo=±Vom=+12V时的最小幅值vP-vN=?（2）输入电流ii？（3）画出传输特性。1．输入电压的饱和极限值等于电源电压，即+Vom=V+，-Vom=V-；2．运放的开环电压增益很高，Avo→∞，使得差分输入电压很小时，运放仍可能进入饱和区；3．当输出电压未饱和时，差分输入电压必趋近于零，当运放输出电压介于两饱和极限时，运放必工作在线性区；4．内部输入电阻ri近似认为无穷大，则两输入端的电流近似为零；5.内部输出电阻ro很低，可近似认为为零。2.2理想运算放大器理想集成运放工作在线性区时，存在两个重要特征“虚短”和“虚断”。1．“虚短”集成运放工作在线性区时，其同相输入端和反相输入端的电压近似相等，这一特点称为“虚短”。vP≈vN2．“虚断”集成运放工作在线性区时，其同相输入端和反向输入端的输入电流均近似为零，这一特点称为“虚断”。i+=i-≈02.3基本线性运放电路2.3.1同相放大电路运放均视为理想运放主要技术指标1．闭环电压增益1112121RRRRRvvAiovAv的值只取决于运放外部的元件值，与运放本身的参数无关。iiiivR3．输出电阻Ro=ro//[（R1//ri）+R2]→02．输入电阻电压跟随器当R1=∞、R2=0时，输出电压与输入电压大小相等，相位相同，对应的电路称为电压跟随器，常充当阻抗变换器或缓冲器。电压跟随器接在高内阻信号源与负载间时，可消除负载变化对输出电压的影响。例题磁电式电流表指针偏移满刻度时，流过动感线圈电流IM=100μA，当R1=2MΩ时，可测得最大输入电压VS（max）？2.3.2反相放大电路输入电压经电阻R1加到反相端，输出电压由电阻R2反馈回反相端，同相端接地。由于“虚短”，反相输入端近似为地电位，称为反相端“虚地”——反相放大电路在闭环工作状态下的重要特征。电路的输出电压与输入电压成比例，且相位相反。当R2＝R1时，闭环电压增益为-1，输出电压与输入电压之间实现反相功能，此时的运算放大电路称为反相器或反相电路。2．输入电阻12RRvvAiov主要技术指标1．闭环电压增益111/RRvvivRiiii3．输出电阻Ro→0例题（1）求图示电路的电压增益表达式；（2）该电路用作话筒的前置放大级，若选R1=51kΩ，R2=R3=390kΩ，当vo=-100vi时，计算R4的值；（3）直接用R2代替T形网络中的电阻时，当R1=51kΩ，Av=-100时，求R2。例题直流豪伏表电路如图所示，当R2R3时，（1）试证明VS=（R1R3/R2）IM；（2）R3=1kΩ，R1=R2=150kΩ，输入信号电压VS=100mV，通过毫伏表的最大电流IM（max）=？2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.4.1求差电路该电路是同相输入和反相输入相结合的放大电路，又称差分放大电路。3224011RvRvvRvvRvvppinni11422323140/1/1iivRRvRRRRRRv1214iiovvRRv1412RRvvvAiiovd电路的输出电压与两个输入电压之差成比例，即实现差分比例（求差）运算，主要用于减法运算、测量放大器。当R4/R1=R3/R2时，1211222122RiRiRiivvRiii输入电阻输出电阻很小例题求图示高输入阻抗差分放大电路的输出电压的表达式，说明其特点。2.4.2仪用放大器运放A1、A2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。1243121211RRvvRvvvvRR21124321vvRRvv211234433421)(vvRRRRvvRRvo12342121RRRRvvvAov通常R2、R4、R3为给定值，用可变电阻代替R1，通过调节R1来改变电压增益。输入电阻Ri→∞2.4.3求和电路多端输入的反相输入放大电路。也可由同相放大电路组成。223113iiovRRvRRv当R1=R2=R3时，21iiovvv结论：1.输出电压与各输入电压呈反相关系；2.当改变某一输入回路的电阻时，仅改变输出电压与该路输入电压的比例关系。例题某歌唱小组有一个领唱和两个伴唱，各自的歌声分别输入三个话筒，各话筒的内阻RS=500Ω，接入如图求和电路。（1）求总的输出电压vo的表达式；（2）当各话筒产生的电信号为vs=vs1=vs2=vs3=10mV时，vo=2V，伴唱支路增益Av1=Av2，领唱支路增益Av3=2Av1，求各支路增益；（3）选择电阻R1、R2、R3和R4的阻值（要求阻值小于100kΩ）。图4.2.4同相求和运算电路RRRRR//////32133221111IIIFouRRuRRuRRRRu结论：1.实现同相求和运算；2.当改变某一输入回路的电阻时，将改变各路输入电压与输出电压的比例关系；例题：试用集成运放实现以下运算关系uO=0.2uI1-10uI2+1.3uI3电路中多个输入信号同时实现加减法运算时，可采用两级反相求和电路。2.4.4积分运算和微分运算dtRvCvRviICI1/101OIOvdtvRCv输出电压为输入电压对时间的积分，且两者相位相反。一.积分运算1.输入信号为阶跃信号时，可实现波形的转换；2.输出信号与时间成线性关系，向负方向增长，且增长速度与输入电压的幅值成正比，与积分时间常数成反比；3.输出电压的最大值受直流电源电压限制；4.主要用作显示器的扫描电路、模数转换器、数学模拟运算器。tVtRCVviiO例题电路中电源电压V+=15V，V-=-15V，R=10kΩ，C=5nF，输入电压vI波形如图所示，在t=0，电容器的初始电压vc（0）=0，试画出输出电压vO的波形，并标出vO的幅值。输入波形为正弦波时，可实现波形的移相。tVvmIsintRCVvmocosdtdvRCvdtdvRCRivvdtdvCiIOIONI11输出电压正比于输入电压对时间的微商，且两者相位相反。输入电压为阶跃信号时，输出电压将逐渐衰减；输入信号为正弦函数时，输出电压的幅值将随频率的增加而线性增加，对高频躁声较为敏感。微分电路主要用于波形变换，将矩形波变换成尖顶脉冲波。二.微分运算第二章自我测试一．判断题1．运算电路中一般均引入负反馈。（）2．在运算电路中，集成运放的反相输入端均为虚地。（）3．凡是运算电路都可利用“虚短”和“虚断”的概念求解运算关系。（）二、选择题1．现有电路：A．同相求和B．反相求和C．反相比例运算电路D．同相比例运算电路E．积分运算电路F．微分运算电路（1）欲将正弦波电压移相＋90°，应选用；（2）欲实现Au＝－100的放大电路，应选用。（3）欲将方波电压转换成三角波电压，应选用。（4