模拟电路-运算放大器

2-1第二章运算放大器本章导读运算放大器是模拟集成电路中应用极为广泛的一种器件。本章先介绍集成运放内部的主要结构、理想运算放大器和电路模型，然后用线性电路理论分析由理想运放和电阻、电容等组成的简单应用电路。较早学习这些应用电路，有利于启发同学们的创新思维，打破对电子技术的神秘感。2-22.1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的其他应用2.5SPICE仿真例题第二章运算放大器2-32.1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2、运算放大器的电路模型2-4集成运算放大器外形图12-5集成运算放大器外形图22-6LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。四运放集成电路LM324运算放大器符号2-71、集成电路运算放大器的内部组成单元ov输入级差分放大Aυ1中间级电压放大Aυ2输出级功率放大Aυ3=1P－－＋_-PvN＋NvV+V-－－－＋＋＋1ov2ovO1、输入输出端口P、N、O。2、各级的作用？3、4、运放的代表符号。oPNvvv、、的参考电位点？正负电源的中间接点＋＋－－国标符号常用符号11()PNovvAvv212()PNovvvAAvv()ovoPNvAvv2-82、运算放大器的电路模型输入电阻ri较大，通常为106Ω或更大；输出电阻ro较小，通常为100Ω或更小；开环电压增益Avo的值较高，至少为104；受控电压源：Avo(vP-vN)。P－－＋_-PvN＋Nvri＋－＋－()voPNAvvroV+V－ov＋－V1V2供电电源运算放大器的电路模型1、电路模型及说明2-92、运算放大器的电路模型2、电压传输特性Oo/VP-vN)/mV运算放大器电压传输特性正饱和负饱和+Vom=V+－Vom=V－输出电压vo不可能超越正负电源的电压值。若Avo(vP-vN)≥V＋，则vo=＋Vom=V＋;设vPvN，若V－Avo(vP-vN)V＋，则vo=Avo(vP-vN);若Avo(vP-vN)≤V－，则vo=－Vom=V－。当vo=±Vom时输入电压的最小幅值vP-vN＝？vom/Avo2-102、运算放大器的电路模型例2.1.1：电路如图所示，运放的开环电压增益Avo=106，输入电阻ri=109Ω，电源电压V+=+10V，V－=－10V。（1）试求当vo=±Vom=±10V时输入电压的最小幅值vP-vN=？输入电流ii=？（2）画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。P－－＋_-PvN＋Nvri＋－＋－()voPNAvvroV+V－ov＋－V1V2供电电源运算放大器的电路模型109Ω106＋10V－10V解:(1)当vo=±Vom时，输入电压最小幅值vP-vN＝vo/Avo＝±10V/106=±10μV输入电流ii=vP-vN/ri＝±10μV/109Ω＝±1×10－8μA2-112、运算放大器的电路模型例2.1.1解:(2)画传输特性曲线取a点(＋10μV,＋10V)，b点(－10μV,－10V)，连接a，b两点得线段ab，其斜率为Avo=106，|vP-vN|10μV,电路工作在线性区，否则工作在非线性区。电压传输特性曲线如左图所示。0o/VP-N)/μV例2.1.1运放电压传输特性a(＋10μV,＋10V)b10－10(-10μV,-10V)1030－10－302-122.2理想运算放大器近似理想运放模型1、输出电压vo的饱和极限值等于运放的电源电压，即+Vom=V+，-Vom=V-。2、开环电压增益很高，差分输入电压（vP-vN）的值很小也可使运放进入饱和区。3、若vo未达到饱和极限，则差分输入电压（vP-vN）必趋近于0。当vo处于V+与V-之间，则运放必工作在线性区。4、内部的输入电阻ri的阻值很高，可近似地认为它为无穷大；由此可假定iP＝0，iN＝0。5、内部的输出电阻ro的阻值很低乃至可以认为它为0。2-132.2理想运算放大器理想运放模型将近似理想运放的参数理想化（+Vom=V+，-Vom=V-，Avo---∞，iP＝0，iN＝0，ri＝∞，ro＝0），便可得到理想运放的模型该图表示输入端是开路的，即ri≈∞，输出端电阻ro≈0，输出电压vo＝Avo(vP-vN)，其中Avo---∞＋－＋－()voPNAvvV+V－ovNvPv运算放大器的电路模型riiP=0iN=0理想运放电路模型ro运放电路模型2-142.3基本线性运放电路同相输入和反相输入是两种最基本的放大电路，许多由运放组成的功能电路都以此为基础。在分析运放组成的各种应用电路时，其中的运放视为理想运放。2.3.1同相放大电路2.3.2反相放大电路电压传输特性形状与Avo(vP-vN)密切相关，由于Avo很大，导致性能不稳定，怎么办？2-152.3.1同相放大电路+_vi(+)(+)vpvnR1R2+_vo(+)+_vi(+)vpvnR1R2+_vo(+)+_vidiR=vn/R1+_Avo(vp-vn)同相放大电路（a）电路图（b）小信号电路模型a、输入信号vi加到运放的同相输入端“＋”和地之间。b、vn=vf=R1vo/(R1+R2)作用在反相输入端“－”，vf表示反馈电压。1、基本电路2-162.3.1同相放大电路+_vi(+)(+)vpvnR1R2+_vo(+)+_vi(+)vpvnR1R2+_vo(+)+_vidiR=vn/R1+_Avo(vp-vn)同相放大电路（a）电路图（b）小信号电路模型vp(vi)2、负反馈基本概念vovnvidvo12345电压增益Av=vo/vi如何变化？2-172.3.1同相放大电路+_vi(+)(+)vpvnR1R2+_vo(+)+_vi(+)vpvnR1R2+_vo(+)+_vidiR=vn/R1+_Avo(vp-vn)同相放大电路（a）电路图（b）小信号电路模型3、虚短和虚断vp(vi)vnvp≈vn或vid=vp－vn≈012345虚短：虚断：由于虚短(vp－vn≈0)且ri很大，则ip＝in≈02-182.3.1同相放大电路+_vi(+)vpvnR1R2+_vo(+)+_vidiR=vn/R1+_Avo(vp-vn)同相放大电路（b）小信号电路模型4、技术指标近似计算vp≈vn虚短：虚断：ip＝in≈0①闭环电压增益Avvfii0ri由于，必有，因此②输入电阻RiiiivRio122vi111vRRRAvRR1pnoif12RvvvvvRR2-192.3.1同相放大电路vp≈vn虚短：虚断：ip＝in≈0+_vi(+)vpvnR1R2+_vo(+)+_vidiR=vn/R1+_Avo(vp-vn)同相放大电路（b）小信号电路模型0oo1i2||[(||)]RrRrRro=0Ro04、技术指标近似计算③输出电阻Ro2-202.3.1同相放大电路vo=vn≈vp=viAv=vo/vi≈15、电压跟随器+_vi(+)(+)vpvnR1R2+_vo(+)vi＝vpvn+_vo＝vn（a）同相放大电路（b）电压跟随器2-212.3.1同相放大电路LosssSL10.011001RvvvvRR5、电压跟随器（应用示例）（a）+_vsRsRL1kΩvnvp+_（a）（b）+_vo100kΩ信号源负载+_voRL1kΩ负载Rs100kΩ+_vs信号源（b）onpsvvvv2-222.3.1同相放大电路111NSMVVIIRR6、例2.3.1直流电压表VnVp+_IMR1I1+_Vs直流电压表电路RmIi磁电式仪表电路如图，磁电式电流表指针偏移满刻度时，流过动圈电流IM=100μA。当R1=20KΩ时，可测的最大输入电压VS(max)=?解：由虚短和虚断有VP=VS=VN,Ii=0，则有(max)16410010A2102VSMVIR2-23作业P46、P472.1.1;2.1.2;2-242.3.2反相放大电路1、基本电路+_vii1vpvnR1R2+_vo（a）反相放大电路图（b）由虚短引出虚地vn≈0+_vi+_voi1i2ii=0npR1R2虚短vn≈vp=0i2iiii虚地：由虚短vn≈vP=0，则有vn接近于地电位+_vivnR1R2+_vo(+)同相放大电路vp2-25+_vii1vpvnR1R2+_vo（a）反相放大电路图i2iiii2.3.2反相放大电路2、几项技术指标的近似计算（1）电压增益虚地vn=0，虚断ip=in=0，则i1=i2，故有因此o2i1vvRAvRnooini1212vvvvvvRRRR或－2-26+_vi+_voi1i2ii=0npR1R2虚短vn≈vp=02.3.2反相放大电路2、几项技术指标的近似计算（2）输入电阻iii11i1/vvRRivR2-272.3.2反相放大电路2、几项技术指标的近似计算（3）输出电阻oo1i2||[(||)]RrRrRro=0Ro0+_vii1vpvnR1R2+_vo（a）反相放大电路图i2iiiiro2-282.3.2反相放大电路i412124o442432430000vviiRRvvvviiiRRR(n)，即(M),＋即例2.3.2将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替，如下图所示。（1）求Av=vo/vi；vii1pnR1R2+_vo含T形网络的反相放大电路图i2inipR3i3R4i4v4M解:(1)虚地vn=0，虚断in=ip=0,节点n和M的电流方程为可得232341(/)ovivRRRRRAvR2-292.3.2反相放大电路例2.3.2将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替，如下图所示。（2）该电路作为话筒的前置放大电路，若选R1＝51KΩ，R3＝R2＝390KΩ，当vo＝－100vi时，求R4。vii1pnR1R2+_vo含T形网络的反相放大电路图i2inipR3i3R4i4v4M解:(2)当R1=51KΩ，R1=R2=390KΩ，Av＝－100，有解得3142234(/)390390(390390)/10051ovivRRRRRRRAvR4＝35.2KΩ2-302.3.2反相放大电路例2.3.2将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替，如下图所示。（3）直接用R2代替T形网络，当R1=51KΩ，AV＝－100时，求R2。vii1pnR1R2+_vo含T形网络的反相放大电路图i2inipR3i3R4i4v4M解:（3）若Av＝－100，用R2代替T形网络，则R2为2110051K()5100KvRART形网络代替反馈电阻R2的益处？2-312.3.2反相放大电路1323sMRRVIRRsMs212MM32MM32...............(01).....(200)VVIIRRVVIIIIRR，即，即－－＝－-例2.3.3直流毫伏表电路表如下图所示。当R2R3时，（1）证明Vs=(R1R3/R2)IM；VsIspnR1R2+_IM直流毫伏表电路图I2II(I2-IM)R3+_I3MN解:(1)虚地Vn=Vp=0，虚断IN=II=0，可得由（1）和（2）式可得当R2R3时132sMRRVIR2-322.3.2反相放大电路132213sMMsRRRVIIVRRR由得例2.3.3直流毫伏表电路表如下图所示。当R2R3时（2）R3=1KΩ，R1=R2=150KΩ，输入信号电压Vs=100mV时，通过毫伏表的最大电流IM(max)=?解:(2)已知条件（略）VsIspnR1R2+_IM直流毫伏表电路图I2II(I2-IM)R3+_I3MN3(max)6215010100mV100A150110MIμ代入数据得2-332.4同相