第2章--集成运放及其基本应用

2.2集成运算放大电路2.4理想运放组成的电压比较器2.3理想运放组成的基本运算电路2.1放大的概念和放大电路的性能指标第2章集成运放及其基本应用练习题2.基本运算电路的分析计算3.电压比较器的分析和传输特性的求解本章重点：1.放大电路的性能指标：Au、Ad、Ac、KCMR、Ri、Ro等一、放大的概念放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制与转换放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真——放大的前提判断电路能否放大的基本出发点VCC至少一路直流电源供电2.1放大的概念和放大电路的性能指标二、放大电路的性能指标ioUUAAuuuioIIAAiiiioIUAuiioUIAiu1、放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口有源网络。2、输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。Lo'oLoo'oo)1(RUURUUUR空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值iiiIUR输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻3.通频带由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率上限频率LHbwfff4.最大不失真输出电压Uom（有效值）：不失真的前提下能够输出的最大电压。5.最大输出功率Pom和效率η：Pom：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率效率η：放大电路中供电的直流电源能量的利用率效率等于最大输出功率Pom与电源消耗功率PV之比2.2集成运算放大电路集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的放大电路。因首先用于信号的运算而得名。由于它具有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在检测、自动控制、信号产生与信号处理等许多方面得到了广泛应用。两个输入端一个输出端集成运放的内部组成：同相输入反相输入输出集成运算放大器即为高增益直接耦合放大器，其内部组成如下图所示：集成运放的电路符号1、差分（动）放大电路的概念集成运放的输入部分是差分放大电路，集成运放也可看成高性能的差分放大电路。差分放大电路ui1ui2uo放大电路uiuo差分放大电路有二个输入端和一个输出端。在差动放大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即ui1=-ui2=uid/2，这种输入方式称为差模输入。两信号的差值称为差模信号，用uid表示，uid为两输入端输入信号之差，即uid=ui1–ui2若两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即ui1=ui2=uic，这种输入方式称为共模输入，两信号的算术平均值称为共模信号，用uic表示。uic为：uic=(ui1＋ui2)/2若ui1≠ui2，这种输入方式称为比较输入，ui1、ui2可分解为一对共模信号及一对差模信号。即：差分放大电路只对差模信号才起放大作用，对共模信号起抑制作用，故称为差分放大电路。22121iiiciiiduuuuuu2221idiciidiciuuuuuu共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。其值越大越好。udCMRRucAKA根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。odudiduAuocucicuAu差模电压增益共模电压增益集成运放的符号∞_++(a)国标符号(b)习惯画法2、集成运放的符号及电压传输特性+VOM-VOM+VOM-VOM集成运放的电压传输特性由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)Aod是开环差模放大倍数。非线性区(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM(该值接近于电源电压),就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)+VOM-VOMvivo+VOM-VOMAod越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。CCoOMVvVmax例：若VOM=±12V，Aod=106，则|vi|12V时，运放处于线性区。线性放大区运放工作在线性区时的特点3、理想集成运放理想运放的电路模型：同相输入反相输入受控电压源输出电阻输入电阻供电电源供电电源为了简化分析并突出主要性能，通常把集成运放看成理想的，理想运算放大器应当满足下列条件：(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；(2)输入电阻趋于无穷；(3)输出电阻趋于零；(4)共模抑制比趋于无穷；(5)有无限宽的频带；(6)当输入端u-=u+时，uo=0。目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上，输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此，作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。集成运放的理想化条件：4、理想运放的工作区域反馈：将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部通过一定的电路（反馈电路）回送到输入回路的反送过程。引入反馈后，放大电路与反馈电路构成一个闭合环路，所以把引入了反馈的放大电路叫做闭环放大电路（或闭环系统）；而把未引入反馈的放大电路叫做开环放大电路（或开环系统）。按照反馈的极性，可以分为正反馈和负反馈。正反馈:反馈信号增强输入信号。负反馈:反馈信号削弱输入信号。判断运放工作状态的方法是看电路中引入反馈的极性，若为负反馈，则工作在线性区；若为正反馈或者没有引入反馈（开环状态），则运放工作在非线性状态。（1）理想运放引入负反馈工作在线性区时：理想运放dvAdiR0doRCMRKBW失调和漂移0推论diR0dooNPAuuu因则NPuu因则0iuP＝uN…………虚短路iP＝iN＝0………虚断路PNuu说明：0i相当于运放两输入端“虚短路”。虚短路不能理解为两输入端短接，只是(uP-uN)的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以忽略不计的程度。相当于运放两输入端“虚断路”。实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚断”运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。分析运放组成的线性电路的出发点•虚短路•虚断路•放大倍数与负载无关，可以分开分析。0iinpvv信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用CCOmVU（2）理想运放引入正反馈或者工作在开环状态时，理想运放工作在非线性区，此时：NPuuOmOUuNPuuOmOUu①、当时，当时，②“虚断”仍然成立，iP＝iN＝02.3.理想运放组成的基本运算电路（1）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式uo＝f(ui)（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。（1）识别电路；（2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。2、学习运算电路的基本要求1.研究的问题一、比例运算电路1、反相比例运算电路类型：电压并联负反馈PNuu因则0Nu反相输入端“虚地”。0i因则fiiRRuRuuinRI1foffRuRuuioN由图输出电压表达式：IuRRufo输入电阻RRi输出电阻0oR因0Nv因深度电压负反馈，RP=R1//R2vo为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。直流平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。当R1=R2时，则uo=－ui，此时构成变号器。T形反馈网络反相比例运算电路I12MuRRuI342142O)1(uRRRRRRu∥？，则，若比例系数为？，则若要求3421ik100100k100RRRRR利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。432MO)(Riiuu1I12Ruii3M3Rui例、已知由运算放大器构成的电路如图所示，试求Av=?0vvi1=i2虚短路虚开路1122RviRviiM4324111RRRRvvoMi4=i2+i3)1()111()111(342412414322414322RRRRRRRRRRRRRRRRRRvvAiov4324111RRRRvvoM1122RviRviiM该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。类型：电压串联负反馈NPuu因则IuuN注：同相放大器不存在“虚地”。0i因RuRuiNRN0fIoffRuuRuuiNo由图输出电压表达式：INuRRuRRu)1()1(ffo输入电阻iR输出电阻0oR因深度电压负反馈，0i因则fiiR2、同相比例运算电路IPNOuuuu3、同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。例1、由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输出电压vo。解：利用虚短概念vN=vP=0利用虚断概念ii=0可得：ii=0例2、由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输出电压。解：利用虚短概念vN=vP=2V利用虚断概念ii=0可得：VvvvRvvRvPNo2012111ii=0二、加减运算电路3I32I211I321FPN0RuRuRuiiiiuuRRR方法一：节点KCL（1）反相求和1、求和运算电路)(3I32I211IffFORuRuRuRRiuI33fI22fI11fO3O2O1OuRRuRRuRRuuuu方法二：利用叠加原理首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。I33fO3I22fO2uRRuuRRu同理可得1I1fO1uRRu)(332211SfSfSfouRRuRRuRRu反相加法器的输出电压表达式中：当R1=R2=R3=Rf时，则输出电压表达式为：)(321SSSouuuu若想去掉输出电压前面的负号，可在反相输入加法器后面再加一个反相器即可。（2）同相求和设R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf方法1：利用叠加原理求解：令uI2=uI3=0，求uI1单独作用时的输出电压在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果简单明了，易于计算。1I4321432f1O)1(uRRRRRRRRRu∥∥∥∥同理可得，uI2、uI3单独作用时的uO2、uO3，形式与uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意义清楚，计算麻烦！方法2：利用节点KCLff3I32I211IPfPfO)()1(RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu与反相求和运算电路的结果差一负号4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)()(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu∥∥∥必不可少吗？2、加减运算电路（利用求和运算电路的分析结果）（1）差分比例运算电路令uI2=0，则11fo1IuRRu令uI1=0，32231fo2)1(RRuRRRuI2o1oouuu11IvRRf