第二章 運算放大器

第2章運算放大器,本章介紹集成運放內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)、理想運放和電路模型。用線性電路理論分析由運放和電阻、電容等元件構(gòu)成的簡單應(yīng)用電路。包括同相比例、反相比例放大、加法、減法、微分、積分及儀用放大器等。,2.1集成運算放大器,內(nèi)部組成單元：,運算放大器電路模型,輸入電阻很高，開環(huán)增益很大。,運算放大器的電壓傳輸特性,2.2理想運算放大器,一、理想運放的特性1、開環(huán)電壓增益Aod=2、差模輸入電阻rid=3、輸入偏置電流IB1=IB2=04、輸出電阻r0=05、共模抑制比CMRR=6、頻帶寬度BW=7、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流以及它們的漂移均為零,理想運放電路模型,正向飽和區(qū),U,OH,U,OL,負向飽和區(qū),U,o,O,U,理想運放開環(huán)傳輸特性,二、兩條重要的法則1、理想運放的兩輸入端之間的電壓差為零兩輸入端短路,2、理想運放的兩輸入端不取電流兩輸入端之間開路Ui=0，而ri=,即兩差動輸入端相當(dāng)于短路，但短路中又無電流流過。,2.3基本線性運放電路,線性區(qū)在線性區(qū)，它的輸出信號和輸入信號滿足如下的關(guān)系Uo=Aod（U+-U-）通常，集成運放的Aod很大，為了使其工作在線性區(qū)，大都引入深度負反饋，以減小運放的凈輸入，保證輸出電壓不超出線性范圍。特點:（1）運放的同相輸入端與反相輸入端的電位相等，即U+=U-。（2）理想運放的輸入電流等于零。,集成運放的工作區(qū)分為線性區(qū)和非線性區(qū),基本運算電路,加法電路,微分電路和積分電路,儀用放大器,減法電路,說明：1、對模擬量進行運算時，要求輸出信號反映輸入信號的某種運算結(jié)果。2、集成運放必須工作在線性區(qū)。,同相比例放大電路,反相比例放大電路,1.同相比例運算電路,因為，所以,因為，所以,引入負反饋,虛短,虛斷,若上圖中的R1=或Rf=0,則Uo=Ui,此時,該電路構(gòu)成電壓跟隨器,分別如圖(a)、(b)所示。圖(a)中,Rf具有限流保護作用,R=Rf,以滿足平衡條件,圖電壓跟隨器通常作為阻抗變換器或緩沖器,2.反相比例運算電路,利用“虛地”和“虛斷”的概念,一、求差（減法）電路二、儀用放大器三、同相反相輸入求和電路四、微分電路和積分電路,2.4同相輸入和反相輸入放大電路的其它應(yīng)用,一、減法電路,1、利用反相信號求和以實現(xiàn)減法運算,第一級為反相比例放大電路第二級為反相加法器,2、相減器(差動放大器),相減器的輸出電壓與兩個輸入信號之差成正比。這在許多場合得到應(yīng)用。要實現(xiàn)相減，必須將信號分別送入運算放大器的同相端和反相端。,二、儀用放大器,三、反相輸入求和電路,在反相比例運算電路的基礎(chǔ)上，增加一個輸入支路，就構(gòu)成了反相輸入求和電路，見圖-2。此時兩個輸入信號電壓產(chǎn)生的電流都流向Rf。所以輸出是兩輸入信號的比例和。,圖-2反相求和運算電路,同相輸入求和電路,在同相比例運算電路的基礎(chǔ)上，增加一個輸入支路，就構(gòu)成了同相輸入求和電路，如圖-3所示。,圖-3同相求和運算電路,因運放具有虛斷的特性，對運放同相輸入端的電位可用疊加原理求得:,由此可得出,一、積分運算電路,二、微分運算電路,四、積分和微分運算電路,一、積分電路,工作原理,其中UCO是電容兩端電壓的初始值,用途,（1）延遲：若將積分電路的輸出作為電子開關(guān)的輸入。例如，設(shè)R=100，C=0.05F。在t=0時UCO=0。而u0經(jīng)過+6V時，電子開關(guān)動作，若ui在t=0時，由0-3V，,則解得T=1ms,即延遲時間為1ms,用途,（2）將方波變?yōu)槿遣?用途,（3）移相900,設(shè)輸入信號是正弦波，則,uo比ui超前900，且這個相位差與頻率無關(guān)，但輸出電壓的幅度隨頻率升高而下降。（4）在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中將電壓量轉(zhuǎn)換為時間量,復(fù)頻域的傳遞函數(shù)為,積分器的傳輸函數(shù)為,根據(jù)反相比例放大器的運算關(guān)系，積分電路的輸出電壓的頻域表達式為,*,*,傳輸函數(shù)的模,附加相移,二、微分電路,工作原理,因輸入端存在“虛地”，故,而i為也流過R，故,電路存在的問題：（1）由于uo與ui成正比，uo對ui的變化非常敏感，故抗干擾能力差。（2）RC環(huán)節(jié)對于反饋信號具有滯后作用，它和運放電路的滯后作用合在一起，可能引起自激發(fā)振蕩。（3）當(dāng)ui發(fā)生突變時，uo過大，嚴(yán)重時將使電路不能正常工作。,改進措施：,限流,限制uo,方波發(fā)生器,鋸齒波發(fā)生器,*歸納與推廣：在以上的電路中，一般Z1、Zf為R、L、C元件的組合。若以拉氏變換形式表示Z1(s)、Zf(s)，s為復(fù)頻率變量則，反相運算電路的一般數(shù)學(xué)表達式：,因此，改變Z1(s)、Zf(s)的形式，可實現(xiàn)不同的數(shù)學(xué)運算。,例：如圖運算電路，其傳遞函數(shù),第一、二項比例