電路分析含有運(yùn)算放大器的電阻電路ppt課件

1、 含有運(yùn)算放大器的電阻電路含有運(yùn)算放大器的電阻電路本章先討論理想運(yùn)放，然后再思索非理想本章先討論理想運(yùn)放，然后再思索非理想情況，以節(jié)點(diǎn)法為工具，分析反相器、電情況，以節(jié)點(diǎn)法為工具，分析反相器、電壓跟隨器、加法器和微分放大器等理想運(yùn)壓跟隨器、加法器和微分放大器等理想運(yùn)放電路。放電路。運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器NE5532PNE5532P和和HA17339HA17339的封裝圖的封裝圖 要求：掌握實(shí)踐運(yùn)算放大器和理想運(yùn)算放大器的特性。要求：掌握實(shí)踐運(yùn)算放大器和理想運(yùn)算放大器的特性。 掌握理想運(yùn)放的電阻電路分析方法。掌握理想運(yùn)放的電阻電路分析方法。運(yùn)放是一個(gè)電子電路元件，特性類似電壓控制的電壓源運(yùn)放是一個(gè)

2、電子電路元件，特性類似電壓控制的電壓源它內(nèi)部由大量的電阻，電容，晶體三極管和二極管組成它內(nèi)部由大量的電阻，電容，晶體三極管和二極管組成運(yùn)算放大器簡稱運(yùn)放，是一種多端集成電路，通常由數(shù)運(yùn)算放大器簡稱運(yùn)放，是一種多端集成電路，通常由數(shù)十個(gè)晶體管和一些電阻構(gòu)成。最早開場運(yùn)用于十個(gè)晶體管和一些電阻構(gòu)成。最早開場運(yùn)用于19401940年，年，現(xiàn)已有上千種不同型號的集成運(yùn)放，是一種價(jià)錢低廉、現(xiàn)已有上千種不同型號的集成運(yùn)放，是一種價(jià)錢低廉、用途廣泛的電子器件。早期，運(yùn)放用來完成模擬信號的用途廣泛的電子器件。早期，運(yùn)放用來完成模擬信號的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱為運(yùn)算放大器。如今，求和、微分和積分等運(yùn)算，故

3、稱為運(yùn)算放大器。如今，運(yùn)放的運(yùn)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越運(yùn)算的范圍。它在通訊、控制和運(yùn)放的運(yùn)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越運(yùn)算的范圍。它在通訊、控制和丈量等設(shè)備中得到廣泛運(yùn)用。丈量等設(shè)備中得到廣泛運(yùn)用。 在電子技術(shù)中，運(yùn)放可以用于在電子技術(shù)中，運(yùn)放可以用于1 1信號的運(yùn)算信號的運(yùn)算如比例、加法、減法、積分、微分等如比例、加法、減法、積分、微分等2 2信號的處置信號的處置如有源濾波、采樣堅(jiān)持、電壓比較等如有源濾波、采樣堅(jiān)持、電壓比較等3 3波形的產(chǎn)生波形的產(chǎn)生矩形波、鋸齒波、三角波等矩形波、鋸齒波、三角波等4 4信號的丈量信號的丈量主要用于丈量信號的放大主要用于丈量信號的放大通用運(yùn)算放大器的封裝及其管腳分配通用運(yùn)算放大器的封裝

4、及其管腳分配 運(yùn)放器件的電氣圖形符號如圖運(yùn)放器件的電氣圖形符號如圖(a)所示。運(yùn)放在正常任所示。運(yùn)放在正常任務(wù)時(shí)，需將一個(gè)直流正電源和一個(gè)直流負(fù)電源與運(yùn)放的電務(wù)時(shí)，需將一個(gè)直流正電源和一個(gè)直流負(fù)電源與運(yùn)放的電源端源端E+和和E-相連相連圖圖(b)。兩個(gè)電源的公共端構(gòu)成運(yùn)放的外。兩個(gè)電源的公共端構(gòu)成運(yùn)放的外部接地端。部接地端。圖圖5751 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的電路模型 運(yùn)放與外部電路銜接的端鈕只需四個(gè)：兩個(gè)輸入端、運(yùn)放與外部電路銜接的端鈕只需四個(gè)：兩個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，這樣，運(yùn)放可看為是一個(gè)四端一個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，這樣，運(yùn)放可看為是一個(gè)四端元件。圖中元件。圖中i-和

5、和i+分別表示進(jìn)入反相輸入端和同相輸入端的分別表示進(jìn)入反相輸入端和同相輸入端的電流。電流。io表示進(jìn)入輸出端的電流。表示進(jìn)入輸出端的電流。u-、u+和和uo分別表示反分別表示反相輸入端、同相輸入端和輸出端相對接地端的電壓。相輸入端、同相輸入端和輸出端相對接地端的電壓。ud=u+-u-稱為差模輸入電壓。稱為差模輸入電壓。 運(yùn)放任務(wù)在直流和低頻信號的條件下，其輸出電壓與運(yùn)放任務(wù)在直流和低頻信號的條件下，其輸出電壓與差模輸入電壓的典型轉(zhuǎn)移特性曲線差模輸入電壓的典型轉(zhuǎn)移特性曲線uo=f(ud)如圖示。該曲如圖示。該曲線有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：線有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：圖圖58 1uo和和ud有不同的比例尺度：有不

6、同的比例尺度：uo用用V; ud用用mV。 2.在輸入信號很小在輸入信號很小(|ud|)的區(qū)域，曲線的區(qū)域，曲線f(ud)飽和于飽和于uo=Usat。Usat稱為飽和電壓，其量值比電源電壓低稱為飽和電壓，其量值比電源電壓低2V左右，例如左右，例如E+=15V, E-=-15V，那么，那么+Usat=13V,-Usat =-13V左右。任務(wù)于飽和區(qū)的運(yùn)放，其輸出特性與電壓源類似。左右。任務(wù)于飽和區(qū)的運(yùn)放，其輸出特性與電壓源類似。 綜上所述，運(yùn)放在直流和低頻運(yùn)用時(shí)，其端電壓電流綜上所述，運(yùn)放在直流和低頻運(yùn)用時(shí)，其端電壓電流方程為：方程為：)75()(doBBufuIiIi 式中式中IB-和和IB+

7、是反相輸入端和同相輸入端的輸入偏置是反相輸入端和同相輸入端的輸入偏置電流，其量值非常小，通常小于電流，其量值非常小，通常小于10-7A，可以近似以為等，可以近似以為等于零。于零。uo=f(ud)是輸出電壓是輸出電壓uo對差模輸入電壓對差模輸入電壓ud的轉(zhuǎn)移特的轉(zhuǎn)移特性。下面引見運(yùn)算放大器的兩種電路模型。性。下面引見運(yùn)算放大器的兩種電路模型。二、有限增益的運(yùn)算放大器模型二、有限增益的運(yùn)算放大器模型 有限增益運(yùn)放模型的符號和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖有限增益運(yùn)放模型的符號和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5-9所示。所示。 圖圖59 由于實(shí)踐運(yùn)放的輸入電流非常小，可以以為由于實(shí)踐運(yùn)放的輸入電流非常小，可以以為i-=i+=0

8、，這意味著運(yùn)放的輸入電阻為無限大，相當(dāng)于開路。圖這意味著運(yùn)放的輸入電阻為無限大，相當(dāng)于開路。圖59(b)所示轉(zhuǎn)移特性曲線是圖所示轉(zhuǎn)移特性曲線是圖58實(shí)踐運(yùn)放轉(zhuǎn)移特性曲線的實(shí)踐運(yùn)放轉(zhuǎn)移特性曲線的分段線性近似。有限增益運(yùn)放模型可以由以下方程描畫：分段線性近似。有限增益運(yùn)放模型可以由以下方程描畫： )b85(0)a85(0ii) c85( | dsatodsatoddouUuuUuuAuuAu+-u-u0R0Rinu-u+運(yùn)放的電路模型運(yùn)放的電路模型ab+_A(u+-u-)RoRiu+u-Ri ：運(yùn)算放大器兩輸入端間的輸入電阻。：運(yùn)算放大器兩輸入端間的輸入電阻。Ro：運(yùn)算放大器的輸出電阻。：運(yùn)算放大

9、器的輸出電阻。 有限增益模型可以任務(wù)于三個(gè)不同的區(qū)域時(shí)，其電路有限增益模型可以任務(wù)于三個(gè)不同的區(qū)域時(shí)，其電路模型，分別如圖模型，分別如圖(a)、(b)、(c)所示。所示。 1 線性區(qū)線性區(qū) 當(dāng)當(dāng)|ud|時(shí)，時(shí)，uo=+Usat，運(yùn)放的輸出端口等效于一個(gè)，運(yùn)放的輸出端口等效于一個(gè)直流電壓源，如圖直流電壓源，如圖(b)所示。所示。 3負(fù)飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū) 當(dāng)當(dāng)udR1時(shí)，輸出電壓的幅度比輸入電壓幅度大，該時(shí)，輸出電壓的幅度比輸入電壓幅度大，該電路是一個(gè)電壓放大器。式電路是一個(gè)電壓放大器。式512中的負(fù)號表示輸出電中的負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓極性相反，故稱為反相放大器。壓與輸入電壓極性相反，故稱為反相

10、放大器。 例如例如, R1=1k ,Rf=10k , uin(t)=8cos t mV時(shí)，輸出電時(shí)，輸出電壓為壓為 mVcos8010inin1fotuuRRu)125( in1fouRRu反相比例器的對外等效電路：反相比例器的對外等效電路：相當(dāng)于一個(gè)壓控電壓源。相當(dāng)于一個(gè)壓控電壓源。當(dāng)當(dāng) Rf =R1 時(shí)，組成反相器，如以下圖：時(shí)，組成反相器，如以下圖：y = -x-1-1xy+_u1i1+_uoi2VCVS u1+_ =-Rf/R1 反相放大器inof1in1fo3k3 k1uuRRuRRu 運(yùn)算放大器 LM7413k電阻器1k電阻器面包板面包板1k電阻器的實(shí)踐電阻值為950 3k電阻器的

11、實(shí)踐電阻值為2.94k 反相放大器inof1in1fo3 k3 k1 uuRRuRRu 反相放大器 在放大器任務(wù)于400Hz的情況下，我們可以用數(shù)字萬用表丈量輸入和輸出電壓，從而計(jì)算出同相放大器的放大倍數(shù)。數(shù)字萬用表顯示的交流電壓為0.377V。 在放大器任務(wù)于400Hz的情況下，我們可以用數(shù)字萬用表丈量的輸出電壓，數(shù)字萬用表顯示的交流電壓為1.168V。由此計(jì)算得到的放大倍數(shù)為3.098，與實(shí)際計(jì)算值3.10相近。10. 395. 094. 2 inoin1fo uukuRRu 當(dāng)輸入信號太大時(shí)，運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和區(qū)，從示波器上可以看到輸出波形產(chǎn)生失真。 當(dāng)輸入信號為2.74V時(shí)(正弦電壓的

12、振幅約為3.875V)，輸出信號為8.20V (對應(yīng)的正弦電壓振幅約為11.9V) ，運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和區(qū)，從示波器上可以看到輸出波形產(chǎn)生失真。三、同相放大器三、同相放大器 利用理想運(yùn)放的虛短路特性，寫出圖示電路中結(jié)點(diǎn)利用理想運(yùn)放的虛短路特性，寫出圖示電路中結(jié)點(diǎn)的的KCL方程方程 _+ +RiuiR1R2u+u-i-+_uo+_i+u+= u-= uii+= i-= 0uo =(R1 + R2)/R2 ui =(1+ R1/R2) ui(uo-u-)/R1= u-/R2 由于輸出電壓的幅度比輸入電壓的幅度大，而且極性由于輸出電壓的幅度比輸入電壓的幅度大，而且極性一樣，故稱為同相放大器。一樣，故

13、稱為同相放大器。 例如例如R1=1k ,Rf=10k , uin(t)=8cos t mV時(shí)，輸出電時(shí)，輸出電壓為壓為 mV cos88111inn1fotuuRRui)135( 1in1fouRRu 同相放大器運(yùn)算放大器 LM7411k電阻器3k電阻器電路接線板反面電路接線板正面1k電阻器的實(shí)踐電阻值為950 3k電阻器的實(shí)踐電阻值為2.94k調(diào)整示波器兩路輸入的衰減，使丈量同一電壓的兩個(gè)波形完全重合。調(diào)整示波器兩路輸入的衰減，使丈量同一電壓的兩個(gè)波形完全重合。 同相放大器 4k3 k11inof1in1fouuRRuRRu 同相放大器 4k3 k11inof1in1fouuRRuRRu 同

14、相放大器 從示波器上波形可以看出，輸出和輸入波形的相位一樣，其幅度是輸入波形幅度4倍左右，與實(shí)際計(jì)算結(jié)果相近。 在放大器任務(wù)于400Hz的情況下，我們可以用數(shù)字萬用表丈量輸入和輸出電壓，從而計(jì)算出同相放大器的放大倍數(shù)。數(shù)字萬用表顯示的交流電壓為0.359V。 在放大器任務(wù)于400Hz的情況下，我們可以用數(shù)字萬用表丈量的輸出電壓，數(shù)字萬用表顯示的交流電壓為1.487V。由此計(jì)算得到的放大倍數(shù)為4.14，與實(shí)際計(jì)算值4.10相近。10. 495. 094. 21 1inoin1fo uukuRRu 當(dāng)輸入信號太大時(shí)，運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和區(qū)，從示波器上可以看到輸出波形產(chǎn)生失真。 當(dāng)輸入信號為2.05V

15、時(shí)(正弦電壓的振幅約為2.9V)，輸出信號為8.29V (對應(yīng)的正弦電壓振幅約為11.72V) ，運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和區(qū)，從示波器上可以看到輸出波形產(chǎn)生失真。信號發(fā)生器輸出正弦波形的頻率為1kHz運(yùn)算放大器輸出波形與輸入波形一樣、其幅度為輸入波形幅度的3倍左右，輸出波形與輸入波形相位一樣。信號發(fā)生器輸出正弦波形的頻率為10kHz運(yùn)算放大器輸出波形與輸入波形一樣、其幅度為輸入波形幅度的3倍左右，輸出波形與輸入波形相位一樣。信號發(fā)生器輸出正弦波形的頻率為50kHz運(yùn)算放大器輸出波形與輸入波形一樣、其幅度為輸入波形幅度的3倍左右，輸出波形與輸入波形相位曾經(jīng)有所差別。信號發(fā)生器輸出正弦波形的頻率為100

16、kHz運(yùn)算放大器輸出波形發(fā)生明顯失真，其幅度有所減小，不再是輸入波形幅度的3倍左右，輸出波形與輸入波形相位也有所差別。其緣由是超出實(shí)踐運(yùn)算放大器的任務(wù)頻率范圍。比例加法器：比例加法器：y =a1x1+a2x2+a3x3 ，符號如以下圖：，符號如以下圖：ui1/R1+ ui2 /R2+ ui3 /R3 =-uo /Rfuo= -(Rf /R1 ui1 +Rf /R2 ui2+Rf /R3 ui3)u-= u+=0i-=0+_uo_+ +R2Rfi-u+u-R1R3ui1ui2ui3a1a2a3-1-1-y-yyx1x2x34 .加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路 5減法器減法器 RF R1ui1 R2 u

17、oui2 R3 - +101122311111()0111()0iFFiuuuRRRRuuRRR232123()iR RuuuR RR2312111231()FFoiiR RRRRuuuRR RRR RF R1ui1 R2 uoui2 R3 - +u+ = u- = usio = i1 = us / R11. 輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)2. 恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源特點(diǎn)：特點(diǎn)：6 電壓電壓電流轉(zhuǎn)換器電流轉(zhuǎn)換器7 差分運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)差分運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)條件：條件：Rf = 10 k 要求：要求：uo = uI1 2uI2I21fOuRRu 1I3231f)1(uR

18、RRRR 21f RRR1 = 5 k 31323 RRRR2 = 2R3R2/ R3= R1/Rf= 5/10R2= 10 k R3= 5 k 8 8、負(fù)阻變換器、負(fù)阻變換器 用外加電源法求出用外加電源法求出 a、b兩端的兩端的VCR關(guān)系關(guān)系, 從而求得輸從而求得輸入電阻入電阻Rab。利用理想運(yùn)放的虛短路特性，再用察看法列。利用理想運(yùn)放的虛短路特性，再用察看法列出出 )155(o2122uRRRuu圖圖519 得到得到 uRRuuRRRu21221o 代入代入KVL方程方程 uRRuiRuiRu21fof 解得解得 )165( 1f2abRRRiuR 當(dāng)當(dāng)R1=R2時(shí)時(shí) fabRRtURRR

19、usa212 例如例如R1=R2=1k , Rf=10k , Usat=10V，且運(yùn)放輸入端，且運(yùn)放輸入端ab兩點(diǎn)間電壓兩點(diǎn)間電壓u0.5V時(shí)，時(shí)，Rab=-10k 。 上式闡明該電路可將正電阻上式闡明該電路可將正電阻Rf變換為一個(gè)負(fù)電阻。為變換為一個(gè)負(fù)電阻。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)電阻，要求運(yùn)放必需任務(wù)于線性區(qū)，即了實(shí)現(xiàn)負(fù)電阻，要求運(yùn)放必需任務(wù)于線性區(qū)，即 ， 由式由式(515)可求得負(fù)電阻上的電壓應(yīng)滿足可求得負(fù)電阻上的電壓應(yīng)滿足 tUusao53 運(yùn)算放大器電路分析運(yùn)算放大器電路分析 10111112302030303020()uu21112 13 53020303020.()u12uu例例1u1u23

20、 35O.VU 例例2 試用運(yùn)放試用運(yùn)放(例如例如LM741)、電阻器和電位器構(gòu)成一、電阻器和電位器構(gòu)成一 個(gè)線性電阻器，其阻值從個(gè)線性電阻器，其阻值從-10k 到到+10k 延續(xù)可調(diào)。延續(xù)可調(diào)。 圖圖520 解：由圖解：由圖519所示電路模型，畫出圖所示電路模型，畫出圖5-20所示電原理圖。所示電原理圖。 在實(shí)驗(yàn)室按圖接線，并接通電源，那么在在實(shí)驗(yàn)室按圖接線，并接通電源，那么在ad兩點(diǎn)間構(gòu)成兩點(diǎn)間構(gòu)成 一個(gè)一個(gè)Rad=-Rf=-10k 的線性電阻器。的線性電阻器。圖圖519 為得到一個(gè)從為得到一個(gè)從-10k 到到+10k 可延續(xù)變化的電阻，將可延續(xù)變化的電阻，將一個(gè)一個(gè)20k 電位器用作可變

21、電阻器與上述負(fù)電阻串聯(lián)，其總電位器用作可變電阻器與上述負(fù)電阻串聯(lián)，其總電阻為電阻為 adabbdRRR 當(dāng)電位器滑動端從當(dāng)電位器滑動端從b點(diǎn)向點(diǎn)向c點(diǎn)挪動時(shí)，點(diǎn)挪動時(shí)， Rbd那么從那么從-10k 到到+10k 延續(xù)變化。延續(xù)變化。 例例3思索運(yùn)放思索運(yùn)放1 1： 1006 . 0050011oiuuVuuuiio13 . 03103106 . 02111思索運(yùn)放思索運(yùn)放2 2： 100k 5V u+ i 100k 1V 由于由于mAi02. 0200) 15(Vku302. 01001Vuuo32思索運(yùn)放思索運(yùn)放3 3： Vu2310050100100501oouuuu10025021ouVuo8例例4設(shè)計(jì)完成一定運(yùn)算功能的設(shè)計(jì)完成一定運(yùn)算功能的運(yùn)放電路運(yùn)放電路3215 . 0)(2iiiouuuukRF20知：知：求：完成上述功能的電路求：完成上述功能的電路 。解：解：步驟步驟1:)(211iiouuu R1 RFui1ui2 R2 uo1 RB - +kRRRF2021步驟步驟2:)( 2)(2221211012iiiioFouuuuuRRuukRR