含有運(yùn)算放大器的電阻電路

1、含有運(yùn)算放大器的電阻電路第1頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁 重點(diǎn)：1. 了解運(yùn)算放大器的電路模型； 3. 熟練運(yùn)用含理想運(yùn)算放大器的電路的分析方法。2. 熟練掌握理想運(yùn)算放大器的運(yùn)算規(guī)則；電路理論第2頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁5. 1 運(yùn)算放大器(operational amplifier)一般放大器的作用是把輸入電壓放大一定倍數(shù)后再輸送出去，其輸出電壓與輸入電壓的比值稱為電壓放大倍數(shù)或電壓增益。它可用來放大直流和頻率不太高的交流信號。運(yùn)算放大器是一種高增益（可達(dá)十幾萬倍甚至更高）、高輸入電阻、

2、低輸出電阻的放大器。由于它能完成加法、減法、積分、微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，因而被稱為運(yùn)算放大器。電路理論運(yùn)算放大器（簡稱運(yùn)放）是一種包含許多晶體管的集成電路，是一種有著十分廣泛用途的電子器件。最早開始應(yīng)用于1940年，1960年后，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)算放大器逐步集成化，大大降低了成本，獲得越來越廣泛的應(yīng)用。第3頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二運(yùn)算放大器芯片第4頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁1. 電路符號+_ududuuuo_+A+abo地EE運(yùn)放有兩個輸入端a、b和一個輸出端o。電源端子E 和E 連接直流偏置電壓，以維持運(yùn)

3、放內(nèi)部晶體管正常工作。E端接正電壓，E接負(fù)電壓，這里電壓的正負(fù)是對“地”或公共端而言的。在分析運(yùn)放的放大作用時可以不考慮偏置電源，可采用下頁所示的運(yùn)放電路符號。但應(yīng)記住偏置電源是存在的。A：表示運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)，可達(dá)十幾萬倍。 ：運(yùn)放電路符號中的“三角形”符號表示運(yùn)放具有“單方向”性質(zhì)(圖中 圖形符號就代表這種性質(zhì))。電路理論第5頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁+_+uu+_uoao+_udud_+A+b各端點(diǎn)上的電壓參考方向如圖所示，每一端點(diǎn)均為對地的電壓，在接地端未畫出時尤須注意。實(shí)際運(yùn)放均有電源端，而這些端子在電路符號圖中不畫出，常常只

4、畫有a端、b端、o端以及公共端。a端稱為倒向輸入端（也稱反向輸入端）：當(dāng)輸入電壓 u加在a端與公共端之間，且其實(shí)際方向從a端指向公共端時，輸出電壓u0實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的實(shí)際方向相對公共端正好相反。b端稱為非倒向輸入端（也稱同向輸入端）：當(dāng)輸入電壓 u加在b端與公共端之間，且其實(shí)際方向從b端指向公共端時，輸出電壓u0實(shí)際方向則自o端指向公共端，即兩者的實(shí)際方向相對公共端正好相同。電路理論第6頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁+_+uu+_uoao+_udud_+A+b為了區(qū)別起見，a端和b端分別用“-”號 和 “+”號標(biāo)出，如圖所示，

5、但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。如果在a端和b端分別同時加輸入電壓u和u，則有 其中uduu，運(yùn)放的這種輸入情況稱為差動輸入，而ud稱為差動輸入電壓。u0A（uu）A ud2.傳輸特性定義：輸入信號和輸出信號的關(guān)系的特性，稱為傳輸特性。思考：單端輸入（即一端輸入另一端接地）時，傳輸特性？電路理論第7頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁設(shè)在 a,b 間加一電壓 ud =u+-u-，則可得輸出uo和輸入ud之間的轉(zhuǎn)移特性曲線如下圖所示，這個關(guān)系曲線稱為運(yùn)放的外特性。Usat-UsatUds-UdsuoudO分

6、三個區(qū)域：線性工作區(qū)：|ud| Uds, 則 uo= Usatud- Uds, 則 uo= -Usat3.運(yùn)算放大器的外特性這里Uds是一個數(shù)值很小的電壓，例如Usat=13V, A =105，則Uds=0.13mV。實(shí)際特性近似特性+_+uu+_uoao+_udud_+A+b電路理論第8頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁4.等效電路模型Rin為運(yùn)算放大器兩輸入端間的輸入電阻， Ro為運(yùn)算放大器的輸出電阻。運(yùn)放的電路模型如右圖所示，其中電壓控制電壓源的電壓為：A（uu） 對于放大器的輸入、輸出電阻的要求：輸入電阻Rin越大越好，因?yàn)樵酱?，放大器從信?/p>

7、源吸收的功率越小，這樣信號源可以帶較多的放大器。輸出電阻Ro越小越好，這樣對相同容量的放大器可以帶較多的負(fù)載。 實(shí)際運(yùn)放的輸入電阻Rin大約接近1兆歐，而輸出電阻R0為100歐姆左右。+_A(u+-u-)RoRinu+u-u0電路理論第9頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁 如果把運(yùn)放的工作范圍限制在線性段，即設(shè)Usatu00反向飽和區(qū) ud0+_+uu+_uoao+_udud_+b電路理論第16頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁例1. 由理想運(yùn)放構(gòu)成的倒向比例器：“虛短”： u+ = u- =0，i1= u

8、S/R1 i2= -uo /Rf“虛斷”： i-= 0，i2= i1(1) 當(dāng) R1 和 Rf 確定后，為使 uo 不超過飽和電壓(即保證工作在線性區(qū))，對ui有一定限制。(2) 運(yùn)放不工作在開環(huán)狀態(tài)(極不穩(wěn)定，振蕩在飽和區(qū))，都工作在閉環(huán)狀態(tài)，輸出電壓由外電路決定。( Rf 接在輸出端和倒向輸入端,稱為負(fù)反饋。 )說明：+_uo_+_uiR1RfRLi1i2i-u-u+電路理論第17頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁（3）.倒向比例器的對外等效電路分析：相當(dāng)于一個電壓控制電壓源。當(dāng) Rf =R1 時，組成單位倒向器，如下圖所示：y = -x-1xy

9、i1i2+_u1+_uoVCVS u1+_ =-Rf /R1電路理論第18頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁例2.加法器：比例加法器： y =a1x1+a2x2+a3x3 符號如右圖。 其中 a1= Rf /R1 ，a2= Rf /R2 ， a3= Rf /R3ui1/R1+ ui2 /R2+ ui3 /R3 =-uo /Rfuo-(ui1 Rf /R1 + ui2 Rf /R2 + ui3 Rf /R3) - Rf(ui1 /R1 + ui2 /R2 + ui3 /R3)a1a2a3-1yyx1x2x3u -= u +=0i -=0如果：R1R2R

10、3Rf 則 u0（u1u2u3）式中負(fù)號說明輸出電壓和輸入電壓反相。+_uo_+R2Rfi-u+u-R1R3ui1ui2ui3電路理論第19頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁例3. 減法器：_+R1u2R1R2u+u-i-+_uo+_i+R2u1_12對結(jié)點(diǎn)1，2分別列出結(jié)點(diǎn)電壓方程：（并注意規(guī)則1， i +i 0）根據(jù)規(guī)則2可知： uu un1un2 把結(jié)果代入上式，得電路理論第20頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁3. 積分器積分環(huán)節(jié)x yy-1u-=0i-=0根據(jù)規(guī)則1、2可知：iR= iC所以C+_

11、uo_+_uiRiCi-u-iR電路理論第21頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁例4. 微分器：x yy-1根據(jù)規(guī)則1、2可知：u-=0i-=0iR= iC（uCui）C+_uo_+_uiRiCi-u-iRuC微分環(huán)節(jié)dtdxy=電路理論第22頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁例5.正相比例器：uo =(R1 /R1 + R1/R2 ） ui u+= u-= uii+= i-= 0 選擇不同R1和R2，可以獲得不同的u0/ui值，而比值一定大于1，同時又是正值，所以稱為正相比例器。(uo- u-)/R1=

12、u-/R2 uo /R1 = u-/R1 u-/R2_+RiuiR1R2u+u-i-+_uo+_i+u0=(1+ R1/R2) ui電路理論第23頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁例6. 電壓跟隨器特點(diǎn)： 輸入阻抗無窮大(虛斷)； 輸出阻抗為零；應(yīng)用：在電路中起隔離前后兩級電路的作用。 uo= ui。把正相比例器中的R1、Ri改為短路，把R2改為開路。就變?yōu)槿缬覉D所示的電壓跟隨器。即： u0ui_+_uo+_ui電路理論第24頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁電壓跟隨器作用說明：可見，加入電壓跟隨器后，隔離

13、了前后兩級電路的相互影響。（2）當(dāng)接上負(fù)載RL時：R2RLR1+_uL+_ui +u2_+_uiR1R2RL+_uL+u2（3）如果在輸出電壓u2后加個電壓跟隨器，當(dāng)接上負(fù)載RL后，負(fù)載RL上的電壓為：（1）沒有接上負(fù)載RL時： 而是RL的接入將影響輸出電壓u2的大小電路理論第25頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁解：網(wǎng)絡(luò) N1和N2的轉(zhuǎn)移電壓比為 例： 電路如圖所示，試計算開關(guān)接在a和a 位置，及接在b和b 位置時的轉(zhuǎn)移電壓比uo/uin。 電路理論第26頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二下一頁章目錄返回上一頁 開關(guān)S1、S2接在a、a 時，在 N1和 N2間插入電壓跟隨器，不會影響u1和K1的值，又由于跟隨器的輸出電阻為零，N2的接入不會影響u2的值，即u1= u2。該電路總的轉(zhuǎn)移電壓比為 電路理論第27頁，共29頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)14分，星期二電路理論下一頁章目錄返回上一頁 開關(guān) S1、S2接在b、b 時， N1和 N2直接相連，由于N2輸入電阻對N1的影響，K1將會變化，總轉(zhuǎn)