運算放大電路

運算放大電路本章知識結(jié)構(gòu)圖本章教學(xué)要求

正確理解集成運放的組成結(jié)構(gòu)及各組成部分的作用；掌握運放的電路模型以及理想運放的特點；熟練掌握“虛短”、“虛斷”“虛地”概念；熟練掌握各類差基本線性運大電路和運算電路。第2頁,共42頁，2024年2月25日，星期天本章重點難點1．集成電路運算放大器的基本組成集成電路運算放大器的實質(zhì)是高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。通常由輸入級、中間級、輸出級以及偏置電路組成。

輸入級通常采用恒流源式的差分式放大電路，通過發(fā)揮集成運放內(nèi)部參數(shù)匹配性好的特點，降低零點漂移、溫度漂移；采用恒流源引入共模負反饋，抑制共模信號，提高共模抑制比。

中間級又稱電壓放大級，其主要任務(wù)是提供足夠大的電壓增益，向輸出級提供大的推動電流，因此通常由共射放大電路組成。

輸出級一般不要求提供高的電壓放大倍數(shù)，而要求向負載提供足夠大的輸出電流。通常輸出級采用電壓跟隨器或互補對稱的電壓跟隨器。

偏置電路起到為輸入級、中間極和輸出級提供偏置電流，確定各級靜態(tài)工作點以及在放大電路中充當(dāng)有源負載的作用。偏置電路主要由電流源電路組成，常用的有鏡像電流源、比例電流源和微電流源等，前兩者提供的偏置電流較大，后者則可產(chǎn)生較小的偏置電流，適用于輸入級偏置電路。第3頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2．集成運算放大器線性應(yīng)用電路集成運算放大器實際上是高增益直耦多級放大電路，它實現(xiàn)線性應(yīng)用的必要條件是引入深度負反饋。此時，運放本身工作在線性區(qū)，兩輸入端的電壓與輸出電壓成線性關(guān)系，各種基本運算電路就是由集成運放加上不同的輸入回路和反饋回路構(gòu)成。在分析由運放構(gòu)成的各種基本運算電路時。注意：不同的輸入方式（同相或反相）和負反饋這兩個基本點。3．理想集成運放工作在線性區(qū)的兩大特點理想集成運放工作在線性區(qū)時，存在兩個重要特征“虛短”和“虛斷”?！疤摂唷焙汀疤摱獭笔欠治黾蛇\放構(gòu)成的各種線性電路的重要依據(jù)。

“虛短”是指在理想情況下，兩個輸入端的電位相等，就好像兩個輸入端短接在一起，但事實上并沒有短接，稱為“虛短”。虛短的必要條件是運放引入深度負反饋。

“虛斷”是指在理想情況下，流入集成運算放大器輸入端電流為零。這是由于理想運算放大器的輸入電阻無限大，就好像運放兩個輸入端之間開路。但事實上并沒有開路，稱為“虛斷”。第4頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第二章運算放大電路

2.1集成電路運算放大器

2.2理想運算放大器

2.3基本線性運放電路

2.4同相輸入和反相輸入放大電路及其應(yīng)用第5頁,共42頁，2024年2月25日，星期天真空器件半導(dǎo)體器件集成電路大規(guī)模集成電路集成電路的分類1.按功能分類：數(shù)字集成電路、模擬集成電路2.按構(gòu)成有源器件的類型分類：雙極型、單極型3.按外形分類：雙列直插式、圓殼式、扁平式4.按類型分類：集成運算放大器、集成功率放大器、集成比較器、集成穩(wěn)壓器等等2.1集成電路運算放大器第6頁,共42頁，2024年2月25日，星期天輸入級中間級輸出級偏置電路2.1集成電路運算放大器實質(zhì)：

集成運放是具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。對集成電路的多項性能起決定性作用提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，要求：①具有較高的電壓放大倍數(shù)；②具有較大的輸入電阻，減小對前級的影響；③向輸出級提供大電流。①提供足夠大的輸出功率；②具有較大的輸入電阻，減小對前級的影響；③具有較小的輸出電阻，提高帶負載能力;④電壓增益為1。①為輸入級、中間級、輸出級提供合適的偏置電流，以確定各級靜態(tài)工作點;②作為有源負載，提高放大電路的電壓增益。一.內(nèi)部組成單元第7頁,共42頁，2024年2月25日，星期天反相輸入端N同相輸入端PO輸出端

二.運算放大器的代表符號“+”對應(yīng)的端子——同相輸入端，即此端輸入信號，將在輸出端得到一個與輸入信號同相位的輸出信號；“-”對應(yīng)的端子——反相輸入端，即此端輸入信號，將在輸出端得到一個與輸入信號反相位的輸出信號。輸入端P（同相輸入端）、N（反相輸入端）和輸出端O的電壓分別為vP、vN、vO。

第8頁,共42頁，2024年2月25日，星期天三.運算放大器的電路模型

將運算放大器看作具有端口特性的標(biāo)準器件，用包含輸入端口、輸出端口、供電電源端的電路模型表示。

輸入端口用輸入電阻ri（較大，通常為106Ω或更高）模擬，輸出端口用輸出電阻ro（較小，通常為100Ω或更低）和受控電壓源Avo（vP-vN）模擬。第9頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

開環(huán)增益較高，至少為104，通常可高達106；

輸出電壓不能超越正負電源電壓值，具有正負飽和極限值（+Vom=V+，-Vom=

V-），實際輸出電壓介于兩者之間，具體表示為

第10頁,共42頁，2024年2月25日，星期天電壓傳輸特性是指開環(huán)時，輸出電壓與差模輸入電壓之間的關(guān)系。運放的電壓傳輸特性主要分為線性區(qū)（當(dāng)輸入電壓幅值較小時，輸出電壓和輸入電壓之間呈線性關(guān)系）和非線性區(qū)（限幅區(qū)）。為使集成運放所組成的各種電路穩(wěn)定地工作在線性區(qū)，應(yīng)引入負反饋。三.運算放大器的電壓傳輸特性第11頁,共42頁，2024年2月25日，星期天例題運放的開環(huán)電壓增益Avo=2×105，輸入電阻ri=0.6MΩ，電源電壓V+=+12V，V-=-12V。（1）試求當(dāng)時輸入電壓vo=±Vom=+12V時的最小幅值vP-vN=?（2）輸入電流ii？（3）畫出傳輸特性。第12頁,共42頁，2024年2月25日，星期天1．輸出電壓的飽和極限值等于電源電壓，即+Vom=V+，-Vom=V-；2．運放的開環(huán)電壓增益很高，Avo→∞，使得差分輸入電壓很小時，運放仍可能進入飽和區(qū)；3．當(dāng)輸出電壓未飽和時，差分輸入電壓必趨近于零，當(dāng)運放輸出電壓介于兩飽和極限時，運放必工作在線性區(qū)；4．內(nèi)部輸入電阻ri近似認為無窮大，則兩輸入端的電流近似為零；5.內(nèi)部輸出電阻ro很低，可近似認為為零。2.2理想運算放大器第13頁,共42頁，2024年2月25日，星期天理想集成運放工作在線性區(qū)時，存在兩個重要特征“虛短”和“虛斷”。1．“虛短”集成運放工作在線性區(qū)時，其同相輸入端和反相輸入端的電壓近似相等，這一特點稱為“虛短”。

vP≈vN2．“虛斷”集成運放工作在線性區(qū)時，其同相輸入端和反向輸入端的輸入電流均近似為零，這一特點稱為“虛斷”。

i+=i-≈0

2.3基本線性運放電路2.3.1同相放大電路運放均視為理想運放第14頁,共42頁，2024年2月25日，星期天主要技術(shù)指標(biāo)1．閉環(huán)電壓增益

Av的值只取決于運放外部的元件值，與運放本身的參數(shù)無關(guān)。3．輸出電阻Ro=ro//[（R1//ri）+R2]→02．輸入電阻第15頁,共42頁，2024年2月25日，星期天電壓跟隨器當(dāng)R1=∞、R2=0時，輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，對應(yīng)的電路稱為電壓跟隨器，常充當(dāng)阻抗變換器或緩沖器。電壓跟隨器接在高內(nèi)阻信號源與負載間時，可消除負載變化對輸出電壓的影響。第16頁,共42頁，2024年2月25日，星期天例題磁電式電流表指針偏移滿刻度時，流過動感線圈電流IM=100μA，當(dāng)R1=2MΩ時，可測得最大輸入電壓VS（max）？第17頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2.3.2反相放大電路輸入電壓經(jīng)電阻R1加到反相端，輸出電壓由電阻R2反饋回反相端，同相端接地。由于“虛短”，反相輸入端近似為地電位，稱為反相端“虛地”——反相放大電路在閉環(huán)工作狀態(tài)下的重要特征。第18頁,共42頁，2024年2月25日，星期天電路的輸出電壓與輸入電壓成比例，且相位相反。當(dāng)R2＝R1時，閉環(huán)電壓增益為-1，輸出電壓與輸入電壓之間實現(xiàn)反相功能，此時的運算放大電路稱為反相器或反相電路。2．輸入電阻主要技術(shù)指標(biāo)1．閉環(huán)電壓增益3．輸出電阻Ro→0第19頁,共42頁，2024年2月25日，星期天例題（1）求圖示電路的電壓增益表達式；（2）該電路用作話筒的前置放大級，若選R1=51kΩ，R2=R3=390kΩ，當(dāng)vo=-100vi時，計算R4的值；（3）直接用R2代替T形網(wǎng)絡(luò)中的電阻時，當(dāng)R1=51kΩ，Av=-100時，求R2。第20頁,共42頁，2024年2月25日，星期天例題

直流豪伏表電路如圖所示，當(dāng)R2>>R3時，（1）試證明VS=（R1R3/R2）IM；（2）R3=1kΩ，R1=R2=150kΩ，輸入信號電壓VS=100mV，通過毫伏表的最大電流IM（max）=？

第21頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2.4同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用2.4.1求差電路該電路是同相輸入和反相輸入相結(jié)合的放大電路，又稱差分放大電路。第22頁,共42頁，2024年2月25日，星期天電路的輸出電壓與兩個輸入電壓之差成比例，即實現(xiàn)差分比例（求差）運算，主要用于減法運算、測量放大器。當(dāng)R4/R1=R3/R2時，第23頁,共42頁，2024年2月25日，星期天輸入電阻輸出電阻很小第24頁,共42頁，2024年2月25日，星期天例題求圖示高輸入阻抗差分放大電路的輸出電壓的表達式，說明其特點。第25頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2.4.2儀用放大器運放A1、A2按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，運放A3組成第二級差分放大電路。

第26頁,共42頁，2024年2月25日，星期天通常R2、R4、R3為給定值，用可變電阻代替R1，通過調(diào)節(jié)R1來改變電壓增益。

輸入電阻

Ri→∞

第27頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2.4.3求和電路多端輸入的反相輸入放大電路。也可由同相放大電路組成。當(dāng)R1=R2=R3時，

結(jié)論：1.輸出電壓與各輸入電壓呈反相關(guān)系；2.當(dāng)改變某一輸入回路的電阻時，僅改變輸出電壓與該路輸入電壓的比例關(guān)系。第28頁,共42頁，2024年2月25日，星期天例題

某歌唱小組有一個領(lǐng)唱和兩個伴唱，各自的歌聲分別輸入三個話筒，各話筒的內(nèi)阻RS=500Ω，接入如圖求和電路。（1）求總的輸出電壓vo的表達式；（2）當(dāng)各話筒產(chǎn)生的電信號為vs=vs1=vs2=vs3=10mV時，vo=2V，伴唱支路增益Av1=Av2，領(lǐng)唱支路增益Av3=

2Av1，求各支路增益；（3）選擇電阻R1、R2、R3和R4的阻值（要求阻值小于100kΩ）。

第29頁,共42頁，2024年2月25日，星期天結(jié)論：1.實現(xiàn)同相求和運算；2.當(dāng)改變某一輸入回路的電阻時，將改變各路輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系；第30頁,共42頁，2024年2月25日，星期天例題：試用集成運放實現(xiàn)以下運算關(guān)系

uO=0.2uI1-10uI2+1.3uI3

電路中多個輸入信號同時實現(xiàn)加減法運算時，可采用兩級反相求和電路。第31頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2.4.4積分運算和微分運算輸出電壓為輸入電壓對時間的積分，且兩者相位相反。一.積分運算第32頁,共42頁，2024年2月25日，星期天1.輸入信號為階躍信號時，可實現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換；2.輸出信號與時間成線性關(guān)系，向負方向增長，且增長速度與輸入電壓的幅值成正比，與積分時間常數(shù)成反比；3.輸出電壓的最大值受直流電源電壓限制；4.主要用作顯示器的掃描電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)學(xué)模擬運算器。第33頁,共42頁，2024年2月25日，星期天例題

電路中電源電壓V+=15V，V-=-15V，R=10kΩ，C=5nF，輸入電壓vI波形如圖所示，在t=0，電容器的初始電壓vc（0）=0，試畫出輸出電壓vO的波形，并標(biāo)出vO的幅值。第34頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

輸入波形為正弦波時，可實現(xiàn)波形的移相。第35頁,共42頁，2024年2月25日，星期天輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微商，且兩者相位相反。輸入電壓為階躍信號時，輸出電壓將逐漸衰減；輸入信號為正弦函數(shù)時，輸出電壓的幅值將隨頻率的增加而線性增加，對高頻躁聲較為敏感。微分電路主要用于波形變換，將矩形波變換成尖頂脈沖波。二.微分運算第36頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第二章自我測試一．判斷題1．運算電路中一般均引入負反饋。（）2．在運算電路中，集成運放的反相輸入端均為虛地。（）3．凡是運算電路都可利用“虛短”和“虛斷”的概念求解運算關(guān)系。（）二、選擇題1．現(xiàn)有電路：A．同相求和B．反相求和C．反相比例運算電路D．同相比例運算電路E．積分運算電路F．微分運算電路（1）欲將正弦波電壓移相＋90°，應(yīng)選用

；（2）欲實現(xiàn)Au＝－100的