運(yùn)算放大電路

運(yùn)算放大電路本章知識(shí)結(jié)構(gòu)圖本章教學(xué)要求

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

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

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

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

偏置電路起到為輸入級(jí)、中間極和輸出級(jí)提供偏置電流，確定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)以及在放大電路中充當(dāng)有源負(fù)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(jí)偏置電路。第3頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．集成運(yùn)算放大器線性應(yīng)用電路集成運(yùn)算放大器實(shí)際上是高增益直耦多級(jí)放大電路，它實(shí)現(xiàn)線性應(yīng)用的必要條件是引入深度負(fù)反饋。此時(shí)，運(yùn)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(yùn)算電路就是由集成運(yùn)放加上不同的輸入回路和反饋回路構(gòu)成。在分析由運(yùn)放構(gòu)成的各種基本運(yùn)算電路時(shí)。注意：不同的輸入方式（同相或反相）和負(fù)反饋這兩個(gè)基本點(diǎn)。3．理想集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩大特點(diǎn)理想集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，存在兩個(gè)重要特征“虛短”和“虛斷”?！疤摂唷焙汀疤摱獭笔欠治黾蛇\(yùn)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(gè)輸入端的電位相等，就好像兩個(gè)輸入端短接在一起，但事實(shí)上并沒(méi)有短接，稱為“虛短”。虛短的必要條件是運(yùn)放引入深度負(fù)反饋。

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

2.1集成電路運(yùn)算放大器

2.2理想運(yùn)算放大器

2.3基本線性運(yùn)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(yè),共42頁(yè)，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(yùn)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(yùn)算放大器第6頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路2.1集成電路運(yùn)算放大器實(shí)質(zhì)：

集成運(yùn)放是具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。對(duì)集成電路的多項(xiàng)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(duì)前級(jí)的影響；③向輸出級(jí)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(duì)前級(jí)的影響；③具有較小的輸出電阻，提高帶負(fù)載能力;④電壓增益為1。①為輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)提供合適的偏置電流，以確定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn);②作為有源負(fù)載，提高放大電路的電壓增益。一.內(nèi)部組成單元第7頁(yè),共42頁(yè)，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(yùn)算放大器的代表符號(hào)“+”對(duì)應(yīng)的端子——同相輸入端，即此端輸入信號(hào)，將在輸出端得到一個(gè)與輸入信號(hào)同相位的輸出信號(hào)；“-”對(duì)應(yīng)的端子——反相輸入端，即此端輸入信號(hào)，將在輸出端得到一個(gè)與輸入信號(hào)反相位的輸出信號(hào)。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(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天三.運(yùn)算放大器的電路模型

將運(yùn)算放大器看作具有端口特性的標(biāo)準(zhǔn)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(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

開環(huán)增益較高，至少為104，通?？筛哌_(dá)106；

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

V-），實(shí)際輸出電壓介于兩者之間，具體表示為

第10頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天電壓傳輸特性是指開環(huán)時(shí)，輸出電壓與差模輸入電壓之間的關(guān)系。運(yùn)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(shí)，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(yùn)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(fù)反饋。三.運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性第11頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天例題運(yùn)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(shí)輸入電壓vo=±Vom=+12V時(shí)的最小幅值vP-vN=?（2）輸入電流ii？（3）畫出傳輸特性。第12頁(yè),共42頁(yè)，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(yùn)放的開環(huán)電壓增益很高，Avo→∞，使得差分輸入電壓很小時(shí)，運(yùn)放仍可能進(jìn)入飽和區(qū)；3．當(dāng)輸出電壓未飽和時(shí)，差分輸入電壓必趨近于零，當(dāng)運(yùn)放輸出電壓介于兩飽和極限時(shí)，運(yùn)放必工作在線性區(qū)；4．內(nèi)部輸入電阻ri近似認(rèn)為無(wú)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(rèn)為為零。2.2理想運(yùn)算放大器第13頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天理想集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，存在兩個(gè)重要特征“虛短”和“虛斷”。1．“虛短”集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，其同相輸入端和反相輸入端的電壓近似相等，這一特點(diǎn)稱為“虛短”。

vP≈vN2．“虛斷”集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，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(diǎn)稱為“虛斷”。

i+=i-≈0

2.3基本線性運(yùn)放電路2.3.1同相放大電路運(yùn)放均視為理想運(yùn)放第14頁(yè),共42頁(yè)，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(yùn)放外部的元件值，與運(yùn)放本身的參數(shù)無(wú)關(guān)。3．輸出電阻Ro=ro//[（R1//ri）+R2]→02．輸入電阻第15頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天電壓跟隨器當(dāng)R1=∞、R2=0時(shí)，輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，對(duì)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(hào)源與負(fù)載間時(shí)，可消除負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響。第16頁(yè),共42頁(yè)，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(shí)，流過(guò)動(dòng)感線圈電流IM=100μA，當(dāng)R1=2MΩ時(shí)，可測(cè)得最大輸入電壓VS（max）？第17頁(yè),共42頁(yè)，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(yè),共42頁(yè)，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(shí)，閉環(huán)電壓增益為-1，輸出電壓與輸入電壓之間實(shí)現(xiàn)反相功能，此時(shí)的運(yùn)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(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天例題（1）求圖示電路的電壓增益表達(dá)式；（2）該電路用作話筒的前置放大級(jí)，若選R1=51kΩ，R2=R3=390kΩ，當(dāng)vo=-100vi時(shí)，計(jì)算R4的值；（3）直接用R2代替T形網(wǎng)絡(luò)中的電阻時(shí)，當(dāng)R1=51kΩ，Av=-100時(shí)，求R2。第20頁(yè),共42頁(yè)，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(shí)，（1）試證明VS=（R1R3/R2）IM；（2）R3=1kΩ，R1=R2=150kΩ，輸入信號(hào)電壓VS=100mV，通過(guò)毫伏表的最大電流IM（max）=？

第21頁(yè),共42頁(yè)，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(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天電路的輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成比例，即實(shí)現(xiàn)差分比例（求差）運(yùn)算，主要用于減法運(yùn)算、測(cè)量放大器。當(dāng)R4/R1=R3/R2時(shí)，第23頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天輸入電阻輸出電阻很小第24頁(yè),共42頁(yè)，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(dá)式，說(shuō)明其特點(diǎn)。第25頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.2儀用放大器運(yùn)放A1、A2按同相輸入接法組成第一級(jí)差分放大電路，運(yùn)放A3組成第二級(jí)差分放大電路。

第26頁(yè),共42頁(yè)，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(guò)調(diào)節(jié)R1來(lái)改變電壓增益。

輸入電阻

Ri→∞

第27頁(yè),共42頁(yè)，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(shí)，

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(shí)，僅改變輸出電壓與該路輸入電壓的比例關(guān)系。第28頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天例題

某歌唱小組有一個(gè)領(lǐng)唱和兩個(gè)伴唱，各自的歌聲分別輸入三個(gè)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(dá)式；（2）當(dāng)各話筒產(chǎn)生的電信號(hào)為vs=vs1=vs2=vs3=10mV時(shí)，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(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天結(jié)論：1.實(shí)現(xiàn)同相求和運(yùn)算；2.當(dāng)改變某一輸入回路的電阻時(shí)，將改變各路輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系；第30頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天例題：試用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算關(guān)系

uO=0.2uI1-10uI2+1.3uI3

電路中多個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)實(shí)現(xiàn)加減法運(yùn)算時(shí)，可采用兩級(jí)反相求和電路。第31頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.4積分運(yùn)算和微分運(yùn)算輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分，且兩者相位相反。一.積分運(yùn)算第32頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.輸入信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換；2.輸出信號(hào)與時(shí)間成線性關(guān)系，向負(fù)方向增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度與輸入電壓的幅值成正比，與積分時(shí)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(yùn)算器。第33頁(yè),共42頁(yè)，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(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天

輸入波形為正弦波時(shí)，可實(shí)現(xiàn)波形的移相。第35頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天輸出電壓正比于輸入電壓對(duì)時(shí)間的微商，且兩者相位相反。輸入電壓為階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓將逐漸衰減；輸入信號(hào)為正弦函數(shù)時(shí)，輸出電壓的幅值將隨頻率的增加而線性增加，對(duì)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(yùn)算第36頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二章自我測(cè)試一．判斷題1．運(yùn)算電路中一般均引入負(fù)反饋。（）2．在運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放的反相輸入端均為虛地。（）3．凡是運(yùn)算電路都可利用“虛短”和“虛斷”的概念求解運(yùn)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(yùn)算電路D．同相比例運(yùn)算電路E．積分運(yùn)算電路F．微分運(yùn)算電路（1）欲將正弦波電壓移相＋90°，應(yīng)選用

；（2）欲實(shí)現(xiàn)Au＝－100的