第2章运算放大器精选文档.ppt

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1、第2章运算放大器本讲稿第一页，共四十八页2第二章v2.12.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器v2.2 2.2 理想运算放大器理想运算放大器v2.3 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路v2.4 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其它同相输入和反相输入放大电路的其它应用应用本讲稿第二页，共四十八页3特点特点:1.1.直接耦合直接耦合 2.2.偏置电流较小偏置电流较小 3.3.几十几十RRU-，(U+-U-)0时，Uo=Uom(UOH)U+U-，(U+-U-)0时,Uo=-Uom(UOL)I+=I-=0即理想运放输入电流=0（rid=仍成立）非线性区非线性区线性区理想特性实际特性UO

2、UOPP（+）UOPP（-）U+-U-本讲稿第十一页，共四十八页122.3 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路v1.同相放大电路v2.反相放大电路比例电路scaling circuit 运算电路都引入深负反馈，是运算电路都引入深负反馈，是运放在运放在线性区线性区的应用的应用本讲稿第十二页，共四十八页13u-=u+=uiAu=1+RfR1i1=iF（虚断）（虚断）R RP P=R=R1 1/R/Rf f因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈电压串联负反馈1.同相放大电路同相放大电路_+RfR1RPuiuoifi1同相比例电路同相比例电路因

3、为不绝对理想，要求从集成运放输入端向外看的等效电阻相等，故加平衡电阻RP。本讲稿第十三页，共四十八页14_+RfR1RPuiuoiFif例题例题1.R1=10k ,Rf=20k ,ui=-1V=-1V。求。求:uo，RP应为应为多大？多大？RP=Rf/R1=10/20=6.7 k 本讲稿第十四页，共四十八页15同相比例电路的特点：同相比例电路的特点：3.由于由于U-=U+=Ui，即，即UiC=Ui高，对运放的高，对运放的CMRR要求高，限制要求高，限制了它的应用场合。了它的应用场合。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是是0，因此带负载能力强。，

4、因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大，由于串联负反馈的作用，输入电阻大，可达1000M 以上以上。本讲稿第十五页，共四十八页16_+RFRfRPuiuoAu=1+RFRf当当RF=0或或 Rf=时时,Au=1uo=ui此电路是同相比例此电路是同相比例运算的特殊情况，输入运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分离元在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，件的射极输出器相同，但是电压跟随性能更好。但是电压跟随性能更好。2.电压跟随器电压跟随器voltage follower 本讲稿第十六页，共四十八页17反相比例运算反相比例运算_+RfR1RP

5、uiuoi1iFii-ii+虚地点虚地点i1=iF （虚断）（虚断）因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断u+=0 u=u+=0（虚地）（虚地）输出与输入的关系：输出与输入的关系：反馈方式：反馈方式：电压并联负反馈电压并联负反馈2.2.反相放大器反相放大器uo与ui是比例关系。改变比例系数Rf/R1,即可改变uo的值，“-”：uo与ui反相。（uic=0，对KCMR要求低，这是突出优点。）特点：1、虚地：2、ri=R1低。对输入信号的负载能力有一定的要求。virtual short circuit 本讲稿第十七页，共四十八页18_+RfR1RPuiuoi1i2ib-ib+例题

6、例题2.R1=10k ,RF=20k ,ui=-1V=-1V。求。求:uo、Ri，RP应为多大？应为多大？特点：特点：共模输入电压共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：缺点：输入电阻小（输入电阻小（Ri=R1）uo=-（Rf/R1）ui=(-2)(-1)=2V，Ri=R1本讲稿第十八页，共四十八页19目的：在高比例系数时，为避免目的：在高比例系数时，为避免RF阻值太大。阻值太大。分析：分析：u+=u-=0（虚短）（虚短）i1=i2（虚断）（虚断）采用采用T型反馈网络的反相比例电路型反馈网络的反相比例电路T type feedback network 本讲稿第十九页，共四十八页202.4 同相输

7、入和反相输入放大电路的其它应用同相输入和反相输入放大电路的其它应用v2.4.1 求差电路v2.4.2仪用放大器v2.4.3 求和电路v2.4.4 积分电路和微分电路本讲稿第二十页，共四十八页21叠加定理叠加定理 Vi1作用 Vi2作用 综合：综合：2.4.1 求差电路差动比例电路它实际上可完成两输入信号的差运算。差动比例，双入单出，KCMR高，通常做传感放大器或测量仪器的前端放大器。本讲稿第二十一页，共四十八页222.4.2仪用放大器求图示数据放大器的输出表达式，并分析R1的作用。解：A1、A2 同相比例，A3为差动比例。vs1和vs2为 差模输入信号差模输入信号，为此vo1和vo2也是差模信

8、号，R1的中点为交流零电位。对A3是差动放大电路。数据放大器原理图本讲稿第二十二页，共四十八页23所以 显然调节R1可以改变放大器的增益。产品数据放大器，如AD624等，R1有引线连出，同时有一组组R1接成分压器形式，可选择连线接成多种的R1阻值。虚短本讲稿第二十三页，共四十八页24举例：能将来自两个传感器的微弱信号放大1千几千倍v前级：同相放大器，可获得很高的输入阻抗。v后级：差动，可获得较高的KCMR，增强抗扰能力。voR7RfR6R5+R1R3R2v1+R4v2R*12kSRSL10K30p10K30p300k300k10K10K100 100 910k910k弱信号检测放大器SL、SR

9、：两个传感器来的弱信号作业：P46 2.3.1、2.3.2、2.3.5本讲稿第二十四页，共四十八页252.4.3 求和电路求和电路summing circuit 反相求和运算：反相求和运算：_+RfR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虚地虚地uo=-(ui1 R1 Rf +ui2 R2 Rf )若若R1=R2=R,uo=-(ui1 R Rf +ui2 )取取RP=R1/R2/Rfuo_+RFR1RPuii1+i2=iFui1 R1 =ui2 R2 +-uo Rf 本讲稿第二十五页，共四十八页26应用：混合前置放大器v功能：将伴唱的声音信号（话音放大器输出）与OK带信号（录音机输出）进行混合

10、放大。vA1：射随器，实现阻抗变换与隔离vA2：基本加法器vV2=-10（Vi+V2）录音机输出（卡拉OK磁带）-+v1vi2R2_+RfR1voA1A210K10K100K语音放大器输出本讲稿第二十六页，共四十八页大连理工大学电气工程系27 例例 1 如图为两级运放组成的电路，如图为两级运放组成的电路，已知已知 uI1=0.1 V，uI2=0.2 V，uI3=0.3 V，求，求 uO。uI1uI2 uI3 +uO 30 k 30 k 30 k 10 k 10 k 10 k 10 k 10 k F1 12 F1 11uO1=(uI1 uI2)第一级为加法运算电路：第一级为加法运算电路：解解第二

11、级为减法运算电路：第二级为减法运算电路：R5R4+R5RF2R3(1 )uI3 F23 uO1 uO=0.3 V=0.6 V本讲稿第二十七页，共四十八页28例例例例2:利用集成运放实现以下求和运算关系利用集成运放实现以下求和运算关系U0=-(Ui1+5Ui2+0.2Ui3)要求对应各输入信号来说，电路的输入电阻不小于要求对应各输入信号来说，电路的输入电阻不小于10k。试确定电路参数。试确定电路参数。R1ui1ui2ui3R2R3RRfu0+解：要求实现反相求和运算与，（）式比较解：要求实现反相求和运算与，（）式比较电阻。可选WW=KKRRRRRf8.69.6|3211W=kRRf5052则先选

12、择W=KR1022.0W=W=kRRkRRff2505013=RRRRRRfff2.051321uo=-(ui1 R1 Rf +ui2 R2 Rf )本讲稿第二十八页，共四十八页291.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小（虚地）关于输入电阻：反相输入的输入电阻小（虚地），同相输入的输入电阻高。，同相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。比例运算电路与加减运算电路小结比例运算电路与加减运算电路小结本讲稿第二十九页，共四十八页302.4.

13、4 积分电路和微分电路1、积分电路、积分电路integration circuit 功能：实现积分运算功能：实现积分运算 产生三角波产生三角波上式是在两端电压初值为上式是在两端电压初值为0的情况下得到的。的情况下得到的。若若uC(0)0iiCu i-+RRPCuouc本讲稿第三十页，共四十八页3112.1本讲稿第三十一页，共四十八页32反相积分器：反相积分器：如果如果u i=阶跃电压阶跃电压U,输出将反相积分，经过一输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。定的时间后输出饱和。tui0Utuo0-UomTM积分时限积分时限=t URC设设Uom=15V,U=+3V,R=10k ,C=1,C=1

14、 F F=0.05秒秒本讲稿第三十二页，共四十八页33练习练习:画出在画出在给定输入波形给定输入波形作用下积分器作用下积分器的输出波形。的输出波形。(a)阶跃输入信号(b)方波输入信号积分器的输入和输出波形图本讲稿第三十三页，共四十八页34如输入为方波，则输出将为三角波如输入为方波，则输出将为三角波uoUm-Um0tuiE0-Ett1t2t3t4在在0t1期间，电容放电期间，电容放电在在t=t1时时,UO=Uom在在t1t2期间，电容充电期间，电容充电当当t=t2时，时，Uo=-Um,如此周而复始，如此周而复始，得三角波输出得三角波输出本讲稿第三十四页，共四十八页35实际的积分器v为了限制电路

15、的低频电压增益，并Rf，当ui的的u i-+R1RPuoRf时，完成积分运算。当ff.0时,近似一反相比例,高频增益为fRRAufS-=若输入对称三角波,输出对称方波.本讲稿第三十八页，共四十八页39电压和电流转换电路电压和电流转换电路1 1 电流电流-电压变换器电压变换器2 2 电压电压-电流变换器电流变换器本讲稿第三十九页，共四十八页40 1.电流电流-电压变换器电压变换器 如图是电流电流-电压变换器电压变换器。由图可知由图可知 可见输出电压与输入可见输出电压与输入电流成比例。电流成比例。输出端的负载电流输出端的负载电流电流-电压变换电路此时该电路也可视为电流放大电路电流放大电路。本讲稿第

16、四十页，共四十八页412 2 电压电压-电流变换器电流变换器图示的电路为电压图示的电路为电压-电流变换器电流变换器电压电压-电流变换器电流变换器由图（由图（a a）可知）可知所以输出电流与输入电压成比例所以输出电流与输入电压成比例。(a)负载不接地(b)负载接地作业：P472.3、2.4本讲稿第四十一页，共四十八页42对图（b）电路，R1和R2构成电流并联负反馈；R3、R4和RL构成电压串联正反馈。由图（b）可得(b)负载接地可解得讨论：1.当分母为零时，iO，电路自激。2.当R2/R1=R3/R4时,则 电压电压-电流电流和和电流电流-电压电压变换器广泛应用于放变换器广泛应用于放大电路和传感

17、器的连接处，是很有用的电子电大电路和传感器的连接处，是很有用的电子电路。路。作业：P49 2.4.8、2.4.9、本讲稿第四十二页，共四十八页43例例3 电路如图，是一个高输入阻抗放大器。试求电路如图，是一个高输入阻抗放大器。试求电路的输入电阻。电路的输入电阻。解：解：而而当当R-R1=0时，时，ri，一般为防止自激，一般为防止自激，保证保证ri为正值，为正值，R约约R1，故，故ri是一个较是一个较大的正值。大的正值。2R1IIiI1+-+R2R2RRR1RUO2UiUOri本讲稿第四十三页，共四十八页44运放使用注意事项v1.粗测运放好坏v先测正、负电源端与各引脚之间是否短路短路就坏了。再测

18、、脚与脚之间的正向电阻和反向电阻，如果正向电阻小反向电阻大，说明输入差分对管是好的。同理测、两脚和、两脚正向电阻小反向电阻大，说明推挽管是好的。-+-VEE2371546+VCC本讲稿第四十四页，共四十八页452.运放调零电路-+RfR1vo+VCCRP10K-VEERP=R1/Rf2371546viR1_+RfvoA2+VCC-VEERP47K+VCC-VEE200K100 A741或A747调零电路RPviR1_+RfvoA247K100K+VCC-VEE+VCC-VEERP=R1/Rf反相放大器调零电路同相放大器调零电路使用运放时必须掌握调零技术。特别在运放作直流放大器用时，由于输入失调

19、电压、电流的影响，当运放的输入为零时，输出不为零，将影响运放的精度，严重时运放不能正常工作。调零的原理是：在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需按器件规定接调零电路补偿调零，如A741或A747，如图。切记不要使电位器RP的滑动端与地线或正电源线相碰，否则会损坏运放。对于没有调零端的运放，可参考图示电路。本讲稿第四十五页，共四十八页46相位补偿消除高频自激-+RfR1vo+VCCRP10K-VEECB237154689RPR21K30pFvi运放是一高增益多级放大器组件，用时一般接成闭环负反馈电路。当工作频率升高时放大器会产生附加

20、相移，可能使负反馈变成正反馈引起自激。相位补偿原理是；在具有高放大倍数的中间级，利用电容CB（几十几百pF）构成电压并联负反馈电路。有些运放已在内部进行了补偿，如A741。有些运放引出了补偿端，如5G24，需在之间接电容CB，如图，其值可根据自激振荡的频率进行调整。本讲稿第四十六页，共四十八页47过载保护电路vi_+vo-VEE+VCC_+vo-VEE+VCC防止电源反接防止共模输入电压过大_+vo防止差模输入电压过大使用运放时要注意，不能超过性能参数的极限值，如电源电压范围，最大输入电压范围等。为防止超过极限值或使用时的疏忽等原因损坏运放，可采用保护措施，如图。本讲稿第四十七页，共四十八页4

21、8本章小结本章小结1集集成成运运放放可可以以构构成成加加法法、减减法法、积积分分、微微分分、对对数数和和反反对对数数等等多多种种运运算算电电路路。在在这这些些电电路路中中，均均存存在在深深度度负负反反馈馈。因因此此，运运放放工工作作在在线线性性放放大大状状态态。这这时时可可以以使使用用理理想想运运放放模模型型对对电电路路进进行行分分析析，“虚虚短短”和和“虚虚断断”的的概概念念是是电电路路分分析析的的有有力工具。力工具。2对对于于精精度度要要求求高高的的运运放放电电路路，需需要要考考虑虑实实际际运运放放参参数数的的影影响响。由由于于运运放放的的开开环环电电压压增增益益、输输入入电电阻阻、输输出出电电阻阻、共共模模抑抑制制比比及及各各种种失失调调量量等等都都不不是是理理想想值值，它它们们必必然然要要给给电电路路带带来来误误差差。对对这这种种电电路路的的误误差差分分析析，应应根根据电路的具体情况，选择适当的运放模型。据电路的具体情况，选择适当的运放模型。本讲稿第四十八页，共四十八页