第2章 运算放大电路精选文档.ppt

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1、第2章 运算放大电路本讲稿第一页，共五十五页+UCCUEEuouu+电路的简单说明电路的简单说明电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级中间级中间级输出级输出级同相输入端输出端反相输入端二二.集成运放电路的组成集成运放电路的组成本讲稿第二页，共五十五页偏置电路：偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。输输 入入 级：级：前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大，Ac小，输入端耐小，输入端耐压高。压高。中中 间间 级：级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。主放

2、大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输输 出出 级：级：功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽小，最大不失真输出电压尽可能大。可能大。本讲稿第三页，共五十五页本讲稿第四页，共五十五页 运放的特点运放的特点理想运放：理想运放：rid KCMRR ro 0 0Auouo 运放符号：运放符号：u-u+uo2.2 理想运算放大器国内符号：国内符号：同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端国国 际际 符符 号号：VV+_ _Auu-_uo本讲稿第五页，共五十五页 运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压

3、VCC=10V。运放的运放的Auo=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区Auo越大，线性区越小，当越大，线性区越小，当Auo 时，线性区时，线性区0Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。实际特性+10V-10V+Uom-Uom0uoui理想特性本讲稿第六页，共五十五页运算放大器线性应用时的分析依据运算放大器线性应用时的分析依据1.1.差模输入电阻差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流两个输入端的输入电流可认为是零，即可认为

4、是零，即虚断虚断。2.2.开环电压放大倍数开环电压放大倍数 输出电压是一个有限输出电压是一个有限值，值，即即虚短虚短。如果信号从反向端输入，同相端接地如果信号从反向端输入，同相端接地 反相端近于反相端近于“地地”电位，即电位，即虚地虚地。本讲稿第七页，共五十五页运算放大器在饱和区时的情况运算放大器在饱和区时的情况 当当 时时，例题当当时，时，注意注意：此时输入端的输入电流也等于零此时输入端的输入电流也等于零有有“虚断虚断”特性，但是没有特性，但是没有“虚短虚短”特性。特性。本讲稿第八页，共五十五页2.3 基本线性运放电路虚拟短路虚拟短路虚拟断路虚拟断路放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关，可

5、以分开分析可以分开分析。u-uo_+u+Ii比例运算比例运算运放在运放在信号运信号运算中的算中的应用应用加减运算加减运算微积分运算微积分运算乘除运算乘除运算指数、对数运算指数、对数运算本讲稿第九页，共五十五页i1=if虚短虚断2.3.2 2.3.2 反相输入反相输入比例运算比例运算当RF=R1时，反相器uo_+RFR1RPuii1if电位为电位为0 0，虚地，虚地特点：只有一个输入信号，并且特点：只有一个输入信号，并且通过电阻引入反相输入端通过电阻引入反相输入端反相本讲稿第十页，共五十五页RP=R1 /RF平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。特点：特点：共模输入电压

6、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_+RFR1RPuii1if A Au u只与外部电阻只与外部电阻只与外部电阻只与外部电阻 R R1 1、R RF F 有关，有关，有关，有关，与运放本身参数无关。与运放本身参数无关。与运放本身参数无关。与运放本身参数无关。|A Au u|可大于可大于可大于可大于 1 1，也可等于，也可等于，也可等于，也可等于 1 1 或小或小或小或小于于于于 1 1。本讲稿第十一页，共五十五页例例1：电路如下图所示，分别计算开关电路如下图所示，分别计算开关S断开和闭合时的电压放断开和闭合时的电压放大倍数。大倍数。uo10Ku

7、iR2+S1K1K1KR1解：解：1.S断开断开Au=RF R1=10K (1+1)K=52.闭合闭合由由虚断虚断：i+=i=0 由由虚短虚短：u=u+=0相当于两个相当于两个1K电阻并联电阻并联iii1i2if本讲稿第十二页，共五十五页例例2 求电压放大倍数求电压放大倍数Au=uo/ui。i+=0i-=0,u-=u+=0_+RFR1RPuiuoi1iFi-i+R2R3i2 i3uFiF=i2+i3=i1uiR1-uFRF=-uFRFuF-uoR2uFR3+uo=-ui R1RF+R2+RF R2R3R1RF+R2+RF R2R3Au=RP=R1/(RF+R2/R3)本讲稿第十三页，共五十五页

8、2.3.1 2.3.1 同相输入同相输入u-=u+=ui虚短虚断_+RFR1R2uiuoi1if特点：只有一个输入信号，并且通特点：只有一个输入信号，并且通过电阻引入同相输入端过电阻引入同相输入端电位不为电位不为0 0，没有没有“虚地虚地”同相i1=if本讲稿第十四页，共五十五页2.3.1 2.3.1 同相输入同相输入_+RFR1R2uiuoi1if特点：输入电阻高特点：输入电阻高缺点：缺点：共模输入电压共模输入电压0平衡电阻平衡电阻 R2=R1/RFA Au u只与外部电阻只与外部电阻只与外部电阻只与外部电阻 R R1 1、R RF F 有有有有关，与运放本身参数无关。关，与运放本身参数无关

9、。关，与运放本身参数无关。关，与运放本身参数无关。A Au u 1 1，不能小于，不能小于，不能小于，不能小于 1 1。u u =u=u+0 0，反相输入端，反相输入端，反相输入端，反相输入端不存在不存在不存在不存在“虚地虚地虚地虚地”现象。现象。现象。现象。A Au u 1 1 等号何时成立？等号何时成立？等号何时成立？等号何时成立？思考思考考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？本讲稿第十五页，共五十五页此电路的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电此电路的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。压跟随性能好。电压

10、跟随器电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全部引到输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端反相输入端，信号从同相端输入。输入。电压跟随器是电压跟随器是同相比同相比例运算放大器的特例。例运算放大器的特例。_+RFR1R2uiuoi1if_+uiuo当 (开路)或 时,称为电压跟随器。本讲稿第十六页，共五十五页 左图是一电压跟随器，电源左图是一电压跟随器，电源左图是一电压跟随器，电源左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随经两个电阻分压后加在电压跟随经两个电阻分压后加在电压跟随经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载器的输入端，当负载器的输入端，当负载器的输入端，当负载R RL

11、 L变化时，变化时，变化时，变化时，其两端电压其两端电压其两端电压其两端电压 u uo o不会随之变化。不会随之变化。不会随之变化。不会随之变化。uo+5k RL5k+12V例例3：基准电压电路基准电压电路 本讲稿第十七页，共五十五页例4：图中同相比例运算电路，图中同相比例运算电路，求：R2R1RF+ui-R3+uo-+-解：此电路为同相比例运算电路，此电路为同相比例运算电路，式式中的中的是指加在同相是指加在同相输入端的输入电压输入端的输入电压考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？本讲稿第十八页，共五十五页_+R2R1R3ui1

12、0k100kuo_+R5R4R100kuo1A1A2例5：求图中运算电路求图中运算电路R R5 5的值。的值。A1：同相比例运算电路A2：反相比例运算电路本讲稿第十九页，共五十五页 平衡电阻：平衡电阻：R2=Ri1/Ri2/Ri3/RF由由虚短虚短：u=u+=0由由虚断虚断：i=0 if=ii1+ii2+ii3 RFRi1ui1uoui2Ri2Ri3+R2+ui3ii2ii3ifii1当当R11=R12=R13=R1时时当当R1=RF时时1 1、反相求和运算、反相求和运算2.4.3 2.4.3 加法运算加法运算调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响其调节反相求和电路的某一路信号的输入电

13、阻，不影响其它输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。它输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。特点：多个输入信号，均通过特点：多个输入信号，均通过电阻引入反相输入端电阻引入反相输入端2.4 2.4 同相输入和反相输入放大同相输入和反相输入放大电路的其他应用电路的其他应用本讲稿第二十页，共五十五页ui2uoRFui1Ri2Ri1+R1+由由虚短虚短：u=u+u+由由同相比例运算同相比例运算：u+=?根据叠加原理根据叠加原理u+为为u ui1i1单独作用单独作用单独作用单独作用(u ui2i20)0)和和和和ui2单单独作用时的代数和独作用时的代数和 平衡电阻：平衡电阻：平衡电阻：平衡电阻：R

14、Ri1 i1/R/Ri2i2 =R=R1 1 /R/RF F2 2、同相求和运算、同相求和运算注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。调整。特点：多个输入信号，均通过电阻引入同相输入端特点：多个输入信号，均通过电阻引入同相输入端本讲稿第二十一页，共五十五页思考思考考虑平衡条件，表达考虑平衡条件，表达考虑平衡条件，表达考虑平衡条件，表达式如何？式如何？式如何？式如何？平衡条件：平衡条件：平衡条件：平衡条件：R Ri1 i1/R/Ri2i2 =R=R1 1 /R/RF F注意：在满足静态平衡条件下，同相求和电路的各输

15、入信号的放注意：在满足静态平衡条件下，同相求和电路的各输入信号的放大倍数不再互相影响，可以单独调整。大倍数不再互相影响，可以单独调整。ui2uoRFui1Ri2Ri1+R1+本讲稿第二十二页，共五十五页例例6：求输出电压：求输出电压解：解：A1为反相比例运算，为反相比例运算，A2为反向加法电路为反向加法电路ui2uoRFui1Ri1Ri2+Rp2+RRp1R+A1A2uo1本讲稿第二十三页，共五十五页_+RF R1 R2ui2uoR3ui1解出：解出：2.4.1 2.4.1 减法运算减法运算特点：特点：多个输入信号，同多个输入信号，同相和反相输入端均有信号相和反相输入端均有信号接入接入本讲稿第

16、二十四页，共五十五页用叠加原理求解：用叠加原理求解：_+RFR1R2ui2uoR3ui1ui1单独作用时为反相输入比单独作用时为反相输入比例运算电路，其输出电压为：例运算电路，其输出电压为：ui2单独作用时为同相输入单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为：比例运算，其输出电压为：ui1和和ui2共同作用时，输出电压为：共同作用时，输出电压为：本讲稿第二十五页，共五十五页考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？考虑平衡条件，表达式如何？平衡条件：平衡条件：平衡条件：平衡条件：R R2 2/R/R3 3 =R=R1 1 /R/RF F注意：在满足静态平衡条

17、件下，减法电路的各输入信号的放大倍数注意：在满足静态平衡条件下，减法电路的各输入信号的放大倍数不再互相影响，可以单独调整。不再互相影响，可以单独调整。_+RFR1R2ui2uoR3ui1本讲稿第二十六页，共五十五页 由由此此可可见见，输输出出电电压压与与两两个个输输入入电电压压之之差差成成正正比比，实实现现了了减减法法运运算算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选用这种输入方式存在较大的共模电压，应选用KCMRR较大的较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。运放，并应注意电阻阻值的选取。则则:则则:本讲稿

18、第二十七页，共五十五页例例7 7：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压uo。本讲稿第二十八页，共五十五页解：A1A1是电压跟随器，是电压跟随器，A2A2是差动运算电路，是差动运算电路，想一想：为什么要加A1？加入加入A1的作用：的作用：输入阻抗很高，减少信号的衰减。输入阻抗很高，减少信号的衰减。本讲稿第二十九页，共五十五页例例8：加减运算运算电路：加减运算运算电路利用叠加原理计算得：利用叠加原理计算得：设设 R1 R2 Rf R3 R4 R5本讲稿第三十页，共五十五页利用叠加原理计算得：利用叠加原理计算得：由题意，由题意，ui1从同相端输入，从同相端输

19、入，ui2和和ui3从反相端输入。从反相端输入。例例9：设计一个单级运放电路，要求有三个输入信号，：设计一个单级运放电路，要求有三个输入信号，一个输出信号，且满足：一个输出信号，且满足：uoR2_+RFR3ui2R4ui3R1ui1选选 RF=100k，R1 R4 R2 R3 RF100k10k20k25k本讲稿第三十一页，共五十五页例例10：求：求 Uo1,Uo2和和Uo3：R116k3k4kR1224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-3V反相求和电路本讲稿第三十二页，共五十五页R116k3k4kR1224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-

20、3V同相比例电路由于由于R7R8 R9R10，因此满足平衡条件，因此满足平衡条件，本讲稿第三十三页，共五十五页R116k3k4kR1224k1.2k12k20k5k4k4k6k10k2V-6V6V-3V减法电路由于由于R6R5 R11，因此满足平衡条件，因此满足平衡条件，本讲稿第三十四页，共五十五页例例11：求输出电压：求输出电压uo和输入电压和输入电压ui1,ui2和和ui3的关系：的关系：利用叠加原理计算得：利用叠加原理计算得：A1A4均为电压跟随器均为电压跟随器ui1ui3ui2uo本讲稿第三十五页，共五十五页例例12：图中二极管均为理想元件，输入信号：图中二极管均为理想元件，输入信号u

21、i为正弦为正弦电压，对应画出电压，对应画出uo1和和uo的波形。的波形。A1 A1工作原理工作原理工作原理工作原理 u ui i正半周，正半周，正半周，正半周，二极管二极管二极管二极管 D D1 1导通导通导通导通，D D2 2截止截止截止截止 。ui负半周，负半周，二极管二极管二极管二极管 D D2 2导通，导通，导通，导通，D D1 1截止截止截止截止 。uo2RR2+uo1RuiR1R+uo1D2D1R2RA1A2A2:反相求和电路：反相求和电路：本讲稿第三十六页，共五十五页uouo1 t tu u ui i正半周：正半周：正半周：正半周：ui负半周：负半周：uo2RR2+uo1RuiR

22、1R+uo1D2D1R2RA1A2精密全波整流电路精密全波整流电路本讲稿第三十七页，共五十五页i1=ififi1uoCFuiR2R1+uC+若电容若电容若电容若电容C CF F的初始电压为的初始电压为的初始电压为的初始电压为 u uC C(t t0 0)由由虚断：虚断：由由虚短：虚短：u=u+=01.1.积分运算积分运算特点：反相比例电路中的反馈电阻由电容取代。特点：反相比例电路中的反馈电阻由电容取代。icuC+电容两端电压和电电容两端电压和电流的关系：流的关系：反相积分积分时间常数2.4.4 2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路本讲稿第三十八页，共五十五页tui0tuo0U-Uo

23、mTM积分时限反相积分器：反相积分器：如果如果ui=直流电压直流电压,输出将反相积分，经输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。过一定的时间后输出饱和。设设Uom=15V,U=+3V,R1=10k ,CF=1 F求积到饱和值的时间：求积到饱和值的时间：积分饱和线性积分时间输出电压随时间线性变化 采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故故 uo 是时间是时间 t 的一次函数，从而提高了它的线性度。的一次函数，从而提高了它的线性度。若无特殊说明，一般认为电路从零时刻开始积分，并且电容若无特殊说明，一般认为电路从

24、零时刻开始积分，并且电容若无特殊说明，一般认为电路从零时刻开始积分，并且电容若无特殊说明，一般认为电路从零时刻开始积分，并且电容C CF F的初始电的初始电的初始电的初始电压为压为压为压为 u uC C(0)=0(0)=0。本讲稿第三十九页，共五十五页1)1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)2)输入为方波时的输出电压波形？输入为方波时的输出电压波形？3)3)输入为正弦波时的输出电压波形？输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分波形变换移相思考思考如果电容两端初始电压为零，则如果电容两端初始电压为零，则（b）（）（c）两图的波形对不对？）两图的波形对不对？可以通

25、过调整电容两端初始电压大小，获得实际需要的波形可以通过调整电容两端初始电压大小，获得实际需要的波形本讲稿第四十页，共五十五页例例13:13:画画出出在在给给定定输输入入波波形形作作用用下下积积分分器器的的输输出波形。出波形。i1ifui-+RR2Cuo+uc-其中：其中：R=10K,C=0.1Ftui0212345/mstuo0-2-4-6/ms本讲稿第四十一页，共五十五页例例14:14:画画出出在在给给定定输输入入波波形形作作用用下下积积分分器器的的输输出出波波形。形。i1ifui-+RR2Cuo+uc-其中：其中：R=10K,C=5nF8V本讲稿第四十二页，共五十五页例例15:15:画画出

26、出在在给给定定输输入入波波形形作作用用下下积积分分器器的的输输出出波波形。形。i1ifui-+RR2Cuo+uc-其中：其中：R=10K,C=0.1F1V-1V本讲稿第四十三页，共五十五页ifi1uoC1uiR2RF+由由虚断：虚断：由由虚短：虚短：u=u+=0i1=if2.2.微分运算微分运算特点：积分电路中的电阻和电容互换位置。特点：积分电路中的电阻和电容互换位置。若输入：若输入：则：则：tui0tuo090本讲稿第四十四页，共五十五页uitOuotOU Ui i U Ui i当当ui为阶跃电压时，输出为为阶跃电压时，输出为尖脉冲。尖脉冲。本讲稿第四十五页，共五十五页ifi1iCuoC1u

27、iR3R2+R1C2 例例16：求图示电路的求图示电路的uo关于关于ui的表达式的表达式比例环节P(proportion)积分环节I(integral)微分环节D(differential)PIDPID调节器调节器本讲稿第四十六页，共五十五页 例例17：求图示电路的求图示电路的uo关于关于ui的表达式的表达式同相积分运算电路同相积分运算电路uoCuiR+RCi2iC1i1iC2对反相输入端：对反相输入端：对同相输入端：对同相输入端：本讲稿第四十七页，共五十五页6.5.2 使用运放应注意的几个问题使用运放应注意的几个问题一选用元件一选用元件集成运放按其技术指标可分为通用型、高速性、高阻型、低功耗

28、、大集成运放按其技术指标可分为通用型、高速性、高阻型、低功耗、大功率型、高精度型等；按其内部电路可分为双极型和单极型等。要根据实功率型、高精度型等；按其内部电路可分为双极型和单极型等。要根据实际要求选用，如电压等级、速度、功耗等因素。际要求选用，如电压等级、速度、功耗等因素。二消振二消振消除自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已消除自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。有消振元件，毋须外部消振。三调零三调零由于运放内部参数不可能完全对称，以致当输入信号为零时，仍有输出信由于运放内部参数不可能完全对称，以致当输入信号为零时，仍有输出信号。

29、因此，在使用时要外接调零电路。号。因此，在使用时要外接调零电路。本讲稿第四十八页，共五十五页四保护四保护输入端保护输入端保护输入端保护输入端保护防止输入电压过大。防止输入电压过大。输出端保护输出端保护输出端保护输出端保护防止输出电压过大。防止输出电压过大。电源保护电源保护电源保护电源保护防止正、负电源接反。防止正、负电源接反。uoRFuiR2R1+uoRDZ+RFuiR2R1+v+-v本讲稿第四十九页，共五十五页一一.模拟乘法器简介模拟乘法器简介模拟乘法器是实现两个模拟量相乘的非线性电子器件，利用它可以方便地实现乘、除、模拟乘法器是实现两个模拟量相乘的非线性电子器件，利用它可以方便地实现乘、除

30、、乘方和开方运算电路。广泛的应用于广播电视、通信、仪表和自动控制系统中，进行模拟乘方和开方运算电路。广泛的应用于广播电视、通信、仪表和自动控制系统中，进行模拟信号的处理。信号的处理。其中其中k 为比例因子，为比例因子，量纲量纲:V-1。类型：类型：单象限乘法器：单象限乘法器：uX、uY 皆为固定极性皆为固定极性;二象限乘法器：一个为固定极性，另一个二象限乘法器：一个为固定极性，另一个为可正可负为可正可负;四象限乘法器：四象限乘法器：uX、uY 皆为可正可负皆为可正可负.6.6 模拟乘法器及应用模拟乘法器及应用本讲稿第五十页，共五十五页二二.模拟乘法器应用模拟乘法器应用1.1.乘方运算电路乘方运

31、算电路本讲稿第五十一页，共五十五页2.2.除法运算电路除法运算电路利用运放的虚短和虚断：利用运放的虚短和虚断：在运算电路中，必须保证对于运放电路在运算电路中，必须保证对于运放电路引入负反馈，才能正常工作：引入负反馈，才能正常工作：为两象限除法运算电路。为两象限除法运算电路。本讲稿第五十二页，共五十五页3.3.开方运算电路开方运算电路在引入负反馈的情况下：在引入负反馈的情况下：本讲稿第五十三页，共五十五页4 4 开立方运算电路开立方运算电路 下图是开立方运算电路，根据图中关系有 当vI为正值时，vO为负值，当vI为负值时，vO为正值。本讲稿第五十四页，共五十五页练练 习习本讲稿第五十五页，共五十五页