第二章集成运算放大器PPT课件.ppt

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1、第2章集成运算放大器 2 1集成运算放大器2 2理想运算放大器2 3基本线性运算电路2 4同相输入和方向输入放大电路的其他应用图2 1 1集成运算放大器的内部结构框图 1 集成电路运算放大器的内部组成单元 2 1集成电路运算放大器下一页返回上一页 2 1集成电路运算放大器 2 运算放大器的电路模型图2 1 2运算放大器的代表符号 a 国家标准规定的符号 b 国内外常用符号下一页返回上一页图2 1 3运算放大器的电路模型通常开环电压增益Avo的 105 很高输入电阻ri 106 很大输出电阻ro 100 很小 vO Avo vP vN V vO V 注意输入输出的相位关

2、系 2 1集成电路运算放大器下一页返回上一页当Avo vP vN V 时vO V 当Avo vP vN V 时vO V 电压传输特性vO f vP vN 线性范围内vO Avo vP vN Avo 斜率 2 1集成电路运算放大器下一页返回上一页电压传输特性 vo f vi f vP vN 线性区 vo Avo v v 输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为电压传输特性由于运放的开环电压放大倍数Auo很高输入信号的线性取值范围很小即使输入毫伏级以下的信号也足以使输出电压饱和所以必须在输出与输入之间加负反馈才能扩大信号的线性范围饱和区当Avo vP vN V 时

3、vO V Avo vP vN V 时vO V 2 1集成电路运算放大器下一页返回上一页例设运放的最大输出电压 Vom 10V 开环差模电压增益Auo 104 求运放处于线性区的Vi取值范围解 vo Avo v v vi 1mV ui 1mV时运放处于线性区 2 1集成电路运算放大器下一页返回上一页 2 2理想运算放大器 1 vo的饱和极限值等于运放的电源电压V 和V 2 运放的开环电压增益很高若 vP vN 0则vO Vom V 若 vP vN 0则vO Vom V 3 若V vO V 则 vP vN 0 4 输入电阻ri的阻值很高使iP 0 iN 0 5 输出电阻很小 r

4、o 0 图2 2 1理想运放的简电路模型 1 理想运放开环电压放大倍数 Avo 差模输入电阻 rid 开环输出电阻 ro 0共模抑制比 KCMR 理想化的标准下一页返回上一页 2电压传输特性 vo f vi 线性区 vo Avo vP vN 非线性区 vP vN时 vo Vo sat vP vN时 vo Vo sat 2 2理想运算放大器下一页返回上一页 3理想运放工作在线性区的特点因为vo Avo v v Avo 所以 1 差模输入电压约等于0即v v 称虚短 2 输入电流约等于0即i i 0 称虚断因为rid 3 当反相端有输入而同相端接地即v 0 v 称虚地 A

5、uo越大运放的线性范围越小必须加负反馈才能使其工作于线性区下一页返回上一页 2 2理想运算放大器 4理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 Uo sat 或 Uo sat 2 i i 0 仍存在虚断现象当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 不存在虚短现象 5判断理想运放工作状态的依据饱和区工作在开环状态或正反馈状态线性区电路中引入了负反馈下一页返回上一页 2 2理想运算放大器集成运算放大器与外部电阻电容半导体器件等构成闭环电路后能对各种模拟信号进行比例加法减法微分积分对数反对数乘法和除法等运算运算放

6、大器工作在线性区时通常要引入深度负反馈所以它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数而与运算放大器本身的参数关系不大改变输入电路和反馈电路的结构形式就可以实现不同的运算下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路 2 3 1同相放大电路 a 电路图 b 小信号电路模型图2 3 1同相放大电路 1 基本电路下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路 2 负反馈的基本概念开环闭环反馈将放大电路输出量通过某种方式送回到输入回路的过程电路有vo Avo vp vn 引入反馈后 vn 0 vp vi 不变 vp vn vo 使输出减小了增益Av

7、vo vi下降了这时的反馈称为负反馈下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路 3 虚假短路图中输出通过负反馈的作用使vn自动地跟踪vp 即vp vn 或vid vp vn 0 这种现象称为虚假短路简称虚短由于运放的输入电阻ri很大所以运放两输入端之间的ip in vp vn ri 0 这种现象称为虚断由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器必须熟练掌握下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路 4 几项技术指标的近似计算 1 电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有vp vn ip in 0 所以可作为公式直接使用下一

8、页返回上一页 2 3基本线性运放电路 2 输入电阻Ri 输入电阻定义根据虚短和虚断有vi vp ii ip 0 所以 3 输出电阻Ro Ro 0 下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路输入电阻高输出电阻低但共模输入电压可能较高结论 Avf为正值即uo与ui极性相同因为vi加在同相输入端 Avf只与外部电阻R1 R2有关与运放本身参数无关 Avf 1 不能小于1 u u 0 反相输入端不存在虚地现象下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路 5 电压跟随器根据虚短和虚断有 vo vn vp vi 可作为公式直接使用此电路是同相比例运算的特殊情况输入电阻大

9、输出电阻小在电路中作用与分离元件的射极输出器相同但是电压跟随性能好下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路电压跟随器的作用无电压跟随器时负载上得到的电压电压跟随器时 ip 0 vp vs 根据虚短和虚断有 vo vn vp vs 下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路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器的输入端当负载RL变化时其两端电压uo不会随之变化下一页返回上一页基准电压电路 2 3基本线性运放电路 2 3 2反相放大电路 a 电路图 b 由虚短引出虚地vn 0图2 3 5反相放大电路 1 基本电路下一页返回上一页 2 3基本线性

10、运放电路 2 几项技术指标的近似计算 1 电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有vn vp 0 ii 0 所以i1 i2 即可作为公式直接使用下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro Ro 0 下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路缺点输入电阻低 ri R1 结论 Avf为负值即vo与vi极性相反因为vi加在反相输入端 Avf只与外部电阻R1 R2有关与运放本身参数无关 Avf 可大于1 也可等于1或小于1 因u u 0 所以反相输入端虚地下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路当R2 R3时 1 试证明Vs R3R1 R2

11、Im 解 1 根据虚断有Ii 0 所以I2 Is Vs R1 例2 3 3直流毫伏表电路 2 R1 R2 150k R3 1k 输入信号电压Vs 100mV时通过毫伏表的最大电流Im max 又根据虚短有Vp Vn 0 R2和R3相当于并联所以 I2R2 R3 I2 Im 所以当R2 R3时 Vs R3R1 R2 Im 下一页返回上一页 2 3基本线性运放电路例2 电路如下图所示分别计算开关S断开和闭合时的电压放大倍数解 1 S断开Auf RF R1 10K 1 1 K 5 2 闭合由虚断 i i 0由虚短 u u 0 相当于两个1K电阻并联下一页返回上一页 2 3基本

12、线性运放电路 2 4 1求差电路从结构上看它是反相输入和同相输入相结合的放大电路当则若继续有则根据虚短虚断和N P点的KCL得 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用下一页返回上一页从放大器角度看时增益为该电路也称为差分电路或减法电路 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用下一页返回上一页分析方法2 利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 2 4 2仪用放大器下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 2 4 3求和电路根据

13、虚短虚断和N点的KCL得若则有该电路也称为加法电路利用叠加原理求解 1 反相求和电路 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用下一页返回上一页 u 根据叠加原理v 为vi1单独作用 vi2 0 和vi2单独作用时的代数和平衡电阻 Ri1 Ri2 R1 RF 下一页返回上一页 2 同相求和运算电路 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 1 输入电阻低 2 共模电压低 3 当改变某一路输入电阻时对其它路无影响同相加法运算电路的特点 1 输入电阻高 2 共模电压高 3 当改变某一路输入电阻时对其它路有影响反相加法运算电路的特点下一页返回上一页 2 4同相输

14、入和反相输入放大电路的其他应用例求输出电压解根据叠加原理v 为vi1单独作用 vi2 0 和vi2单独作用时的代数和由虚短 v v 由同相比例运算下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用例求输出电压解 A1为反相比例运算 A2为反向加法电路下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用一种高输入电阻的差分电路下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 1积分运算 i1 i2 当电容C的初始电压为vC t0 时则有由虚断由虚短 v v 0 下一页返回上一页 2 4 4积分电路和微分电路 2 4同相输

15、入和反相输入放大电路的其他应用若输入信号电压为恒定直流量即vi Vi时则积分饱和线性积分时间线性积分时间 Vom vi Vi 0 vi Vi 0 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vo是时间t的一次函数从而提高了它的线性度输出电压随时间线性变化 Vi Vi 下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用例画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形其中 R 10K C 0 1 F 下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 2微分运算由虚断由虚短 v v 0 i1 if Vi Vi 下一页返回上一页当vi为阶跃电压时输出为尖脉冲 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用当vi为正弦波时输出相移90 vi sin t vo RCcos t RCsin t 90 下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用例若图 d 中R1 R4 R2 R3 试求Vo1与Vi的表达式 Vo与Vi的表达式以及该电路的输入阻抗表达式下一页返回上一页 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用练习设图中运算放大器都是理想的输入电压的波形如图所示电容器上的初始电压为零试画出的波形 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用下一页返回上一页

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