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1、 2 1 第二章运算放大器 本章导读运算放大器是模拟集成电路中应用极为广泛的一种器件 本章先介绍集成运放内部的主要结构 理想运算放大器和电路模型 然后用线性电路理论分析由理想运放和电阻 电容等组成的简单应用电路 较早学习这些应用电路 有利于启发同学们的创新思维 打破对电子技术的神秘感 2 2 2 1集成电路运算放大器2 2理想运算放大器2 3基本线性运放电路2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2 5SPICE仿真例题 第二章运算放大器 2 3 2 1集成电路运算放大器 1 集成电路运算放大器的内部组成单元2 运算放大器的电路模型 2 4 集成运算放大器外形图1 2 5 集成运算放大器外形
2、图2 2 6 LM324是四运放集成电路 它采用14脚双列直插塑料封装 外形如图所示 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器 除电源共用外 四组运放相互独立 四运放集成电路LM324 运算放大器符号 2 7 1 集成电路运算放大器的内部组成单元 1 输入输出端口P N O 2 各级的作用 3 4 运放的代表符号 正负电源的中间接点 2 8 2 运算放大器的电路模型 输入电阻ri较大 通常为106 或更大 输出电阻ro较小 通常为100 或更小 开环电压增益Avo的值较高 至少为104 受控电压源 Avo vP vN 1 电路模型及说明 2 9 2 运算放大器的电路模型 2 电压传输特性 输出
3、电压vo不可能超越正负电源的电压值 若Avo vP vN V 则vo Vom V 设vP vN 若V Avo vP vN V 则vo Avo vP vN 若Avo vP vN V 则vo Vom V 2 10 2 运算放大器的电路模型 例2 1 1 电路如图所示 运放的开环电压增益Avo 106 输入电阻ri 109 电源电压V 10V V 10V 1 试求当vo Vom 10V时输入电压的最小幅值vP vN 输入电流ii 2 画出传输特性曲线vo f vP vN 说明运放的两个区域 109 106 解 1 当vo Vom时 输入电压最小幅值vP vN vo Avo 10V 106 10 V输
4、入电流ii vP vN ri 10 V 109 1 10 8 A 2 11 2 运算放大器的电路模型 例2 1 1 解 2 画传输特性曲线取a点 10 V 10V b点 10 V 10V 连接a b两点得线段ab 其斜率为Avo 106 vP vN 10 V 电路工作在线性区 否则工作在非线性区 电压传输特性曲线如左图所示 2 12 2 2理想运算放大器 近似理想运放模型1 输出电压vo的饱和极限值等于运放的电源电压 即 Vom V Vom V 2 开环电压增益很高 差分输入电压 vP vN 的值很小也可使运放进入饱和区 3 若vo未达到饱和极限 则差分输入电压 vP vN 必趋近于0 当vo
5、处于V 与V 之间 则运放必工作在线性区 4 内部的输入电阻ri的阻值很高 可近似地认为它为无穷大 由此可假定iP 0 iN 0 5 内部的输出电阻ro的阻值很低乃至可以认为它为0 2 13 2 2理想运算放大器 理想运放模型将近似理想运放的参数理想化 Vom V Vom V Avo iP 0 iN 0 ri ro 0 便可得到理想运放的模型该图表示输入端是开路的 即ri 输出端电阻ro 0 输出电压vo Avo vP vN 其中Avo 理想运放电路模型 运放电路模型 2 14 2 3基本线性运放电路 同相输入和反相输入是两种最基本的放大电路 许多由运放组成的功能电路都以此为基础 在分析运放组
6、成的各种应用电路时 其中的运放视为理想运放 2 3 1同相放大电路2 3 2反相放大电路 2 15 2 3 1同相放大电路 a 输入信号vi加到运放的同相输入端 和地之间 b vn vf R1vo R1 R2 作用在反相输入端 vf表示反馈电压 1 基本电路 2 16 2 3 1同相放大电路 vp vi 2 负反馈基本概念 电压增益Av vo vi如何变化 2 17 2 3 1同相放大电路 3 虚短和虚断 vp vn或vid vp vn 0 虚短 虚断 由于虚短 vp vn 0 且ri很大 则ip in 0 2 18 2 3 1同相放大电路 4 技术指标近似计算 闭环电压增益Av vf 输入电
7、阻Ri 2 19 2 3 1同相放大电路 0 ro 0 Ro 0 4 技术指标近似计算 输出电阻Ro 2 20 2 3 1同相放大电路 vo vn vp viAv vo vi 1 5 电压跟随器 2 21 2 3 1同相放大电路 5 电压跟随器 应用示例 a b 2 22 2 3 1同相放大电路 6 例2 3 1直流电压表 电路如图 磁电式电流表指针偏移满刻度时 流过动圈电流IM 100 A 当R1 20K 时 可测的最大输入电压VS max 解 由虚短和虚断有VP VS VN Ii 0 则有 2 23 作业P46 P472 1 1 2 1 2 2 24 2 3 2反相放大电路 1 基本电路
8、虚地 由虚短vn vP 0 则有vn接近于地电位 2 25 2 3 2反相放大电路 2 几项技术指标的近似计算 1 电压增益 虚地vn 0 虚断ip in 0 则i1 i2 故有 因此 2 26 2 3 2反相放大电路 2 几项技术指标的近似计算 2 输入电阻 2 27 2 3 2反相放大电路 2 几项技术指标的近似计算 3 输出电阻 ro 0 Ro 0 2 28 2 3 2反相放大电路 例2 3 2将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替 如下图所示 1 求Av vo vi 解 1 虚地vn 0 虚断in ip 0 节点n和M的电流方程为 可得 2 29 2 3 2反相放大电路 例2 3 2
9、将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替 如下图所示 2 该电路作为话筒的前置放大电路 若选R1 51K R3 R2 390K 当vo 100vi时 求R4 解 2 当R1 51K R1 R2 390K Av 100 有 解得 R4 35 2K 2 30 2 3 2反相放大电路 例2 3 2将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替 如下图所示 3 直接用R2代替T形网络 当R1 51K AV 100时 求R2 解 3 若Av 100 用R2代替T形网络 则R2为 2 31 2 3 2反相放大电路 例2 3 3直流毫伏表电路表如下图所示 当R2 R3时 1 证明Vs R1R3 R2 IM 解 1
10、 虚地Vn Vp 0 虚断IN II 0 可得 由 1 和 2 式可得 当R2 R3时 2 32 2 3 2反相放大电路 例2 3 3直流毫伏表电路表如下图所示 当R2 R3时 2 R3 1K R1 R2 150K 输入信号电压Vs 100mV时 通过毫伏表的最大电流IM max 解 2 已知条件 略 代入数据得 2 33 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 2 4 1求差电路2 4 2仪用放大器2 4 3求和电路2 4 4积分和微分电路归纳与推广 2 34 2 4 1求差电路 求差电路又称为差分放大电路 实现两个电压vi1 vi2相减 虚短 vp vn 虚断 ii 0 则接点n和p的
11、电流方程为 利用vp vn 联合 1 和 2 式 可解得 3 式 如果选择阻值使R4 R1 R3 R2 则 3 式可变为 4 式 2 35 2 4 1求差电路 输入电阻Ri和输出电阻Ro 2 36 2 4 1求差电路 例2 4 1高输入电阻的差分放大电路如图所示 求输出电压vo2表达式 并说明该电路的特点 利用叠加原理求v02 2 37 2 4 1求差电路 例2 4 1高输入电阻的差分放大电路如图所示 求输出电压vo2表达式 并说明该电路的特点 电路特点 1 通过两级放大电路实现求差功能 2 第一级为同相输入 电路的输入电阻为无穷大 2 38 2 4 2仪用放大器 A1 A2虚短 则vR1 v
12、1 v2 A1 A2虚断 则iR1 iR2 即 由 1 式得 2 式 根据求差电路特性 2 39 作业P46 P472 3 42 3 52 4 22 4 52 4 6 2 40 2 4 3求和电路 电压vi1和vi2相加 可用如下求和电路实现 虚断 ii 0 则i1 i2 i3 又虚地 vn 0 得 变形得 若R1 R2 R3 则 2 41 2 4 3求和电路 例2 4 2某歌唱小组有一个领唱和两个伴唱 各自歌声输入分别输入三个话筒 电路如右图 1 求vo表达式 2 3 见下两页 解 1 利用虚短 vp vn 0 虚断 ii 0 和虚地 vn 0 i1 i2 i3 i4 即 2 42 2 4
13、3求和电路 例2 4 2 2 当话筒电信号vs vs1 vs2 vs3 10mV时 vo 2V 伴唱支路增益Av1 Av2 Av3 2Av1 求各支路增益 解 2 将已知量代入 2 43 2 4 3求和电路 例2 4 2 3 选择电阻R1 R2 R3和R4的阻值 要求阻值小于100K 解 3 根据 为方便计算可先选择R4 100k 同理可得 2 44 2 4 3求和电路 可用同相放大电路实现求和功能 例 P49T2 4 5 虚断 ii 0 则i3 i4 虚短 vn vp 由叠加原理 当vi2 0时 得 若R1 R2 R3 R4 则 当vi1 0时 得 2 45 2 4 4积分和微分电路 1 积
14、分电路 分析 由虚断 iI 0 和虚地 vn 0 有i1 i2 i 电容器C以电流i1 vI R进行充电 设电容器C的初始电压vc 0 则 即 2 46 2 4 4积分和微分电路 1 积分电路 其阶跃响应 2 47 2 4 4积分和微分电路 1 积分电路 例2 4 3 设积分电路和输入电压vI波形如右图所示 电路中电源电压V 15V V 15V R 10K C 5nF 在t 0时 电容器C初始电压vc 0 试画出输出电压vO的波形 并标出幅值 解 在t 0时 vO 0 当t1 40 s时 当t2 120 s时 2 48 2 4 4积分和微分电路 2 微分电路 分析 由虚断 iI 0 和虚地 v
15、N 0 有i1 i2 设t 0时 电容器C的初始电压vc 0 信号vI接入后有 则 vN 0 微分电路的电压波形 2 49 归纳与推广 前面分析了求和 求差 微分和积分等电路 它们都是右图中的Z1和Z2用简单的R C元件代替组成的 一般它们可以是R L C元件的串联或并联组合 应用拉氏变换 Z1写成Z1 s Z2写成Z2 s 其中s复频率变量 因而有 改变Z1 s Z2 s 的形式 即可实现各种不同数学运算 2 50 归纳与推广 例 右图所示是一种比较复杂的运算电路 它的传递函数为 上式第一 二两项表示比例运算 第三项表示微分运算 最后一项表示积分运算 2 51 设计 设计一放大电路 采用 12V供电 电压放大倍数为50 输入阻抗为100K 1 采用同相放大电路 2 采用反相放大电路 3 如果采用单电源 12V供电呢 2 52 同相放大电路 2 53 反相放大电路 2 54 采用单电源 12V供电 2 55 作业 P47 P48 2 4 72 4 82 4 92 4 11 感谢亲观看此幻灯片 此课件部分内容来源于网络 如有侵权请及时联系我们删除 谢谢配合
