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1、1Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004I、 运算放大器（、 运算放大器（Op Amp）及其外特性）及其外特性第第4讲 理想运算放大器讲 理想运算放大器II、理想运算放大器（、理想运算放大器（ideal Op Amp）及其外特性）及其外特性III、负反馈理想运算放大器电路分析、负反馈理想运算放大器电路分析Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004I、运算放大器（、运算放大器（Operational Amplifi
2、er）及其外特性）及其外特性运算放大器运算放大器： 有源电路元件有源电路元件4050年代是模拟计算机的基本组成部分年代是模拟计算机的基本组成部分. 60年代以来集成度越来越高，稳定性越来越好年代以来集成度越来越高，稳定性越来越好. 可用于直流或低频交流信号的可用于直流或低频交流信号的运算运算和和放大放大.Prescott内核内核P4 108个晶体管 核心面积个晶体管 核心面积125mm2LM324 Op Amp 102个晶体管个晶体管, 120mm22Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 20041. 电路符
3、号电路符号a: 反相输入反相输入inverting input，u-b: 非反相输入非反相输入noninverting input，u+ O: 输出输出output, uoOp Amp是有源器件，必须由是有源器件，必须由直流电源直流电源供电。供电。A ： 开 环 电 压 增 益： 开 环 电 压 增 益 open-loop voltage gain，105108+_ ududu+u-uo_+A +abo: 接地接地ground+_+u+u-+_uoa o+_ udud_+A +bVCC VCC: 工作电压工作电压working voltagePrinciples of Electric Cir
4、cuits Lecture 4 Tsinghua University 2004运算放大器消耗的功率：与运算放大器连接的电阻值：运算放大器的输入和输出电阻：运算放大器消耗的功率：与运算放大器连接的电阻值：运算放大器的输入和输出电阻：W级级k级级M级和级级和级3Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004令令ud=u+- -u- -uoud0分三个区域： 线性工作区：分三个区域： 线性工作区： |ud| Uds, 则则 uo= Usatud- - Uds, 则则 uo= - -Usat2. 运算放大器的外特性
5、运算放大器的外特性实际特性实际特性Usat- -UsatUds- -Uds近似特性近似特性+_ udud+_u+_+u- -_+uo_+A +Uds通常很小，比如通常很小，比如 Usat=13V, A =105，则本讲讨论，则本讲讨论Op Amp运行于线性区运行于线性区Uds=0.13mVPrinciples of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 20043. 电路模型电路模型Ri：运算放大器两输入端间的输入电阻（很大）。：运算放大器两输入端间的输入电阻（很大）。Ro：运算放大器的输出电阻（很小）。：运算放大器的输出电阻（很小）。
6、+ _A(u+- -u- -)Ro Riu+u- - +_ udud+_u+_+u- -_+uo_+A +低频低频 抽象观点抽象观点4Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004+ _A(u+- -u- -)Ro Riu+u- -Op Amp输入电阻很大? 输出电阻很小?输入电阻很大? 输出电阻很小?0+ _A(u+- -u- -) u+u- -工程观点工程观点Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004+_uo_+A
7、+_u1 +_u2()12uuAuo=问题： （问题： （1）u1、u2的取值范围太小?的取值范围太小?uo和和ui差别太大。 （差别太大。 （2）不同）不同Op Amp的的A差别很大? 设计好的放大器只能针对某个差别很大? 设计好的放大器只能针对某个Op Amp使用。 （使用。 （3）Op Amp的的A随温度变化较大? 设计好的放大器只能在某个温度下使用。随温度变化较大? 设计好的放大器只能在某个温度下使用。uoud0实际特性实际特性5Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004解决方法：将输出的一部分引
8、到输入（反馈解决方法：将输出的一部分引到输入（反馈feedback）+_uo_+A +_uiR1Rf12R1Rf-Au1+ _+_u1+_uo+_uiiifoi Ruu Ruu=111ouAu =1()11ARRRARuuffio +=列几个方程？列几个方程？Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004+_uo_+A +_uiR1Rf12()11ARRRARuuffio +=问题： （问题： （1）u1、u2的取值范围太小?的取值范围太小?uo和和ui差别太大。 （差别太大。 （2）不同）不同Op Amp的
9、的A差别很大? 设计好的放大器只能针对某个差别很大? 设计好的放大器只能针对某个Op Amp使用。 （使用。 （3）Op Amp的的A随温度变化较大? 设计好的放大器只能在某个温度下使用。随温度变化较大? 设计好的放大器只能在某个温度下使用。1RRuufio=A充分大充分大VV V工程观点工程观点6Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004+ _A(u+- -u- -)Ro Riu+u- -+ _A(u+- -u- -) u+u- -Op Amp输入电阻很大? 输出电阻很小?输入电阻很大? 输出电阻很小?
10、0+_ udud+_u+_+u- -_+uo_+A +A?u+u- uo_+ +i+i- -+_ _运算放大器理想运算放大器工程观点工程观点运算放大器理想运算放大器工程观点工程观点抽象观点抽象观点Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004在在线性放大区线性放大区，将运放电路作如下的理想化处理： ，将运放电路作如下的理想化处理： A uo为有限值，则为有限值，则ud 0 ,即即u+ + u-，两个输入端之间 相当于短路-，两个输入端之间 相当于短路(虚短虚短)； Ri，R00 , i+ 0 , i- - 0
11、。 即从输入端看 进去，元件相当于开路。 即从输入端看 进去，元件相当于开路(虚断虚断)。理想运放的电路符号。理想运放的电路符号uoud 0电压转移特性电压转移特性(外特性外特性)u+u- uo_+ +i+i- -+_ _II、理想运算放大器（、理想运算放大器（Ideal Op Amp）及其外特性）及其外特性Usat- -UsatUds- -Uds7Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 20041. 电压跟随器特点： 输入电阻无穷大电压跟随器特点： 输入电阻无穷大; 输出电阻为零。 输出电阻为零。应用？应用？
12、iouu =+- - + +_uo+_uiIII、负反馈理想运算放大器电路分析、负反馈理想运算放大器电路分析Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004例：例：1 212 2uRRRu+R2RLR1+_u2+_u1_+ +_uiR1R2RL+ _u21 212 2uRRRu+=在电路中起隔离前后两级电路的作用。在电路中起隔离前后两级电路的作用。8Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 20042、反相比例放大器“虚短”、反相
13、比例放大器“虚短” u+= u- -=0“虚断”“虚断” i- -= 0，i+=0， i2= i1i 1f ouRRuRu Ru=fo1i(1) 当当 R1 和和 Rf确定后，为使确定后，为使 uo不超过饱和电压不超过饱和电压(即保证 工作在线性区即保证 工作在线性区)，对，对ui有一定限制。（有一定限制。（2） Rf接在输出端和反相输入端接在输出端和反相输入端 , 称为负反馈。称为负反馈。注意：注意：+_uo_+ +_uiR1Rfi1i2i- - u- - u+ i+ +本讲仅分析负反馈。本讲仅分析负反馈。负反馈的作用负反馈的作用i1= ui/R1, i2= -uo/RfPrinciples
14、 of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 2004反相比例放大器的对外等效电路：反相比例放大器的对外等效电路：VCVS+_u1i1+_uoi2+_1 1fuRR+_uo_+ +_uiR1Rfi1i2i- - u- - u+ i+ +i 1f ouRRu=9Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 20043. 非反相比例放大器非反相比例放大器u+= u- -= uii+= i- -= 0o 212 iuRRRu+=i 21 i 221 o)1(uRRu
15、RRRu+=+=+- - +RiuiR1R2u- -u+ +i+ +_uo+_i- -虚断虚短虚断虚短Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 200400= = =+ iiuufiiii= =+ + +321fo Ru Ru Ru Ru=+=+332211)(3 32 21 1ouRRuRRuRRufff+=4. 加法器加法器+_uo_+ +R2Rfi- -u+u- -R1R3u1u2u3i1ifi+i3i2+_ _应该避免 （应该避免 （1）在）在Op Amp输出端应用输出端应用KCL （2）在）在Op Am
16、p上应用广义上应用广义KCL应该尽量 （应该尽量 （1）在）在Op Amp输入端应用输入端应用KCL （2）在）在Op Amp上应用广义上应用广义KVL10Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua University 20045. 减法器减法器+_uo_+ +_uiR1Rfi1i2i- - u- - u+ i+ +- - +RiuiR1R2u- -u+ +i+ +_uo+_i- -i 1f ouRRu=i 21 o)1 (uRRu+=如何结合起来？如何结合起来？Principles of Electric Circuits Lecture 4 Tsinghua Uni
