《电路》电子课件教案邱关源版 第5章 含有运算放大器的电阻电路

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1、第五章含有运算放大 器的电阻电路首 页本章重点运算放大器的电路模型5.1比例电路的分析5.2含有理想运算放大器的电路分析5.3l重点（1）理想运算放大器的外部特性；（2）含理想运算放大器的电阻电路分析；（3）一些典型的电路；返 回l 运算放大器是一种有着十分广泛用途的电子器件。最早 开始应用于1940年，1960年后，随着集成电路技术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降 低了成本，获得了越来越广泛的应用。5.1 运算放大器的电路模型1. 简介下 页上 页返 回 It is an electronic unit that behaves like a voltage-controlled vol

2、tage source. It is an active circuit element designed to perform mathematical operations of addition, subtraction, multiplication, division, differentiation and integration.l 应用信号的运算电路下 页上 页比例、加、减、对数、指 数、积分、微分等运算。产生方波、锯齿波等波形信号的处理电路信号的发生电路有源滤波器、精密整流电路 、电压比较器、采样保持电路。返 回l 电路输 入 级偏置 电路中间级 用以电 压放大输 出 级输入

3、端输出端下 页上 页频带过窄线性范围小缺点：加入负反馈扩展频带减小非线性失真优点：高增益输入电阻大，输出电阻小返 回下 页上 页集成运算放大器返 回l 符号7654321+15V 15V8个管脚：2：倒向输入端 3：非倒向输入端 4、7：电源端 6：输出端 1、5：外接调零电位器 8：空脚单 向 放 大下 页上 页返 回l电路符号a：倒向输入端，输入电压u b：非倒向输入端，输入电压u+o：输出端, 输出电压 uo在电路符号图中一般不画出直流电 源端，而只有a,b,o三端和接地端。图中参考方向表示每一点对地的电压，在接地端未画出时尤须注意。A：开环电压放大倍数， 可达十几万倍。: 公共端(接地

4、端)下 页上 页注意+ _+u+u-+_uoa o+_ udb_+A +返 回在 a,b 间加一电压 ud =u+-u-，可得输出uo和 输入ud之间的转移特性曲线如下：2. 运算放大器的静特性Usat-Usat-Uo/VUd/mV0实际特性au+u-uoo +_ ud_+A +b下 页上 页返 回Usat-Usat-Uo/VUd/mV0分三个区域：线性工作区： |ud| 则 uo= Usatud- 则 uo= -Usat是一个数值很小的电压，例如 Usat=13V, A =105，则 = 0.13mV。近似特性下 页上 页注意返 回3. 电路模型输入电阻输出电阻当: u+= 0, 则uo=A

5、u 当: u= 0, 则uo=Au4. 理想运算放大器下 页上 页+_A(u+-u-)RoRi u+u-uo在线性放大区，将运放电路作如下理想化处理： Auo为有限值，则ud=0 ,即u+=u-，两个输入端之间相当于短路(虚短路) Ri i+=0 , i=0。 即从输入端看进去，元 件相当于开路(虚断路)。 Ro 0返 回运算放大器的供电电路5.2 比例电路的分析1. 倒向比例器运放开环工作极不稳定，一般外部接若干元件 (R、C等)，使其工作在闭环状态。下 页上 页+_uo+_uiR1RfRL21_+A +21R1RiRfRoAun1+_uoRL运放等效电路+_ui返 回用结点法分析：(电阻用

6、电导表示) (G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui -Gf un1(Gf+Go+GL)un2 =GoAu1 u1= un1整理，得：(G1+Gi+Gf)un1-Gf un2=G1ui(-Gf +GoA)un1(Gf+Go+GL)un2 =0解得：下 页上 页21R1RiRfRoAu1+ _+_uoRL+_ui2. 电路分析返 回因A一般很大，上式分母中Gf(AGo-Gf)一项的值比 (G1+ Gi + Gf) (G1+ Gi + Gf)要大得多。所以uo / ui只取决于反馈电阻Rf与R1比值，而与放大器 本身的参数无关。负号表明uo和ui总是符号相反(倒向比例器)。下 页上 页表

7、明返 回根据“虚短”：根据“虚断”：u+ = u- =0， i1= ui/R1 i2= -uo /Rfi-= 0，i2= i1下 页上 页以上近似结果可将运放看作理想情况而得 到。由理想运放的特性：注意i1i2+_uo+_uiR1RfRL21_+ +返 回 当R1 和Rf 确定后，为使uo不超过饱和电压(即保 证工作在线性区)，对ui有一定限制。 运放工作在开环状态极不稳定，振荡在饱和区; 工作在闭环状态，输出电压由外电路决定。 (Rf 接在输出端和反相输入端,称为负反馈)。 下 页上 页注意+_uo+_uiR1RfRL21_+ +返 回下 页上 页5.3 含有理想运算放大器的电路分析根据理想

8、运放的性质，抓住以下两条规则： （a）倒向端和非倒向端的输入电流均为零 “虚断（路）”；（b）对于公共端（地），倒向输入端的电压与非倒向输入端的电压相等 “虚短（路）”。1. 分析方法合理地运用这两条规则，并与结点电压法相结合。返 回加法器比例加法器：y =a1x1+a2x2+a3x3 ，符号如下图：ui1/R1+ ui2 /R2+ ui3 /R3 =-uo /Rfuo= -(Rf /R1 ui1 +Rf /R2 ui2+Rf /R3 ui3)u-= u+=0 i-=0x1a1 a2 a3-1-yyx2 x3下 页上 页+ _uoR2Rfi-u+u-R1R3ui1ui2ui3_+ +2. 典型

9、电路返 回非倒向比例器 u+= u-= ui i+= i-= 0uo =(R1 + R2)/R2 ui =(1+ R1/R2) ui(uo-u-)/R1= u-/R2根据“虚短”和“虚断” uo与ui同相当R2=，R1=0时， uo=ui，为电压跟随器输入、输出关系与运放本身参数无关。下 页上 页结论RiuiR1R2u+u-i-+_uo+_i+_+ +返 回电压跟随器 输入阻抗无穷大(虚断)； 输出阻抗为零；应用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。 uo= ui。电 路 A电 路 B下 页上 页特点+_+_uiuo_+ +返 回例可见，加入跟随器后，隔离了前后两级电路的 相互影响。A 电 路下

10、 页上 页R2RLR1+_u2+_u1+_u1R1R2RL+_u2_+ +返 回 减法运算u-=u+ i-=i+=0i1= if解得：下 页上 页+ _uoR2Rfi-u+u-R1R3ui1 ui2i1if_+ +返 回Op amp connected as an Inverting amplifier.Output characteristics.(c)(a) An op amp used to construct a noninverting amplifier circuit. (b) Circuit with currents and voltages labeled. (c) Out

11、put characteristics.求输出电压uo解下 页上 页例1+_uo_+ +_4V4R2Ri1i2u+u-倒向比例电路返 回求输出电压uo解下 页上 页例2+_uo+_6VRRiu+u- RR_+ +_uo_+ +_3V3/2RR化简电路返 回例3求输出电压uo解下 页上 页返 回设计一个用运放和电阻组成的电路，其输出 电压为：2xyz其中x、y、z 分别表示三个输入电压的值，设x 、y、z不超过10V,同时要求每一个电阻的功率不超 过0.5W，确定各电阻的值。+ _uo_+ +RRR2RuzuxR uy例4解下 页上 页返 回上 页+ _uo_+ +RaRfRzRbuzuxRy

12、uy解返 回例.图示仪器放大电路，用于过程控制或测量中对低 电平信号进行放大，试证明：解.A3是一个差分放大器运放实际考虑 1.实际运放模型A为开环运放增益105-106，输入电阻Ri，M欧 级，输出电阻Ro几十欧到几欧。2.共模抑制Vout=v2-v1级联运算放大电路It is a head-to-tail arrangement of two or more op amp circuits such that the output to one is the input of the next.Cascaded Op Amp注意饱和问题！Example Find vo and io in the circuit shown below.Ans: 350mV, 25AApplication Digital-to Analog Converter (DAC) : it is a device which transforms digital signals into analog form.Four-bit DCA: (a) block diagram (b) binary weighted ladder type（二进加权阶梯电路）where V1 MSB, V4 LSBV1 to V4 are either 0 or 1 V仪器放大器原理图符号