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1、33-第第2 2章章 运算放大器运算放大器 上上 讲回讲回 顾顾电子系统与信号电子系统与信号模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号电压信号与电流信号电压信号与电流信号输出电压与输出电流输出电压与输出电流等效电路等效电路电路指标电路指标133-第第2 2章章 运算放大器运算放大器2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.4 同相输入和反相输入放大电路的其它应用同相输入和反相输入放大电路的其它应用2.5 SPICE仿真例题仿真例题2.2 理想运算放大器理想运算放大器2.3 基本线性放大电路基本线性放大电路233- 集成电路集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入运算放大器是一种高电压增益、高
2、输入阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放 大电路。它的种大电路。它的种类很多，电路也不一样，但结构有共同之处。类很多，电路也不一样，但结构有共同之处。2.1.1 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元 一般由输入级、中间一般由输入级、中间 ( 放大放大 ) 级、输出级和偏置级、输出级和偏置电路等四部分组成。电路等四部分组成。输入级输入级差分放大差分放大Av1中间级中间级电压放大电压放大Av2输出级输出级功率放大功率放大Av3PNvPvNvo+-+ 偏置电路偏置电路vo1-+vo2-+=1o有两个输入端有两个输入端P和和N、一个输出端、一个输
3、出端O：P称同相输入端：称同相输入端： 当输入信号从当输入信号从P端加入端加入(N端接地端接地)时，输出信号与输时，输出信号与输入信号同相。入信号同相。+2.1 2.1 集成运算放大器集成运算放大器333- 集成电路集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入运算放大器是一种高电压增益、高输入阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放 大电路。它的种大电路。它的种类很多，电路也不一样，但结构有共同之处。类很多，电路也不一样，但结构有共同之处。2.1.1 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元 一般由输入级、中间一般由输入级、中间 ( 放大放大 )
4、级、输出级和偏置级、输出级和偏置电路等四部分组成。电路等四部分组成。输入级输入级差分放大差分放大Av1中间级中间级电压放大电压放大Av2输出级输出级功率放大功率放大Av3PNvPvNvo+-+ 偏置电路偏置电路vo1-+vo2-+=1oN称反相输入端：称反相输入端： 当输入信号从当输入信号从N端加入端加入(P端接地端接地)时，输出信号与输时，输出信号与输入信号反相。入信号反相。+2.1 2.1 集成运算放大器集成运算放大器433- 集成电路集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入运算放大器是一种高电压增益、高输入阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放 大电路。它的种
5、大电路。它的种类很多，电路也不一样，但结构有共同之处。类很多，电路也不一样，但结构有共同之处。2.1.1 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元 一般由输入级、中间一般由输入级、中间 ( 放大放大 ) 级、输出级和偏置级、输出级和偏置电路等四部分组成。电路等四部分组成。输入级输入级差分放大差分放大Av1中间级中间级电压放大电压放大Av2输出级输出级功率放大功率放大Av3PNvo+-+ 偏置电路偏置电路vo1-+vo2-+=1oviv01Av1vi Av1(vP-vN)v02 Av1Av2(vP-vN)v0 Av0(vP-vN)Av0 Av1 Av22.1 2.1 集成
6、运算放大器集成运算放大器533-2.1.2 集成电路运算放大器的符号集成电路运算放大器的符号 (a) 国家标准符号国家标准符号 (b)常用原符号常用原符号2.1.3.集成电路运算放大器的电路模型集成电路运算放大器的电路模型v0vI+_rivPvN+_Av0vIr0PN+-+-+-+VCC-VCC同相输入端同相输入端vi1、v+、vP反相输入端反相输入端vi2、v、vN2.1 2.1 集成运算放大器集成运算放大器633-2.1.4集成电路运算放大器的开环电压传输特性集成电路运算放大器的开环电压传输特性vIv0-V0m+V0m 因开环放大倍数因开环放大倍数Avo很高，所以即是在输入端有很高，所以即
7、是在输入端有微小的变化也会使运放进入非线性区而使输出接近微小的变化也会使运放进入非线性区而使输出接近电源电压。电源电压。线性区内线性区内:v0=vIAvo=(vP-vN) Avo非线性区内非线性区内: 正向饱和正向饱和:v0=+V0m负向饱和负向饱和:v0=-V0m运算放大器有两个工作区运算放大器有两个工作区线性工作区和非线性工作区。线性工作区和非线性工作区。2.1 2.1 集成运算放大器集成运算放大器733-2.2.1 理想运放的主要性能指标理想运放的主要性能指标v0vI+_rivPvN+_Av0vIr0PN+-+-+-+VCC-VCC (1) Avo=; (2) ri=; (3) ro=0
8、; 2.2.2 理想运放的开环传输特性理想运放的开环传输特性当当vPvN时，时，V0=+V0m当当vPvP时，时，V0=-V0mv0-V0m+V0mvIvP-vN 2.2 2.2理想理想集成运算放大器集成运算放大器833-1.开环理想运放的动态范围近似为零开环理想运放的动态范围近似为零;2.集成运放工作在线性区的必要条件集成运放工作在线性区的必要条件: 接成负反馈接成负反馈2.2.3 结论结论Rf+-vPvNvovovi 2.2 2.2理想理想集成运算放大器集成运算放大器933-3.集成运放工作在非线性区的必要条件集成运放工作在非线性区的必要条件: 开环或接成正反馈开环或接成正反馈+-vPvN
9、vo+-vPvNvoRfv0-V0m+V0mvI（vP-vN） 2.2 2.2理想理想集成运算放大器集成运算放大器2.2.3 结论结论1033-vO =Avo(vP-vN)(1) “虚短虚短”理想运放理想运放 Avo=, 而而v0为有限数为有限数即即vPvN也就是说运放也就是说运放 的同相输入端和反相输入端的同相输入端和反相输入端之间之间“虚短虚短”。-+IiIdAv vN Nv vP Pv0 理想运放工作在线性区的两个特点理想运放工作在线性区的两个特点2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 vP-vN0(2) “虚断虚断”-+IiIdvN NvP PvORi vP-vN0 ,
10、且且Rid= IId d=I=Ii i=0=0两个输入端的电流均为零，称作两个输入端的电流均为零，称作“虚断虚断路路”。1133-RvsvoRfR1vPvN 2.3.1 同相放大电路同相放大电路电压串联负反馈电压串联负反馈平衡电阻平衡电阻 R = R1 / Rf1. 基本电路基本电路根据虚断的概念得：根据虚断的概念得：根据虚短的概念得：根据虚短的概念得：若若Rf=0，R1=2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器1233-RvsvoRfR1vPvN 2.3.1 同相放大电路同相放大电路平衡电阻平衡电阻 R = R1 / Rf1. 基本电路基本电路根据虚断的概念得：根据虚断的概念得：
11、根据虚短的概念得：根据虚短的概念得：若若Rf=0，R1=2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器2. 电压跟随器电压跟随器特点：特点： 1) 输入电阻大，信号源提供电流很小；输入电阻大，信号源提供电流很小； 所以，一般作放大电路得输入级、输出级和中间级。所以，一般作放大电路得输入级、输出级和中间级。2) 输出电阻小，带负载能力强输出电阻小，带负载能力强3) vo vs1333-凡是将放大电路输出回路的信号凡是将放大电路输出回路的信号(电压或电流电压或电流)的一的一部分或全部通过某种电路，送回到输入回路，与输入信部分或全部通过某种电路，送回到输入回路，与输入信号迭加，就称为号迭加，就
12、称为反馈反馈。反馈体现了输出信号对输入信号的反作用。反馈体现了输出信号对输入信号的反作用。a.负反馈和正反馈负反馈和正反馈b.电压反馈与电流反馈电压反馈与电流反馈c.串联反馈与并联反馈串联反馈与并联反馈3. 负反馈的基本概念负反馈的基本概念(具体内容在第七章讲具体内容在第七章讲)2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路1433-若引回的反馈信号与输入信号相位相反则使净输入若引回的反馈信号与输入信号相位相反则使净输入信号削弱，就称为信号削弱，就称为负反馈负反馈。vd= vi i- - vf引入反馈前：引入反馈前：vi = vd引入反馈后：引入反馈
13、后：Rf+-vPvNvovivdR1vfa.负反馈和正反馈负反馈和正反馈3. 负反馈的基本概念负反馈的基本概念(具体内容在第七章讲具体内容在第七章讲)2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路1533-id= ii i+ + if引入反馈前：引入反馈前：ii = id引入反馈后：引入反馈后：Rf+-vPvNvoiiidR1if若引回的反馈信号与输入信号相位相同若引回的反馈信号与输入信号相位相同,则使净输则使净输入信号加强，就称为入信号加强，就称为正反馈正反馈。a.负反馈和正反馈负反馈和正反馈3. 负反馈的基本概念负反馈的基本概念(具体内容在第七章
14、讲具体内容在第七章讲)2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路1633-3. 负反馈的基本概念负反馈的基本概念(具体内容在第七章讲具体内容在第七章讲)2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路b.电压反馈和电流反馈电压反馈和电流反馈 视反馈信号是取自输出回路的电压量还是电流量视反馈信号是取自输出回路的电压量还是电流量而定：而定： 若反馈信号取自输出电压信号，并与之成正比则称若反馈信号取自输出电压信号，并与之成正比则称为电压反馈；为电压反馈；Rf+-vPvNvovivdR1vf反馈信号反馈信号vf
15、:1733- 若反馈信号取自输出电流信号，并与之成正比则称若反馈信号取自输出电流信号，并与之成正比则称为电流反馈。为电流反馈。Rf+-vPvNvovivdR1 vfR3R2io3. 负反馈的基本概念负反馈的基本概念(具体内容在第七章讲具体内容在第七章讲)2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路b.电压反馈和电流反馈电压反馈和电流反馈1833- 视输入信号与反馈信号在基本放大器输入回路的视输入信号与反馈信号在基本放大器输入回路的连接方式而定。连接方式而定。 若输入信号、反馈信号与净输入信号在基本放大若输入信号、反馈信号与净输入信号在基本放大器输入
16、端以电流的方式相加减，并联反馈；以电压的器输入端以电流的方式相加减，并联反馈；以电压的方式相加减，串联反馈方式相加减，串联反馈Rf+-vPvNvoiiidR1ifRf+-vPvNvovivdR1vf c.串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈3. 负反馈的基本概念负反馈的基本概念(具体内容在第七章讲具体内容在第七章讲)2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路1933-RvoRfR1vPvNisRi =vsis因因is 0，放大电路输入电阻：从放大电路输入端看进去的电阻放大电路输入电阻：从放大电路输入端看进去的电阻具体计算方法：具体计算方法：vs所
17、以所以Ri 4. 输入、输出电阻输入、输出电阻2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路2033-RvoRfR1vPvNisvTiTr00V0V输出电阻的计算方法：输出电阻的计算方法：vsR0 =vTiTvs=0,RL= r0/Rf Rf 04. 输入、输出电阻输入、输出电阻2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路2133-小结：小结：RvoRfR1vPvNisvs1.电压串联负反馈电压串联负反馈2.电压放大倍数：电压放大倍数：3.输入电阻输入电阻ri： ri4.输出电阻输出电阻ri： r002.
18、3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.1 同相放大电路同相放大电路2233-R1RmIiI1IM+-+-Vs磁电式仪表磁电式仪表例例.磁电式仪表指针偏移满刻度时磁电式仪表指针偏移满刻度时,流过动圈电流流过动圈电流IM=100A.当当R1=2M时时,测得的最大输入电压测得的最大输入电压Vs(max)=?解解.电路接成反相比例运算放大电路电路接成反相比例运算放大电路, 根据虚短和虚断的概念知根据虚短和虚断的概念知:V-=V+=VsIM=I1Ii=0Vs(max)=I1R1=IMR1=10010-62106=200VVs2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3
19、.1 同相放大电路同相放大电路2333-1).电压并联负反馈电压并联负反馈1. 基本电路基本电路电路中电路中R 称为平衡称为平衡电阻电阻R = R1 / Rf0V0V因为虚断，所以因为虚断，所以因为虚短，所以因为虚短，所以vP=0vs-+RfRvoifR1iiidAPNvN=vP=0N端是不接地的地电位，称虚地。端是不接地的地电位，称虚地。2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.2 反相放大电路反相放大电路2).电压放大倍数电压放大倍数2433-vs-+RfRvoifR1iiidAPNRiRi =vsii3). 输入、输出电阻输入、输出电阻R1R0 =vTiTvs=0,R
20、L= r0/Rf 02.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.2 反相放大电路反相放大电路1. 基本电路基本电路vTiTr00V 0V2533-vs-+RfRvoifR1iiidAPN1. 电压并联负反馈电压并联负反馈2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.2 反相放大电路反相放大电路小结：小结：2. 电压放大倍数电压放大倍数3. 输入电阻输入电阻ri：4. 输出电阻输出电阻ri：ri = R1r002633-vs-+AR2R3voifR1iiidi3R4i4RvR3虚短、虚断虚短、虚断2. T型反馈网络型反馈网络I3=I4+If0V2.3 2.3 基
21、本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.2 反相放大电路反相放大电路2733-vs-+AR2R3voifR1iiidi3R4i4RvR32. T型反馈网络型反馈网络2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.2 反相放大电路反相放大电路例例.1)求求Av表达式表达式2)若若R1=51K , R2=R3=390K，当当v0=-100vi时时,求求R43)直接用直接用R2代替代替T型网络时，型网络时，当当R1=51K , Av=-100时时,求求R2解解.1)2)得得:R4=35.2K2833-vs-+AR2R3voifR1iiidi3R4i4RvR32. T型反馈网络型反馈
22、网络2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.2 反相放大电路反相放大电路例例.1)求求Av表达式表达式2)若若R1=51K , R2=R3=390K，当当v0=-100vi时时,求求R43)直接用直接用R2代替代替T型网络时，型网络时，当当R1=51K , Av=-100时时,求求R23) 当用当用R2代替代替T形网络的电阻时形网络的电阻时,变为一个反相比例运算放大器变为一个反相比例运算放大器解解.2933-解解.1)利用虚断和虚短的概念利用虚断和虚短的概念:V-=V+=0 ,I1=0I3=I2-IM-VsR2/(R1R3)=Vs/R1-IM0VIs=I2 = Vs/R1
23、 例例.当当R2R3时时1)证明证明Vs=(R1R3/R2)IM2)R3=1K,R1=R2=150K,Vs=100mV,求通过毫伏表的最大电流求通过毫伏表的最大电流IM(max)+-+-VsR1R2R3IsI1I2IMI3VMVM=-I2R2=-VsR2/R12.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.2 反相放大电路反相放大电路3033-解解.1)利用虚断和虚短的概念利用虚断和虚短的概念:0V例例.当当R2R3时时1)证明证明Vs=(R1R3/R2)IM2)R3=1K,R1=R2=150K,Vs=100mV,求通过毫伏表的最大电流求通过毫伏表的最大电流IM(max)+-+-
24、VsR1R2R3IsI1I2IMI3VM2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器 2.3.2 反相放大电路反相放大电路 2) 求求IM(max)3133-2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器例例.电路如图所示，集成运放输出电压的最大幅值为电路如图所示，集成运放输出电压的最大幅值为14V，填表。填表。uI/V0.10.51.01.5uO1/VuO2/V解：解：uO1(Rf /R) uI10 uI，uO2(1+Rf /R ) uI11 uI。当集成运放工作到非线性区时，输出电压不是当集成运放工作到非线性区时，输出电压不是14V，就是，就是14V。1510141.15.511143233-2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器例例.设计一个比例运算电路，设计一个比例运算电路， 要求输入电阻要求输入电阻Ri20k， 比例系比例系数为数为100。解：可采用反相比例运算电路，电路形式如图所示。解：可采用反相比例运算电路，电路形式如图所示。R20k，Rf2M。3333-2.3 2.3 基本线性运算放大器基本线性运算放大器小小 结结2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2.2 理想运算放大器理想运算放大器2.3 基本线性放大电路基本线性放大电路
