第二章 运算放大器

第二章

运算放大器

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 同相反相输入放大电 路的其他应用

§ 2.1 集成电路运算放大器1. 运放的内部组成单元：以正、负电源的中间接点作为参考点位点P

V 输入级

vP

vN

Av 1

v O1

中间级

Av 2

vO 2

输出级

Av 3

vO O

N

V 一级或多级放大电路 提高电压增益 功率放大电路

差分式放大电路 对称性

电压增益为1,向负载提供足够功率

§ 2.1 集成电路运算放大器集成运算放大器 (operational amplifier)符号 国内符号：V 同相输入端 v + V 反相输入端 v -

+-

A

V

v o 输出端

国际符号：

集成运放的特点： 电压增益高

vv+

- +

vo

输入电阻大

输出电阻小

§ 2.1 集成电路运算放大器2. 运放的电路模型：电源中间接点为参考电位点

P

V

vP

V1Avo (vP vN )

vN

ri

ro

vO V2

N

V 输入电阻模拟 输入端口 输出电阻与受控源 模拟输出端口电源是运放 必须的能源

§ 2.1 集成电路运算放大器2. 运放的电路模型：Rs

Ro

vs

vi

Ri

Avo vi

vo

RL

开环电压增益 Avo的值较高，至少为 104 , 通常可达到 106 甚至更高输入电阻 ri的值较大，通常为 106 或更高输出电阻 ro的值较小，通常为 100 或更低

Avo、ri 和ro 三个参数的值是由运放 内部电路所确定

Q:输出电压 vo 不可能超过什么值？

§ 2.1 集成电路运算放大器2. 运放的电压传输特性：

vo / V Vom V

输出电压的正、负极限值

a 正饱和

实际输出电压的变化范围是？

vo Avo (vP vN )线性区

输出电压正比于输入电压为什么ab段几乎是一条垂直于横 坐标的直线？ 容易导致运放的性能不稳定，为 使运放组成的各种应用电路稳定 地工作在线性区，须引入负反馈

o

(vP vN ) / mV

负饱和

b

Vom V

§ 2.1 集成电路运算放大器2. 运放的电压传输特性：

vo / V Vom V

a 正饱和

V Avo (v P v N ) V vo Avo (vP vN ) Avo (vP vN ) V vo Vom V Avo (vP vN ) V vo Vom V

vo Avo (vP vN )线性区

o

(vP vN ) / mV

负饱和

b

Vom V

例2.1.15

V P

V1Avo (v P v N )

开环电压增益 Avo 2 10 v P输入电阻 ri 0.6M

电源电压 V 12V V 12V

vN

ri

ro

vo V2

N

V

(1)试求当 vo Vom 12V时v P v N的最小值？

§ 2.2 理想运算放大器1. vo的饱和极限值 Vom V , Vom V

vo / V Vom V

a

vo Avo (vP vN )o

2. Avo , 即使(v P v N )很小 若(v P

v N ) 0, vo Vom V 若(v P v N ) 0, vo Vom V

(vP vN ) / mV

运放进入饱和区3. vo 未达到饱和值 , vP vN 必 0

b

Vom V

V iP 0

运放工作线性区4. ri 则iP 0, iN 0 5. ro 0

vP

vOAvo (vP vN )

vN

iN 0

V

§ 2.2 理想运算放大器放大 — 信号传递 AV、AI、AR(V/I)、AG(I/V) dx x 、 、 、 ln x 、 e 、 、 运算 — 、 dt

按 功 能 分 类

处理 — 滤波、整流、取样-保持、绝对值比较 — 判断电压大小(第9章) 信号产生 — 正弦、方波、三角波(第9章)

按工作区域分类

线性应用(虚短、虚断)非线性应用(虚断)

§ 2.3 基本线性运放电路 2.3.1 同相放大电路1. 基本电路

vp

R1 vn vf vo R1 R2

voR2

vi

vn R1

§ 2.3 基本线性运放电路 2.3.1 同相放大电路2. 负反馈的基本概念 vid=vi-vf=vp-vn 比无反馈时减少

vp( )

vi

vid

voR2

( )

( )

vn

电压增益Av=vo/vi也减小

R1

根据反馈的定义，此时引入的是负反馈vp (vi ) vo voR1 , R2

vn

vid

§ 2.3 基本线性运放电路 2.3.1 同相放大电路3. 虚假短路 由理想运放的参数可知：

vp

voR2

vi

vn

vo Avo (vp vn )Avo vo为有限值ri vi / ii ri vi为有限值

R1

vp vn 0两输入端的电位约相等，称为虚短

ii 0

ip in 0

两输入端的电流约为零，称为虚断

§ 2.3 基本线性运放电路 2.3.1 同相放大电路4. 几项技术指标的近似计算 (1)电压增益Av

vp

Avo (vp vn )

vp v i 由虚短：vp vn由虚断： in 0

vi

vid

vo

i R1 i R2

vn R1

ini R1

R2

i R2

R1 R1 vi vo vn vo R1 R2 R1 R2 vo R1 R2 R2 Av 1 vi R1 R1

§ 2.3 基本线性运放电路 2.3.1 同相放大电路4. 几项技术指标的近似计算 (2)输入电阻Rivp

Avo (vp vn )

vi 由输入电阻的定义： Ri ii v i由虚断：ii 0

vid

vo

vp v i

Ri

vn R1

ini R1

R2

i R2

即便考虑运放为非理想运放这个因素， Ri也可达109

§ 2.3 基本线性运放电路 2.3.1 同相放大电路4. 几项技术指标的近似计算 (3)输出电阻Ro 由求输出电阻的方法：vpAvo (vp vn ) 0

Ro ro ||[(R1 || ri ) R2 ] Ro 0

ri v id vn R1

vo

R2

ro 0