模电第02章+运算放大器(康华光).ppt

第二章 运算放大器 重点: 1.了解运放的基本组成部分及其功能; 2.理解运放电压传输特性与等效电路的意 义,掌握其基本分析方法; 3. 理解用运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理及其设计方法1集成运算放大器是一种具 有很高放大倍数的多级直接耦 合放大电路最早开始应用于 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运算放大器主要用于模拟 计算机，可模拟加、减、积分 等运算，对电路进行模拟分析 在信号处理、测量及波形产 生方面也获得广泛应用4运放LM324§2.1 集成运算放器简介 一、集成电路运算放大器的内部组成单元 1. 发展历程简介单运放LM74122.集成运算放大器的内部结构框图简介输入输出输入级(差动放大器)中间级 (电压放大器)输出级 (功率放大器)偏置电路输入级:输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号， 一般采用带恒流源的差放 中间级:电压放大倍数高,通常由多级放大器构成 输出级:与负载相接,输出电阻低,带负载能力强,常由互补 对称电路或射极输出器构成 偏置电路:为上述各级电路提供稳定合适的静态工作点, 由各种恒流源电路组成。

LM741内部结构——P2823LM741 8个管脚： 2：反相输入端 3：同相输入端 7 、4 ：外接正负电源端 6：输出端 1、5：外接调零电位器 8：空脚8 7 6 5 LM7411 2 3 43. 管脚简介LM3241 2 3 4 5 6 7 1Vo 1Vn 1Vp 2Vp 2Vn 2Vo4Vo 4Vn 4Vp 3Vp 3Vn 3Vo 14 13 12 11 10 9 8- +- +- +- ++12V-12V外接图-VCC 输出端 vo+VCC 反相 输入端同相 输入端vnvp73LM741 62 4 1 51k10k管 脚 说 明44、图形符号vnvpvo-vd+-+-vd+vnvpvo- A+ +▽注意：在电路符号图中一般除画出输 入输出端外，其余的省去vn(v-) ：反相输入端的输入电位vp(v+) ：同相输入端的输入电位vo：输出端的输出电位⊥ ：输入输出公共端(接地端)上述每一点均为对地的电压 ， 在接地端未画出时应注意vd ＝ vp－vn：——差模输入电压A：开环电压放大倍数, 一般很大或开环电压 放大倍数5二、 运算放大器的电路模型放大电路处性工作状态且信号源单独作用时：从净输入端(vp-vn)之间看进去运放等效为ri ，从输出 vo~地⊥之间看进去运放用戴维宁定理等效为一个受控恒 压源A(vp-vn)和一个内阻ro相串联。

——很大——很大——很小1.实际运算放大器的特点 开环电压放大倍数 A=106~108 差摸输入电阻 ri =106~1011 输出电阻 ro=10~100 -+riro voA(vp-vn)vpvn+-inip共模抑制比 KCMR=80dB~140dB ——很大 6vo(vp-vn)+Vom-Vom其中： (1)线性工作(放大)区 -+ 时, vo=+Vom (3)反向饱和区 vp-vn + 时, vo=+Vomvp-vn 0 时, vo=+Vom运放工作在正向饱和区 当vp-vn0时, vo= +Vom ——正饱和值当(vp- vn) R3时，Vs＝( R3R1/R2 ) Im (2)代入数据计算即可直流毫伏表电路图示当R2 R3时:(1)试证明Vs＝( R3R1/R2 ) Im (2)R1＝R2＝150k, R3＝1k, 输入信号电压Vs＝100mV 时，通过毫伏表的最大电流Im(max)＝？例117二、同相比例器根据“虚短”和“虚断”:ip＝in≈0vn≈vp=-ipR3+vi ≈vi∴i2 ＝i1 + in ≈i1 R3+vi_R2R1+_vo+-i1i2vpipvninR3＝R1//R2 1.结构特点 负反馈引到反相输入端, 信号从同相端输入。

2.指标计算 (1)电压增益 18可见： (1)vo与vi同相; (2)当R1=，R2=0时, vo=vi ——称为电压跟随器 (2)输入电阻Ri和输出电阻Ro a.输入电阻Rib.输出电阻Ro求输出电阻Ro 的图:Ro=ro//[(ri+R3)//R1+R2]≈0R3+vi_R2R1+_vo+-i1i2vpipvninR3R2R1+-vpvnroA(vp-vn)+ -ri19结论 ①Avf 为正值,即 vo与 vi 极性 相同因为 vi 加在同相输入 端 ②Avf只与外部电阻 R1、RF 有关,与运放本身参数无关 ③Avf ≥ 1 ，不能小于 1 ④v– = v+ ≠ 0 ，反相输入端不 存在“虚地”现象 ⑤电压串联负反馈，输入电 阻高、输出电阻低，共模输 入电压可能较高 ⑥由运放构成的电压跟随器 输入电阻高,输出电阻低,其跟 随性能比射极输出器更好上图是一电压跟随器，上图是一电压跟随器， 电源经两个电阻分压后加电源经两个电阻分压后加 在电压跟随器的输入端，在电压跟随器的输入端， 当负载当负载R RL L变化时，其两端变化时，其两端 电压电压 v vo o不会随之变化不会随之变化。

vo+–++–15kRL15k+15V7.5k例220负载电流的大小负载电流的大小 与负载无关与负载无关负载浮地的电压负载浮地的电压- -电流的转换电路电流的转换电路1. 1. 能测量较小的电压；能测量较小的电压； 2. 2. 输入电阻高，对被输入电阻高，对被测电路影响小测电路影响小流过电流表的电流流过电流表的电流I IGGV Vx xR R2 2R R1 1+ +– –+ ++ + – – R RL Lv vi iR R2 2R R1 1+ +– –+ ++ + – – i iL Li i1 1例321三、反相加法器＝01.输出电压 根据“虚短”和“虚断”: ip＝in≈0 vn≈vpi1 + i2 + i3 ＝ if + in≈ if 若:R1=R2=R3 =R , 则:voR2RfR1R3vi1vi2vi3_+invpvnipi1i2i3ifRo=ro//[(ri//R1//R2//R3)+Rf]≈02.输出电阻Ro22平衡电阻：平衡电阻：R Ri1 i1 // R// Ri2i2 = R= R1 1 // R// RF Fv+vi2voRFvi1Ri2Ri1++–R1 +–3. 3. 同相加法运算电路同相加法运算电路23同相加法运算电路的特点：同相加法运算电路的特点： 1. 1. 输入电阻高；输入电阻高； 2. 2. 共模电压高；共模电压高； 3. 3. 当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：反相加法运算电路的特点： 1. 1. 输入电阻低；输入电阻低； 2. 2. 共模电压低；共模电压低； 3. 3. 当改变某一路输入电阻时，当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；对其它路无影响；vi2voRFvi1Ri2Ri1++–R1 +–vi2voRFvi1Ri2Ri1++–R2+–24解出 ：四、减法运算电路(差分电路)1.输出电压 ip＝in≈0 vn≈vp R4R1R2vi2voR3vi1inipvn vp-+i4i1i2i3若: R4/R1=R3/R2 , 则:Ro=ro//[(ri+R2//R3)//R1 +R4]≈02.输出电阻Ro常用做测量 放大电路25五.仪用放大器vo~ vi的关系?电压增益Av =?R1 R2R2+vi-+--+R3R3-+R4R4vovi1vi2因为虚短、虚断, 所以R1 上的电压等于vi , 且: i1=i2=i3=vo1vo2i3i1i226ip＝in≈0 vn≈vp≈0六.微分运算器i1=iFvoRvi_+Cinvpvnipi1iF27vit0t0vo若输入：vi=Vm sint求： vo并画波形。

解：vo=- RC Vm cost=- RC Vmsin(t-90º)例428比例比例- -微分运算电路微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中,PD调节器在调节过程中起加速作用,即使 系统有较快的响应速度和工作稳定性—PDPD调节器调节器voC1vi R2RF++––++–R1ifiRiC29七 . 积分运算voRvi_+Cinvpvnipi1iF∵ip＝in≈0vn≈vp≈0∴ i1=iF30tvi0tvo0V-VomTM积分时限如果积分器的输入vi是直 流电压,画出vo波形输出将反向积分，经过一 定的时间后输出饱和例5积分电路的主要用途： 1. 在电子开关中用于延迟 2. 波形变换例：将方波变为三角波 3. A/D转换中，将电压量变为时间量 4. 移相 31比例比例- -积分运算电路积分运算电路————PI 调节器voCFvi R2R1 ++––++–RFifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保 证自控系统的稳定性和控制精度改变 RF 和 CF，可调 整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。

32注意1.每个闭环(负反馈)电路均存在:ip＝in≈0(虚断)、vn≈vp (虚短)两条件 2.每个开环电路均存在ip＝in≈0(虚断)这一条件注意：开环电路中 vn≠vp 当(vp- vn) 时, vo= +Vom ——正饱和值当(vp- vn)-时, vo=-Vom ——负饱和值当-(vp- vn)时, vo=A(vp- vn)=Vom/A3.任何运算放大器输出电压≤饱和电压＜电源电压33vo=?例6_++R6+vi -R1vo1_++R5R3+ vo -R4R212因为： i1+= i1-≈ 0 v1- ≈ v1+ ＝ 0 i2+= i2-≈ 0 v2- ≈ v2+ ＝ 0 解得：34例7vo=?R2_++R5R1vi2vovi1R4vi4vi3R3R635vo_++R2R1RPviR4R3i1i2i4i3M求Av =?v+= v-=0 ∵ i1= i2 i2＋i3 = i4例8联立求解得：36-R1RF++vi1voR21R22vi2 R´同相求和运算例9联立求解得：37设计一个加减运算电路， RF=240k，使 vo=10vi1+ 8vi2 - 20vi3-R3RF++vi1voR2R1vi2R4vi3例10解: (1) 画电路。

系数为负的信号从反 相端输入，系数为正的信 号从同相端输入2) 求各电阻值求出：38根据:vo=10vi1+ 8vi2 - 20vi3 RF = 240k 得: R3= 12k R1 = 24k R2 = 30k R4= 80k∵要求: R1//R2//R4= R3//RF , 代入上式得：-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui339vo=?例11-RF1++vi1vo1R1vi2R2R3-RF2++voR4vi3R5R6=R1//R2//RF1R6=R4//R5//RF240_++10k20k+5V5kvi20kvo1vo_++20k20k10k 例12vo=?41第二章 运算放大器 结束42。