第二章集成电路放大电路2015-9-11

苏州科技学院电子学院孙云飞主讲教师：孙云飞苏州科技学院电子学院模拟电子技术课题组苏州科技学院电子学院孙云飞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同相输入和反相输入放大电路的其他应用Why？简介苏州科技学院电子学院孙云飞引言问题的引出目前应用最基本、最广泛的放大电路是什么电路？本章讨论的主要问题运算放大器电路模型及外特性是怎样的？运算放大器构成的基本放大电路有哪些？用什么方法分析这些放大电路？运算放大器还可以构成哪些线性应用电路？教学基本要求会用虚短和虚断的概念，分析反相比例、同相比例、加、减、积分、微分等电路组成的各种运算电路。苏州科技学院电子学院孙云飞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同相输入和反相输入放大电路的其他应用苏州科技学院电子学院孙云飞§2.1集成电路运算放大器1.运放的内部组成单元：PN差分式放大电路对称性（抑制零漂）共射极放大电路提高电压增益输入级1vA1Ov中间级2vA2Ov输出级3vA功率放大电路（互补功放）电压增益为1，向负载提供足够功率PvNvOvVVO以正、负电源的中间接点作为参考点位点本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路。苏州科技学院电子学院孙云飞▷表示信号从左(输入端)向右(输出端)传输的方向。2.集成运算放大器的符号vN或v–：反相输入端，信号从此端输入(vP=0)，输出信号和输入信号反相。vP或v+：同相输入端，信号从此端输入(vN=0)，输出信号和输入信号同相。vO：输出端。vNvPvOvNvPvO图2.1.2运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号（b）国内外常用符号苏州科技学院电子学院孙云飞3.运算放大器的电路模型PNPvNvirOvorVV1V2V)(NPovvAv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电源中间接点为参考电位点苏州科技学院电子学院孙云飞图2.1.3运算放大器的电路模型通常：输入电阻ri106Ω（很大）开环电压增益Avo的105（很高）输出电阻ro100Ω（很小）vO＝Avo(vP－vN)注意:输出电压vo不可能超过什么值？3.运算放大器的电路模型输出电压（V－＜vO＜V＋）苏州科技学院电子学院孙云飞当Avo(vP－vN)V＋时vO＝V＋当Avo(vP－vN)V-时vO＝V-线性范围内vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率3.运算放大器的电路模型当V-Avo(vP－vN)V＋vO＝Avo(vP－vN))(NPoovvAvvV/ovmV/)(NPvvVVomVVomoab正饱和线性区负饱和输出电压的正、负极限值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，须引入负反馈苏州科技学院电子学院孙云飞输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即)(odONPuuAu集成运放的工作区域线性区域：Aod为差模开环放大倍数非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。3.运算放大器的电路模型uOuP-uN+UOM-UOM苏州科技学院电子学院孙云飞例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流ii=?(2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。图2.1.3运算放大器的电路模型3.运算放大器的电路模型—例题苏州科技学院电子学院孙云飞例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流ii=?3.运算放大器的电路模型—例题图2.1.3运算放大器的电路模型解：由/PNOvovvvA当vo=±Vom=±12V时512/(210)60VVPNvv()/iPNiivvr660/(0.610)A100pA苏州科技学院电子学院孙云飞例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。3.运算放大器的电路模型—例题解：取a点（+60μV,+12V），b点（-60μV,-12V），连接a、b两点得ab线段，其斜率Avo=2×105,∣vP-vN∣60μV时，电路工作在线性区；∣vP-vN∣60μV，则运放进入非线性区。运放的电压传输特性如图所示。Avo=2×105(+60μV,+12V)(-60μV,-12V)苏州科技学院电子学院孙云飞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同相输入和反相输入放大电路的其他应用苏州科技学院电子学院孙云飞5.vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－4.若V－vOV＋（未达到饱和值）则（vP－vN）0vP=vN1.输入电阻ri∞使iP≈0、iN≈02.输出电阻rO0图2.2.1运放的简化电路模型2.2理想运算放大器+UOMUOM理想特性vO/V(vP－vn)/mVOab理想：ri≈∞ro≈0Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)What？提问3.Avo→∞,即使（vP－vN）很小若（vP－vN）0,vO+Vom=V+\若（vP－vN）0,vO-Vom=V+riro苏州科技学院电子学院孙云飞理想运放工作在线性区的两个重要法则：V–V+–+VoIi+Ii－(2)虚断Ii+=Ii－=0(orip≈-in)(1)虚短V+=V–(orvp≈vn)∵集成运放工作在线性区时有：()oodVAVVodA又∵0oodVVVA即VVidr0BI∴输入偏流2.2理想运算放大器（虚短、虚断）苏州科技学院电子学院孙云飞2.1.12.1.2课外练习（P46）苏州科技学院电子学院孙云飞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同相输入和反相输入放大电路的其他应用苏州科技学院电子学院孙云飞2.3基本线性运放电路2.3.1同相放大电路2.3.2反相放大电路苏州科技学院电子学院孙云飞2.3.1同相放大电路1.基本电路（a）电路图（b）小信号电路模型图2.3.1同相放大电路为什么叫同相放大电路？输入电压跟输出电压的关系是什么？苏州科技学院电子学院孙云飞2.3.1同相放大电路2.负反馈的基本概念反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。如果不接R1可不可以?开环闭环有负反馈必然有正反馈，如何判断正负反馈？苏州科技学院电子学院孙云飞2.3.1同相放大电路2.负反馈的基本概念反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。闭环开环瞬时电位变化极性-某时刻电位的斜率没有反馈时有vo＝Avo(vp－vn)引入反馈后vp(vi)不变，vn↑，→(vp－vn)↓→vo↓增益Av＝vo/vi下降了，使输出减小了，这时的反馈称为负反馈。(+)(+)(+))(ipvvov21,RRnvidvov稳定电路为什么要引入负反馈？苏州科技学院电子学院孙云飞3.虚假短路（实际运放）图中输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp，即vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0。这种现象称为虚假短路，简称虚短由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0，这种现象称为虚断。由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器，必须熟练掌握。2.3.1同相放大电路虚短和虚断两个概念不仅适用于理想运放也适用于实际的放大器（闭环）)(npoovvAvvovA为有限值ov0npvv理想运放理想运放跟实际运放都满足虚短的法则苏州科技学院电子学院孙云飞4.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av根据虚短和虚断的概念有vp≈vn，ip＝-in＝0o211npivvvvRRR所以12121io1RRRRRAvvv（可作为公式直接使用）2.3.1同相放大电路oiA？vvv苏州科技学院电子学院孙云飞（2）输入电阻Ri输入电阻定义iiiivR根据虚短和虚断有vi＝vp，ii＝ip≈0所以iiiivR（3）输出电阻RoRo→02.3.1同相放大电路4.几项技术指标的近似计算苏州科技学院电子学院孙云飞5.电压跟随器（可作为公式直接使用）输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小。2.3.1同相放大电路电压跟随器作为放大器，其增益为1，那有什么用呢？12121io1RRRRRAvvv120RR，o2i111RARvvvvi,vp,vn,vo本身是相对地的点位。苏州科技学院电子学院孙云飞电压跟随器的作用无电压跟随器时负载上得到的电压sssLsLo01.011001vvvvRRR电压跟随器时ip≈0，vp＝vs根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vs2.3.1同相放大电路缓冲或隔离所以说电压跟随器接入电路中还是可以提高电压放大倍数的，例题中就把电压提高了100倍苏州科技学院电子学院孙云飞知识回顾（1）理想运放需要满足的条件有哪些？苏州科技学院电子学院孙云飞5.vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－4.若V－vOV＋（线性范围内）则（vP－vN）0vP=vN1.输入电阻ri∞使iP≈0、iN≈02.输出电阻rO0图2.2.1运放的简化电路模型1.理想运算放大器需要满足的条件+UOMUOM理想特性vO/V(vP－vn)/mVOab理想：ri≈∞ro≈0Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)3.Avo→∞,即使（vP－vN）很小若（vP－vN）0,vO+Vom=V+\若（vP－vN）0,vO-Vom=V+riro苏州科技学院电子学院孙云飞知识回顾（1）理想运放需要满足的条件有哪些？（2）什么是反馈、负反馈？如何判断正负反馈？引入负反馈有哪些优点？苏州科技学院电子学院孙云飞2.反馈和负反馈2.负反馈的基本概念反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。瞬时电位变化极性-某时刻电位的斜率没有反馈时有vo＝Avo(vp－vn)引入反馈后vp(vi)不变，vn↑，→(vp－vn)↓→vo↓增益Av＝vo/vi下降了，使输出减小了，这时的反馈称为负反馈。(+)(+)(+))(ipvvov21,RRnvidvov稳定电路引入负反馈的优点？苏州科技学院电子学院孙云飞知识回顾（1）理想运放需要满足的条件有哪些？（2）什么是反馈、负反馈？如何判断正负反馈？引入负反馈有哪些优点？（3）什么是“虚短”和“虚断”？苏州科技学院电子学院孙云飞由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0，这种现象称为虚断。3.“虚短”、”虚断”由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。(2)虚断（ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0）(1)虚短（vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0）苏州科技学院电子学院孙云飞知识回顾（1）理想运放需要满足的条件有哪些？（2）什么是“虚短”和“虚断”？（3）什么是负反馈？如何判断正负反馈？（4）同相放大电路的电路结构