张南电工学第10章改版

第10章集成运算放大器10-1差分放大电路10-2集成运算放大器概述10-3理想运算放大器10-4运算放大器的输入方式10-5运算放大器的应用10-6含理想运算放大器的电路分析10-1差分放大电路一、工作原理图10-1差分放大电路1、静态分析ui1=ui2=0u0=uc1-uc2=0△U0=△UC1-△UC2=010-1差分放大电路2、动态分析(1)共模输入信号0UUUA2i1iOuc(2)差模输入信号iC2i1i0udUUUUUA10-1差分放大电路(3)任意输入信号2UUU2UUU2i1id2i1iC(4)共模抑制比)dB(AAdlg20KOCMR10-1差分放大电路二、输入和输出方式图10-2差分放大电路的输入和输出方式1、双端输入、双端输出。2、单端输入、双端输出。3、单端输入、单端输出。4、双端输入、单端输出。10-2集成运算放大器概述一、集成运算放大器的组成图10-3运算放大器组成方框图1、组成(1)输入级：差分放大电路(2)中间级：电压放大电路(3)输出级：射极输出器10-2集成运算放大器概述2、符号图10-4运算放大器符号(1)同相输入端u+(2)反相输入端u-(3)输出电压u010-2集成运算放大器概述3、外形图10-5集成运放管脚图(1)圆壳形：F007型(2)双列直插形：F073型10-2集成运算放大器概述二、集成运算放大器的主要技术指标1、最大输出电压Uomax2、开环电压放大倍数AuOUUUAOuo)dB(UUlg20AiOuO10-2集成运算放大器概述3、输入失调电压Uio4、输入失调电流Iio2B1BioIII5、最大差模输入电压Uidmax6、最大共模输入电压Uicmax7、共模抑制比KCMR8、输入电阻rid10-3理想运算放大器图10-6理想运放图形符号一、理想化条件1、Auo≈02、ri≈∞3、ro≈04、KCMR≈∞5、Uio≈0，Iio≈010-3理想运算放大器二、理想运放的特征1、u-≈u+2、i-=i+≈0课外作业第10章习题P26710-110-4运算放大器的输入方式一、反相输入方式图10-7反相输入运放电路平衡电阻R2=R1//Rf1、闭环电压放大倍数Auf“虚地”：u-=u+=010-4运算放大器的输入方式f0f0fRuRuui1i1i1RuRuuiff1iiii1if0RuRu1fioufRRuuA10-4运算放大器的输入方式2、闭环输入电阻rif和输出电阻rof11iifRiur0rof反相器：Rf=R1时Auf=-1++－－图10-7反相输入运放电路ifRfi1R1i-u-u+i+uiR2uO++－∞10-4运算放大器的输入方式[例10-1]在图10-7中,已知R1=10KΩ,Rf=500KΩ。求闭环电压放大倍数Auf，输入电阻rif,平衡电阻R2。若ui=100mV，则uO为多少？[解]50101010500RRA331fufK10Rr1ifK8.9K5001050010R//RRf12mV500mV1050uAuiufO答案中的负号表示uO的极性与ui相反。10-4运算放大器的输入方式10-4运算放大器的输入方式二、同相输入方式图10-8同相输入运放电路1i11fRuRuRuifoifofRuuRuuifoi1iRuuRu1ififoRuRuRu1fi0ufRR1uuA当R1=∞，Rf=R2=0时，Auf=1电压跟随器图10-9电压跟随器10-4运算放大器的输入方式2、闭环输入电阻rif和输出电阻roffif≈∞rof≈010-4运算放大器的输入方式三、差分输入方式图10-10差分输入运放电路1、ui1单独作用时1i1f01uRRu2、ui2单独作用时3232i1f02RRRuRR1u10-4运算放大器的输入方式2i3231f1i1f02010uRRRRR1uRRuuu3、ui1和ui2同时作用时10-4运算放大器的输入方式∞+-uiduic+-R2R1R3uo+++--Rf图10-11例10-2[例10-2]分析图10-11中，uid和uic分别为何种类型的输入信号？欲使输出电压中不含uic，Rf应为何值？10-4运算放大器的输入方式[解]此题可运用叠加原理分别考虑单个输入信号起作用时的信号类型。当uid单独作用时(uic短路)，则uid一端接地，另一端经R1接反相输入端，故此为单端输入的差模信号。再设uic单独作用(uid短路)，则uic一端接地，另一端分别经R1和R2接反10-4运算放大器的输入方式相和同相输入端，故为双端输入的共模信号。现在再求输出电压：设uic=0，得uid单独作用时的输出电压uod为id1foduRRu10-4运算放大器的输入方式再设uid=0，求uic单独作用于反相输入端和同相输入端时的输出电压uoc为323ic1fic1focRRRuRR1uRRuic3231f1fuRRRRR1RR10-4运算放大器的输入方式根据叠加原理，若uid和uic共同作用时，输出电压为ic3231f1fid1focodouRRRRR1RRuRRuuu10-4运算放大器的输入方式欲使输出电压中不含uic，必须满足的条件是3231f1fRRRRR1RR10-4运算放大器的输入方式若R1=R2=R3，整理后得Rf=R1此时输出电压icidid1fouuuRRu不含10-5运算放大器的应用一、加法电路图10-12加法电路11i1Rui22i2Rui33i3Rui321fiiii3i3f2i2f1i1ffouRRuRRuRRRiu10-5运算放大器的应用若R1=R2=R3=R，则)uuu(RRu3i2iifo10-5运算放大器的应用二、减法电路图10-13减法电路2i3231f1ifouRRRRR1uRRu若R1=R2=R，R3=Rf，则)uu(RRu1i2ifo当Rf=R时，uo-ui2-ui110-5运算放大器的应用三、积分电路图10-14积分电路1i1fRuiidtuCR1dic1uui1tfco10-5运算放大器的应用++∞－uii1R1R2uouc+－+ifC图10-14积分电路[例10-3]在图10-14所示的电路中，设输入信号电压u1为一个负向的阶跃电压，如图10-15(a)所示，即0u,0tiiiUu,0t10-5运算放大器的应用设电容的初始电压为零,求输出电压uo的波形。uiuo-Uioott(a)(b)10-5运算放大器的应用[解]根据式(10-18)得tCRUdtuCR1u1ii1o可见，输出电压随着时间作线性增长，如图10-15(b)所示。R1C的值越小，uo的增长速度越快，在同样的时间内，曲线包含的面积越大，所以积分作用越强。当时间足够长时，运放趋于饱和，uo接近于正向电源电压。10-5运算放大器的应用四、微分电路图10-16微分电路fofRuidtduCii1dtduCRuifodtduCRuifo10-5运算放大器的应用[例10-4]在图10-16中，设输入信号电压为负向阶跃电压，在t=o时，由零跃变到-Ui,如图10-17(a)所示。求uo的变化波形。+图10-16微分电路ifRfi1CuCRuiuO++－∞－+10-5运算放大器的应用[解]若电容的初始电压为零，则t=0时的瞬间充电电流和输出电压都dtducii1dtduCRuifo趋于∞，但实际上由于信号源的内阻使uo只能是限值。当t≥0，ui为恒值，于是uo趋于零。uo的衰减过程，即微分的强弱,取决于电容器的充电时间常数，10-5运算放大器的应用即RfC的值。RfC值越大，uo衰减速度越慢，曲线包含面积越大,微分作用越强。Uo的波形见图10-17(b)。uiuo-Uioott(a)(b)图10-17微分电路10-5运算放大器的应用五、电压比较器图10-18电压比较器1、电压比较器①当ui＜UR时，放大器处于正饱和状态uo=+Um1②当ui＞UR时，放大器处于负饱和状态uo=-Um210-5运算放大器的应用++－∞URUo-Um2OUiuo+Um1Ui+URRR(a)(b)图10-18电压比较器-Um2O+Um1uO图10-19例10-5ωtωtuiuRO10-5运算放大器的应用10-5运算放大器的应用[例10-5]在图10-18中，若输入电压ui=Umsinωt,且UR＜Um，画出uo的波形。[解]当ui＜UR时，uo=+Um1；当ui＞UR时，uo=-Um2。所以uo是与ui同频率的矩形波，如图10-19所示。矩形波的幅值Um1和Um2取决于运放的正、负最大输出电压；正、负半周的宽度比例取决于参考电压UR的数值。10-5运算放大器的应用图10-20(a)为具有迟滞作用的电压比较器。图中反馈电阻Rf连接在同相输入端，形成正反馈电路，加速了比较器的翻转过程。当放大器处于正饱和状态时，输出电压uo=+Um1,RHf221mf22ofURRRURRRuu反馈电压10-5运算放大器的应用当ui＞URH时，比较器翻转，输出电压uo=-Um2。此时反馈电压RLf222mf22ofURRRURRRuu式中URH称为上阈值。此时若ui＜URH,输出状态保持不变，u0=+Um1。如图10-20(b)所示。10-5运算放大器的应用式中URL称为下阈值。由于是负饱和状态，URL为负值。因此，只有当ui≤丨URL丨时，才能使比较器从负饱和翻转为正饱和，从-Um1再一次翻转为+Um2。所以比较器的传输特性具有迟滞回线的形状，如图10-20(b)所示。10-5运算放大器的应用2、迟滞比较器①上阈值当ui＜URH时，uo=+Um1不变。当ui＞URH时，uo=-Um2f221mfRHRRRUuU②下阈值f222mfRLRRRUuU当ui≤URL时，uo=Um110-5运算放大器的应用[例10-6]在图10-20中，若输入电压为ui=Uimsinωt，且URH＜Uim，丨URL丨＜丨Uim丨，画出uo的波形图。[解]uo的波形如图10-21所示，可以看出，输出电压uo的过零时间滞后于输入电压ui的过零时间。10-5运算放大器的应用++－∞UoURLOuiuouiRi(a)(b)图10-20迟滞比较器+-ufURH+Um1-Um2R2Rf-Um2O+Um1uO图10-21例10-6ωtωtuiURHOURL10-5运算放大器的应用课外作业第10章习题P26710-210-6含理想运算放大器的电路分析[例10-7]图10-22(a)中已知输入电压ui，求输出电压uo。++－∞R1R2R3R4i1i3uiu0Ri2ABO+-+i4图10-22(a)[解法1]在结点A，i1+i2+i3=0，其中3BOAO32AO21iAO1Ruui,Rui,Ruui代入以上方程得0RuuRuRuu3BOAO2AO1iAO同法从结点B可得0RuuRuu3BOAO4OBO10-6含理想运算放大器的电路分析根据基本特征(1)uBO=0，消去以上方程组中的10-6含理想运算放大器的电路分析uAO，可得133221i24ORRRRRRuRRu10-6含理想运算放大器的电路分析[解法2]利用戴维宁定理可将图中AO点左边的电路等效为一个理想电压源USO和内阻RO串联的简单电路,其中USO为有源二端网络的开路电压,RO为除源内阻。等效后的电路见图10-22(b)。R0R3R4USOABO+-图1