第12章运算放大器解读

电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路电工与电子技术基础华南理工大学电子与信息学院第12章集成运算放大电路12.1集成运放及其理想电路模型12.2集成运放的基本运算电路12.3集成运放的其他应用电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.1.集成运放及其理想电路模型运算放大器是由许多晶体管组成的集成电路。早期主要用于放大信号，完成信号的加法,积分，微分等数学运算因而被称为运算放大器。运算放大器:集成电路:将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路随着集成电路技术的发展，制造集成电路的成本越来越低，使集成运算放大器的应用越来越广泛。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路运算放大器的实际应用(1)信号的运算电路比例、加、减、对数、指数、积分、微分等运算。产生正弦波、方波、锯齿波等波形。(2)信号的处理电路(3)信号的产生电路有源滤波器、精密整流电路、电压比较器、采样—保持电路。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路1.运算放大器的组成（内部电路）iu12.1.1集成运放的组成及主要技术指标返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路集成运放LM324内部结构两个输入端一个输出端正电源负电源返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路集成运放的基本结构输入级中间级输出级反相端同相端T3T4T5T1T2ISuu0uCCUCCU返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路2脚：反相输入端3脚：同相向输入端4脚、7脚：正负电源端6脚：输出端1脚、5脚：外接调零端8脚：空脚运算放大器的表示符号8个管脚的运放μA74123451786EEuuouuuouA在电路符号图中一般不画出直流电源端。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路2.运算放大器的工作特性在反相端和同相端之间加一电压，可得输出uo和输入ui之间的电压传输特性曲线：iu线性区：iuuAuoo非线性区：oMoUu特点：线性区很窄，放大倍数很高。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路3.运算放大器的主要技术指标（1）开环电压放大倍数既是无负反馈时的放大倍数，一般实际运放的开还电压放大倍数为74o10~10uA（2）最大输出电压UoM既是在不失真的情况下输出的最大电压，此电压一般等于正、负电源的电压。即CCUUoM返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路（3）差模输入电阻ridrid通常为几兆欧。（4）差模输出电阻roro通常为几十欧。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路（5）共模抑制比KCMR既是差模放大倍数与共模放大倍数之比。cdodCMRAAK此值很高。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.1.2理想运放的条件及分析依据1.理想运放的条件(1)A(2)Ri(3)Ro02.理想运放工作在线性区的分析依据输入端的虚短)1(输入端的虚断)2(输入端的虚地)3(返回线性应用的条件：引入深度负反馈电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路2.理想运放工作在非线性区的分析依据(2)u+u-时，uo=-uo(sat)(1)u+u-时，uo=+uo(sat)非线性应用的条件：工作在开环状态或引入正反馈。电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路)(oouuAuu0ooouAuuuu0uuuuiu（1）输入端的虚短（2）输入端的虚断0iuruiiidi0ii返回线性应用：电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路（3）输入端的虚地0iiuu0u0uuu0u三个分析依据：返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路理性运算放大器的条件：①开环电压放大倍数Au0=∞;②输入电阻rid=∞③输出电阻ro=0。理性运算放大器工作在线性区的特点：是引入了深度负反馈，输入电压ui与输出电压uo之间为线性关系，即uo=-Au0*ui。理性运算放大器工作在非线性区的特点：是无负反馈，uo≠Au0*ui，uo=±uo（sat）12.2理想运算放大器工作在线性区的分析依据是什么？第十二章思考题12.1什么是理想运算放大器？理想运算放大器工作在线性区和饱和区各有什么特点？分析依据是：①输入端虚短，即u+=u-；②输入端虚断，即i+=i-；③输入端虚地，同相端接地时，u-=0。电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.2.集成运放的基本运算电路分析的问题：1.输出电压与输入电压之间的关系。运算电路：比例、加法、减法、积分与微分、对数与反对数及乘除法等运算。2.放大倍数3.分析输出波形4.设计运算电路返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路1.反相比例运放电路12.2.1比例运算电路1.电路结构2.利用虚短，虚断和虚地的概念分析f1f10iiiiii就有FoiRuuRuu1FoiRuRuu10求出1fRRuuAFiouiFuRRu1o返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路2.同相比例运算电路ouRRRuif110oiiuRRRuuuuf11又即1o1F1)1(RRuuAuRRuFiouio返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路3.电压跟随器,0,1时当FRRiouu同号器特点：输入电阻大，输出电阻小。存在串联电压负反馈。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路电压跟随器的作用1R2RLR1u2u2u1u1R2RLR2u负载电阻开路时:12122uRRRu接入负载电阻时:12122////uRRRRRuLL接入运放之后:12122uRRRu负载的接入不影响2u返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路【例12.1】已知电路如图所示，试求输出电压uo和静态平衡电阻R2、R3。解：iFuRRu)1(111oiFFFuRRRRuRRu)1(11421o42o243112////FFRRRRRR第一级为同相比例运算电路，即第二级为反相比例运算电路，即静态平衡电阻：返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路f3210iiiiiiiiFoiiiRuRuRuRuu1331221110Fo133122111RuuRuuRuuRuuiii)(133122111oRuRuRuRuiiiF)(,32111131211iiiFouuuRRuRRRR时当12.2.2加法运算电路)(,1321o1iiiFuuuuRR时当返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路【例12.2】。试求在图示电路中，已知o121,k5,k10V,1V,1uRRRuuFii解：V111oiFuRRuV4)11(2)(22o1oiuuRRu返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.2.3减法运算电路解：用叠加原理分析11o210iFiiuRRuuu。单独作用时，232311o12)1()1(0iFFiiuRRRRRuRRuuu。单独作用时，2323111ooo)1(iFiFuRRRRRuRRuuu返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路2323111ooo)1(iFiFuRRRRRuRRuuu）－（时，和当121o321iiFFuuRRuRRRR12o1iiFuuuRR－时，当返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路【例12.3】。试求输出电压已知电路如图所示。ouV9312)1(26261111o1RRRRu解：oo33o322uuRRu92oo1o3ouuuuV339ou返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.2.4积分运算电路11RuiidtduCiFofdtuCRuiF1o1f1ii【例12.4】已知积分电路的输入波形如图所示，试求输出电压的表达式，并画出输出波形。解：tCRUdtUCRdtuCRuFiiFiFo11111返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路【例12.4】已知积分电路的输入波形如图所示，试求输出电压的表达式，并画出输出波形。tCRUdtUCRdtuCRuFiiFiFo11111输出波形如图（b）所示。解：返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路tuiOtuoO如果输入为方波，输出是三角波。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.2.5微分运算电路u-=u+=0FRuiofdtduCdtduCiiC111f1iidtduCRuiFo1返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路练习一写出如图所示各电路中的输入、输出电压的关系式。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路由于运算放大器由多级直接耦合放大电路组成，其电压放大倍数极高，一般约为104～107。如果使用运方时不外接负反馈电路，运算放大器就工作在非线性区，不能实现线性放大。所以，在线性运算电路中要引入深度负反馈。反相比例运算电路中引入了并联电压负反馈，同相比例运算电路中引入了串联电压负反馈。因为电压跟随器引入串联电压负反馈，其输入电阻高，输出电阻低，所以在实际当中可以接在放大电路的第一级，提高放大电路的输入电阻；可以接在放大电路的最后一级，提高放大电路的输出电阻；也可以接在放大电路的中间一级，提高前级的电压放大倍数。工作在线性区。12.4为什么在运算电路中要引入深度负反馈？在反相比例运算电路和同相比例运算电路中引入了什么形式的负反馈？第十二章思考题12.3在信号运算电路中，运算一般工作在什么区域？12.5电压跟随器的输出信号和输入信号同相，为什么还要应用这种电路？电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.3.集成运放的其他应用产生正弦波、方波、锯齿波等波形(1)信号的处理电路(2)信号的产生电路有源滤波器、精密整流电路、电压比较器、采样—保持电路。运放的其他应用：返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.3.1线性应用1.电压－电流转换电路1110RuRuiiiiuuuiLi输出电流与输入电压成正比，与负载电阻无关。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路2.恒电压源电路ZFURRu1o输入信号从稳压管两端取出，输出电压与UZ成正比，输出电压稳定。改变RF,输出电压可调。返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路3.低通滤波器信号衰减。信号通过；截止频率,,ooofffff功能：输出低频信号，滤掉高频信号。幅频特性返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路电路分析：FFFCjRZRZ1//,11设1ofZZUUAFiu返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路电路分析：FFFFFFFFFFFiuCRjRRRCRjRRCjRCjRZZUUA1/1111111of21f)(1/FFFuCRRRA返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路21f)(1/FFFuCRRRA放大倍数最高。时，当1fm0RRAFu根据截止频率的定义确定截止频率所以，时，（当1)22ffFFmuuCRAAFFFFCRfCR211oo返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路12.3.2非线性应用非线性应用：运算放大器不外加负反馈，运放工作在开环状态或者正反馈状态。分析依据：mmUuuuUuuuoooo,,返回电工与电子技术基础第12章集成运算放大电路1.电压比较器oMooMoUuUuUu