运算放大器的电路模型

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1、§5－2运算放大器的电路模型一、运算放大器运算放大器简称运放，是一种多端集成电路，通常由数十个晶体管和一些电阻构成。现已有上千种不同型号的集成运放，是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。运放器件的电气图形符号如图(a)所示。运放在正常工作时，需将一个直流正电源和一个直流负电源与运放的电源端E+和E-相连[图(b)]。两个电源的公共端构成运放的外部接地端。图5－7运放与外部电路连接的端钮只有四个：两个输入端、一个输

2、出端和一个接地端，这样，运放可看为是一个四端元件。图中i-和i+分别表示进入反相输入端和同相输入端的电流。io表示进入输出端的电流。u-、u+和uo分别表示反相输入端、同相输入端和输出端相对接地端的电压。ud=u+-u-称为差模输入电压。运放工作在直流和低频信号的条件下，其输出电压与差模输入电压的典型转移特性曲线uo=f(ud)如图所示。该曲线有三个明显的特点：图5－81．uo和ud有不同的比例尺度：uo用V;ud用mV。2.在输入信号很小(

3、ud

4、<)的区域内，曲线近似于一条很陡的直线，即uo=f(ud)Aud。该直线的斜率与A=uo/ud成比例，A称

5、为开环电压增益，其量值可高达105～108。工作在线性区的运放是一个高增益的电压放大器。3．在输入信号较大(

6、ud

7、>)的区域，曲线f(ud)饱和于uo=Usat。Usat称为饱和电压，其量值比电源电压低2V左右，例如E+=15V,E-=-15V，则+Usat=13V,-Usat=-13V左右。工作于饱和区的运放，其输出特性与电压源相似。综上所述，运放在直流和低频应用时，其端电压电流方程为：式中IB-和IB+是反相输入端和同相输入端的输入偏置电流，其量值非常小，通常小于10-7A，可以近似认为等于零。uo=f(ud)是输出电压uo对差模输入电压ud的转移

8、特性。下面介绍运算放大器的两种电路模型。二、有限增益的运算放大器模型有限增益运放模型的符号和转移特性曲线如图5-9所示。图5－9由于实际运放的输入电流非常小，可以认为i-=i+=0，这意味着运放的输入电阻为无限大，相当于开路。图5－9(b)所示转移特性曲线是图5－8实际运放转移特性曲线的分段线性近似。有限增益运放模型可以由以下方程描述：有限增益模型可以工作于三个不同的区域时，其电路模型，分别如图(a)、(b)、(c)所示。1．线性区当

9、ud

10、<时，uo=f(ud)=Aud，运放等效为一个电压控制电压源，如图(a)所示。图5－10(a)2．正饱和区当ud>

11、时，uo=+Usat，运放的输出端口等效于一个直流电压源，如图(b)所示。3．负饱和区当ud<-时，uo=-Usat，运放的输出端口等效于一个直流电压源，如图(c)所示。图5－10三、理想运算放大器模型实际运放的开环电压增益非常大(A=105~108)，可以近似认为A=和=0。此时,有限增益运放模型可以进一步简化为理想运放模型。理想运放模型的符号如图(a)所示，其转移特性曲线如图(b)所示。图5－11理想运放模型可由以下方程描述:理想运放模型工作于线性区、正饱和区和负饱和区相应的电路模型，分别如图(a)、(b)、(c)所示。图5－12上式表明该理想运放

12、的输入端口既像一个开路（i-=i+=0），又像一个短路(ud=0)，这可等效为一个电流为零的特殊短路，因此，该模型又称为虚短路模型。当输入电压ud=0时，输出电压uo可以为-Usat到+Usat间的任何量值。此时，理想运放的模型为一个增益为无限大的电压控制电压源(VCVS)。工作于线性区的理想运放模型可以由以下方程描述名称时间名称时间1铁心变压器的电压波形5:012铁心变压器的电压电流关系2:403铁心变压器变比的测量2:354铁心变压器的电阻变换1:355铁心变压器的阻抗匹配2:146铁心变压器的频率特性4:057AC－DC变换器2:488运算放大器实验1

13、:569运放加法电路2:5310运放减法电路2:0811运放跟随器的应用2:5812负阻变换器实验2:3413负阻振荡器1:0914回转器变电阻为电导2:06根据教学需要，用鼠标点击名称的方法放映相关录像。郁金香