模拟电路02运算放大器

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第二章运算放大器本章导读运算放大器是模拟集成电路中应用极为广泛的一种器件。本章先介绍集成运放内部的主要结构、理想运算放大器和电路模型，然后用线性电路理论分析由理想运放和电阻、电容等组成的简单应用电路。较早学习这些应用电路，有利于启发同学们的创新思维，打破对电子技术的神秘感。1 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2.5SPICE仿真例题第二章运算放大器2 2.1集成电路运算放大器1、集成电路运算放大器的内部组成单元2、运算放大器的电路模型3 集成运算放大器外形图14 集成运算放大器外形图25 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。四运放集成电路LM324运算放大器符号6 1、集成电路运算放大器的内部组成单元1、输入输出端口P、N、O。2、各级的作用？3、4、运放的代表符号。正负电源的中间接点7 2、运算放大器的电路模型输入电阻ri较大，通常为106Ω或更大；输出电阻ro较小，通常为100Ω或更小；开环电压增益Avo的值较高，至少为104；受控电压源：Avo(vP-vN)。1、电路模型及说明8 2、运算放大器的电路模型2、电压传输特性输出电压vo不可能超越正负电源的电压值。若Avo(vP-vN)≥V＋，则vo=＋Vom=V＋;设vP>vN，若V－∞，iP＝0，iN＝0，ri＝∞，ro＝0），便可得到理想运放的模型该图表示输入端是开路的，即ri≈∞，输出端电阻ro≈0，输出电压vo＝Avo(vP-vN)，其中Avo--->∞riiP=0iN=0理想运放电路模型ro运放电路模型13 2.3基本线性运放电路同相输入和反相输入是两种最基本的放大电路，许多由运放组成的功能电路都以此为基础。在分析运放组成的各种应用电路时，其中的运放视为理想运放。2.3.1同相放大电路2.3.2反相放大电路电压传输特性形状与Avo(vP-vN)密切相关，由于Avo很大，导致性能不稳定，怎么办？14 2.3.1同相放大电路a、输入信号vi加到运放的同相输入端“＋”和地之间。b、vn=vf=R1vo/(R1+R2)作用在反相输入端“－”，vf表示反馈电压。1、基本电路15 2.3.1同相放大电路vp(vi)2、负反馈基本概念vovnvidvo12345电压增益Av=vo/vi如何变化？16 2.3.1同相放大电路3、虚短和虚断vp(vi)vnvp≈vn或vid=vp－vn≈012345虚短：虚断：由于虚短(vp－vn≈0)且ri很大，则ip＝in≈017 2.3.1同相放大电路4、技术指标近似计算vp≈vn虚短：虚断：ip＝in≈0闭环电压增益Avvf输入电阻Ri18 2.3.1同相放大电路vp≈vn虚短：虚断：ip＝in≈00ro=0Ro04、技术指标近似计算输出电阻Ro19 2.3.1同相放大电路vo=vn≈vp=viAv=vo/vi≈15、电压跟随器20 2.3.1同相放大电路5、电压跟随器（应用示例）（a）（b）21 2.3.1同相放大电路6、例2.3.1直流电压表电路如图，磁电式电流表指针偏移满刻度时，流过动圈电流IM=100μA。当R1=20KΩ时，可测的最大输入电压VS(max)=?解：由虚短和虚断有VP=VS=VN,Ii=0，则有22 作业P46、P472.1.1;2.1.2;23 2.3.2反相放大电路1、基本电路虚地：由虚短vn≈vP=0，则有vn接近于地电位24 2.3.2反相放大电路2、几项技术指标的近似计算（1）电压增益虚地vn=0，虚断ip=in=0，则i1=i2，故有因此25 2.3.2反相放大电路2、几项技术指标的近似计算（2）输入电阻26 2.3.2反相放大电路2、几项技术指标的近似计算（3）输出电阻ro=0Ro027 2.3.2反相放大电路例2.3.2将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替，如下图所示。（1）求Av=vo/vi；解:(1)虚地vn=0，虚断in=ip=0,节点n和M的电流方程为可得28 2.3.2反相放大电路例2.3.2将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替，如下图所示。（2）该电路作为话筒的前置放大电路，若选R1＝51KΩ，R3＝R2＝390KΩ，当vo＝－100vi时，求R4。解:(2)当R1=51KΩ，R1=R2=390KΩ，Av＝－100，有解得R4＝35.2KΩ29 2.3.2反相放大电路例2.3.2将反相放大电路中的电阻R2用T型网络代替，如下图所示。（3）直接用R2代替T形网络，当R1=51KΩ，AV＝－100时，求R2。解:（3）若Av＝－100，用R2代替T形网络，则R2为T形网络代替反馈电阻R2的益处？30 2.3.2反相放大电路例2.3.3直流毫伏表电路表如下图所示。当R2>>R3时，（1）证明Vs=(R1R3/R2)IM；解:(1)虚地Vn=Vp=0，虚断IN=II=0，可得由（1）和（2）式可得当R2>>R3时31 2.3.2反相放大电路例2.3.3直流毫伏表电路表如下图所示。当R2>>R3时（2）R3=1KΩ，R1=R2=150KΩ，输入信号电压Vs=100mV时，通过毫伏表的最大电流IM(max)=?解:(2)已知条件（略）代入数据得32 2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.4.1求差电路2.4.2仪用放大器2.4.3求和电路2.4.4积分和微分电路归纳与推广33 2.4.1求差电路求差电路又称为差分放大电路，实现两个电压vi1、vi2相减。虚短（vp≈vn)，虚断（ii＝0），则接点n和p的电流方程为利用vp＝vn，联合(1)和(2)式，可解得(3)式如果选择阻值使R4/R1=R3/R2，则(3)式可变为(4)式34 2.4.1求差电路R4/R1=R3/R2输入电阻Ri和输出电阻Ro？35 2.4.1求差电路例2.4.1高输入电阻的差分放大电路如图所示，求输出电压vo2表达式，并说明该电路的特点。利用叠加原理求v02当R1=R21时36 2.4.1求差电路例2.4.1高输入电阻的差分放大电路如图所示，求输出电压vo2表达式，并说明该电路的特点。电路特点:1、通过两级放大电路实现求差功能。2、第一级为同相输入，电路的输入电阻为无穷大。37 2.4.2仪用放大器A1、A2虚短，则vR1=v1-v2A1、A2虚断，则iR1=iR2,即由(1)式得（2）式根据求差电路特性38 作业P46、P472.3.42.3.52.4.22.4.52.4.639 2.4.3求和电路电压vi1和vi2相加，可用如下求和电路实现。虚断(ii=0)，则i1＋i2＝i3又虚地(vn=0)，得变形得若R1=R2=R3，则如何修改电路消去(4)式中的负号？40 2.4.3求和电路例2.4.2某歌唱小组有一个领唱和两个伴唱，各自歌声输入分别输入三个话筒，电路如右图。(1)求vo表达式。(2)、(3)见下两页。解:(1)利用虚短(vp-vn=0)、虚断(ii=0)和虚地(vn=0)i1＋i2＋i3＝i4即41 2.4.3求和电路例2.4.2(2)当话筒电信号vs=vs1=vs2=vs3=10mV时，vo=2V，伴唱支路增益Av1=Av2，Av3=2Av1，求各支路增益。解:(2)将已知量代入42 2.4.3求和电路例2.4.2(3)选择电阻R1、R2、R3和R4的阻值(要求阻值小于100KΩ)。解:(3)根据为方便计算可先选择R4=100kΩ同理可得43 2.4.3求和电路可用同相放大电路实现求和功能。例：P49T2.4.5虚断(ii=0)，则i3＝i4,虚短(vn=vp)由叠加原理,当vi2=0时,得若R1=R2=R3=R4，则当vi1=0时，得44 2.4.4积分和微分电路1、积分电路分析：由虚断(iI=0)和虚地(vn=0),有i1=i2=i，电容器C以电流i1=vI/R进行充电。设电容器C的初始电压vc=0，则即45 2.4.4积分和微分电路1、积分电路（其阶跃响应）46 2.4.4积分和微分电路1、积分电路（例2.4.3）设积分电路和输入电压vI波形如右图所示。电路中电源电压V+=+15V,V－=－15V,R=10KΩ,C=5nF，在t=0时，电容器C初始电压vc=0，试画出输出电压vO的波形，并标出幅值。解：在t=0时，vO=0，当t1＝40μs时当t2＝120μs时47 2.4.4积分和微分电路2、微分电路分析：由虚断(iI=0)和虚地(vN=0),有i1=i2。设t=0时，电容器C的初始电压vc=0，信号vI接入后有则vN=0微分电路的电压波形48 归纳与推广前面分析了求和、求差、微分和积分等电路，它们都是右图中的Z1和Z2用简单的R、C元件代替组成的。一般它们可以是R、L、C元件的串联或并联组合。应用拉氏变换，Z1写成Z1(s),Z2写成Z2(s)，其中s复频率变量；因而有改变Z1(s)，Z2(s)的形式，即可实现各种不同数学运算。49 归纳与推广例：右图所示是一种比较复杂的运算电路，它的传递函数为上式第一、二两项表示比例运算；第三项表示微分运算，最后一项表示积分运算。50 设计设计一放大电路，采用±12V供电，电压放大倍数为50，输入阻抗为100KΩ。(1)采用同相放大电路；(2)采用反相放大电路；(3)如果采用单电源＋12V供电呢？51 同相放大电路52 反相放大电路53 采用单电源＋12V供电54 作业(P47、P48)2.4.72.4.82.4.92.4.1155