第九章运算放大电路

－ － ＋
vN
ri
－
ro
＋
Avo(vp-vN)
－
vo
开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百KΩ）； 输出电阻低（约几百Ω）； 漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低 。
8
四 电压传输特性
uo U＋
实际特性 近似特性
uo= f (ui)
分三个区域： 分三个区域： 线性工作区： ①线性工作区： |ud| <Uds=Usat/A, 则 uo=Aud ②正向饱和区： 正向饱和区： ud> Uds, 则 uo= U+ 反向饱和区： ③反向饱和区： ud<- Uds, 则 uo= -U-
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1. 反相比例运算 （1）电路组成 ） if RF + ui – i1 R1 i– R2 i+ – +
∞ ∆ ∆ ∆ ∆
（2）电压放大倍数 ） 因虚断，i+= i– = 0 ， 虚断， 所以 i1 ≈ if ui − u− i = u− − uo i1 = f RF R1 因虚短, 所以 –=u+= 0， 虚短 所以u ， 称反相输入端“ 称反相输入端“虚 地”— 反相输入的重要 特点
＋ ＋
Vp
－ － ＋
vN
＋
Avo(vp-vN)
－ －
vo
10
电压传输特性 uo= f (ui)
u– u+
– +
∞ + uo
∆ ∆ ∆ ∆
+Uo(sat) 理想特性
uo 线性区 u +– u –
O
线性区： 线性区： uo = Auo(u+– u–) 非线性区（饱和区）： 非线性区（饱和区）： u+> u– 时， uo = +Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat)
5
在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元 件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻 比较容易，而制造晶体管却最容易。 出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的 需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。
运放举例：LM741
2—反相输入端 反相输入端 3—同相输入端 同相输入端 6—输出端 输出端 4—正电源端 正电源端 7—负电源端 负电源端 1、5—接调零电位器 接调零电位器 闲置端（NC） 8—闲置端 闲置端
+
+ uo –
静态时u 对地电阻相同， 静态时 +、 u– 对地电阻相同， 所以平衡电阻 所以平衡电阻 R2 = R1 // RF
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结论： 结论：
① Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加 为负值， 极性相反。 在反相输入端。 在反相输入端。 有关， ② Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。 身参数无关。 ③ | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。 所以反相输入端 虚地” 反相输入端“ ④ 因u–= u+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”。
∞
+
uo –
+
= –50 ⁄ 10 = –5 R2 = R1 ⁄⁄ RF
2. 因 Auf = – RF / R1 = – RF ⁄ 10 = –10 故得 RF = –Auf × R1 = –(–10) ×10 =100 kΩ Ω R2 = 10 × 100 ⁄ (10 +100) = 9. 1 kΩ Ω
4
2.1 集成电路运算放大器
一、集成运算放大器的内部组成单元
输入端
输入级
中间级
偏置 电路
输出级
输出端
输 入 级：由差放构成 由差放构成，输入电阻高可减小零点漂移和抑制干 由差放构成 扰。 中 间 级：共射放大电路 共射放大电路。电压放大倍数高，用于电压放大。 共射放大电路 输 出 级：互补对称电路或射极输出器构成 互补对称电路或射极输出器构成。降低输出电阻， 互补对称电路或射极输出器构成 提高带载能力。 偏置电路：由恒流源电路构成。提供合适的偏流确定运放各级 的静态工作点。
-Uds O Uds -Uup-un
这 里 Uds 是 一 个 数 值 很 小 的 电 压 ， 例 如 Uom=13V, A =105，则Uds=0.13mV。 。
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2.2 理想运算放大器
理想运放及其分析依据 理想化条件： 理想化条件 1）开环电压放大倍数 Auo→∞ 2）差模输入电阻 rid→∞ 3）开环输出电阻 ro→0 4）共模抑制比 KCMRR→∞
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例1：电路如图所示，已知 R1= 10 kΩ ，RF = 50 kΩ 。 ：电路如图所示， Ω Ω 求：1. Auf 、R2 ； 2. 若 R1不变，要求 uf为 – 10，则RF 、 R2 应为 多少？ 不变，要求A 多少？ ， RF 解：1. Auf = – RF ⁄ R1 + ui – R1 R2 – +
实际特性
饱和区 –Uo(sat)
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理想运放工作在线性区的分析依据 u– u+ i– ∞ – + i+ + ∆ ∆ ∆ ∆
O
uo
因为 uo = Auo(u+– u– )， Auo → ∞ ， ro → 0 rid → ∞ 所以(1) 所以 差模输入电压约等于 0 即 u+= u– ,称“虚短” 称 虚短” (2) 输入电流约等于 0 即 i+= i– ≈ 0 ,称“虚断” 称 虚断” (3) 输出电压 o与负载无关 输出电压u Auo越大，运放的线性 越大， 范围越小， 范围越小，必须加负反 馈使其工作于线性区。 馈使其工作于线性区。
7 8 2 ∞ 6
8
7
6
5
741
3 1 4 5
LM741
1 2 3 4
6
二、运放代表符号
uu+
+ +
uo
国外常用符号 信号传 输方向 反相 输入端 +UCC 实际运放开环 电压放大倍数
国家标准规定符号
u– u+
同相 输入端
Auo
– + + uo 输出端 –UEE
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三、运算放大器的电路模型
＋ ＋
Vp
例2 测量电阻的电路如图所示。其中 ui = U = 10 V，输出 测量电阻的电路如图所示。 V，
解：(1)
Ｒx u o =－ Ｒ u i 1 Ｒ1
ui R1
+ U －
1M
Ｒ x= － u u o i
=－105 uo
(2) 查附录可知： 查附录可知：
Rx ∞ － + +
△
uo
－ V + 0~5V
CF741 型的最大输出电压为±13 V。 型的最大输出电压为± V。 因此， 的电压表无意义。 因此，选用量程为 50 V 的电压表无意义。
∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆
晶体管的集成电路，应用广泛 晶体管的集成电路， 运算功能：可模拟加、减、积分等运算 运算功能：可模拟加、 可用来放大直流和频率不太高的交流信号
2
2.1 集成运算放大器 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
3
1.掌握基本运算电路的构成及其 掌握基本运算电路的构成及其 信号运算关系； 信号运算关系； 2.掌握运算放大器线性应用与非 掌握运算放大器线性应用与非 线性应用的特点。 线性应用的特点。
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2.3 基本线性运放电路
电路形式： 电路形式： 反相放大电路
Zf
•
同相放大电路
Zf
Z1
•
Z1
•
Vs
N−
Vd
N−
Hale Waihona Puke P+•
Vo
•
Vd
Vs
P+
•
Vo
反馈类别： 反馈类别： 电压并联负反馈 分析要点： 抓住虚断与虚地： 分析要点： 抓住虚断与虚地： I d ≈ 0, V 闭环电压 增益： 增益：
AVF = −
运放线 性应用
信号的放大、 信号的放大、运算
有源滤波电路
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运算放大器在信号运算方面的运用
集成运算放大器与外部电阻、电容、 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体 器件等构成闭环电路后， 器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进 比例、加法、减法、微分、积分、对数、 行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反 对数、乘法和除法等运算 运算。 对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深 度负反馈。所以， 度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的 关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构与 参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。 参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。 改变输入电路和反馈电路的结构形式， 改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以 实现不同的运算。 实现不同的运算。
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2. 同相比例运算 （1）电路组成 ）
iF RF i1 R1 u– ∞ – + i i+
（2）电压放大倍数 ） 因虚断i+ = 0，所以 + = ui 虚断 ，所以u 0 − u− u− − uo R1 uo = 即 u− = R1 RF R1 + RF 虚短， 因虚短，所以 u– = ui ， + uo 反相输入端不“虚地” 反相输入端不“虚地” – RF uo = (1+ )ui R 1
•
电压串联负反馈 抓住虚断与虚短： 抓住虚断与虚短： • • • • Z1 VN = ⋅V o ≈ V P ≈ V s Z1 + Z f