运放原理介绍

波形变换
输入方波 积分输出三角波
0
0
vs vo vo
0
t t t
微分输出尖脉冲
对数、反对数变换器
对数变换器
R vs+ -
+
vBE VT
A
vo
利用运算法得： vs I Se
R
由于 vBE vo
整理得
vs vo VT ln IS R
缺点： vs必须大于0。 vo受温度影响大、动态范围小。
vI VREF
+
A
vo
由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压， 即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。
6.1.1 集成运放理想化条件下两条重要法则
理 想 运 放
Avd Rid
Rod 0 KCMR BW 失调和漂移0
推论
vo 因 v v 0 Avd
得 vo ( t )
注：拉氏反变换时 s
d dt
1 dt s
6.1.2 运算电路 加、减运算电路
反相加法器
因 v v 因 i 0 则 v 0 则 i1 i2 if
i1 vs1+
R1 i2 R2
if
Rf
-
vs2+ -
+
A
vo
Rf Rf vs1 vs 2 即 整理得 vo R1 R2 说明：线性电路除可以采用“虚短、虚断”概念外，还可 采 用叠加原理进行分析。 Rf v s1 令vs2=0 则 vo1 R1 例如 vo vo1 vo2 Rf vs 2 令vs1=0 则 vo2 R2
vs1 vs2 v o R1 R2 Rf
同相加法器
利用叠加原理： R2 vs1 R1vs 2 v R1 R2 R1 R2
R3 R1 vs1+ R2
Rf
+
R 则 vo (1 f )v R3 R2 vs1 R1vs 2 Rf (1 )( ) R3 R1 R2 R1 R2
由于 iC1 vs / R1
则
iC2 (VCC vB2 ) / R2 VCC / R2 iC1 R2 vB2 2.3VT lg 2.3VT lg( vs ) iC2 R1VCC R3 R3 vo (1 )v B2 2.3(1 )VT lg( Kvs ) R4 R4
A3 +
T4
iO T3 vo3 R 3
iY
vY RY -A + 2
T2
R2 vo2
RZ
vZ
分析方法一： 因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环， 则 iX iY iZ iO 由图 iX vX / RX
iY vY / RY iZ vZ / RZ
iO vO / R4
整理得
vO
则
R3 R2 vO ( v I VR ) R3 R1
精密转折点电路实现非线性的函数
vO1
vO2
vO3
vO3
R R (vI 1 VR1 ) R1 Rr1 R2 R (vI VR2 ) R2 Rr 2 R R (vI 3 VR3 ) R3 Rr 3 (vO1 vO2 vO3 )
v s v vs i1 R1 R1
A
vo
v vo vo if Rf Rf
输出电压表达式：
因 v 0
Rf vo vs R1
输入电阻 Ri R1
因深度电压负反馈 ， 输出电阻 Ro 0
同相放大器
类型：电压串联负反馈 因
if
Rf
v v
则 v vs
A
vo
+ vs2 Rf vs1
减法器
Rf v s1 令vs2=0， vo1 R1
R1
Rf R3 v s 2 R2 v ( 1 ) 令vs1=0， o2 vs2 R1 R2 R3 R3 则 vo vo1 vo2 (1 Rf ) R3 v s 2 Rf v s1 R1 R1 R2 R3
精密半波整流电路
工作原理： vI =0时 vO =0 D1、D2 vO=0 vI >0时 vO <0 D1、D2 vO=0 vI vI <0时 vO >0 D1、D2 vO= -(R2 / R1)vI vI 传输特性 输入正弦波 vO vO
由减法器A3得：
RG
若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6
vI2
-A v o2 2 +
R5
-A 3 + R6
vO
整理得 Avf
vo R 2R 4 (1 ) vI1 vI 2 R3 RG
有源反馈仪器放大器
T1、T2差放 T3、T4差放
vI1 R5 R6 T1 R1 R2 VCC -A 1 + vI2
三运放仪器放大器
由 v v 得 iG I1 I 2 vI1 RG 由 i 0 得 vo1 vo2 iG ( R1 R2 RG )
R6 R R vo 4 vo1 (1 4 ) vo 2 R3 R3 R5 R6
v v
+A 1 R1 iG R2 vo1 R3 R4
仪器放大器单片Βιβλιοθήκη Baidu成产品：
LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524等。
例：仪器放大器构成的桥路放大器
VREF
R
RT
R 仪器 放大器
to
R
RG
vo
温度为规定值时 RT =R 路桥平衡 vo =0 。
温度变化时 RT R 路桥不平衡 vo 产生变化。
6.1.5 电流传输器
实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚 短、虚断”运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出 只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。
集成运放基本应用电路
反相放大器
类型：电压并联负反馈 因
if Rf
v v
则 v 0
i1 vs+ R1
+
反相输入端“虚地” 0 因 i。 则 i1 if 由图
改进型对数变换器
iC1 R1 vs+ T1 iC2 T2 R2 vB2 VCC
R5
-A 1
+
+A 2 + R4 R3 RL vo -
（T1、T2特性相同） 由图
vB2 vBE2 vBE1
to
利用R4补 偿VT ，改善 温度特性。 vS大范围 变化时， vO 变化很小。
iC2 iC2 VT ln 2.3VT lg （很小） iC1 iC1
第六章 集成运算放大器及其应用电路
6.1 集成运放应用电路的组成原理 6.2 集成运放性能参数及对应用电路的影响 6.3 高精度和高速宽带集成运放
6.4 集成电压比较器
6.1 集成运放应用电路的组成原理
根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分： 线性应用电路和非线性应用电路两大类。
线性应用电路
电流传输器：通用集成器件，广泛用于模拟信号处理电路中。
电流传输器电路符号及特点
vY vX iX iY=0
Y
CC
X
iZ
Z
vZ
Y输入端： iY= 0，即 RY ；
X输入端： vX = vY ，且vX与 iX 大小无关，RX0 ；
i1
R1
+
注：同相放大器不存在“虚地” 。 i 0 因 则 i1 if
vs 0 v 由图 i1 R1 R1
A
vo
+ vs -
v vo vs vo if Rf Rf
Rf Rf 输出电压表达式： vo (1 )v s (1 )v R1 R1
因 i 0 输入电阻 Ri
A1、A2、A3对数放大器
A4反对数放大器 vO I S R4e

vo2 vo3 VT
vX I S RX v v BE1 VT ln Y v BE1 I S RY vZ VT ln I S RZ
R4 RZ v X v Y RX RY vZ
6.1.3 精密整流电路
利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成 对微小幅值电压进行整流的电路。
R4 RZ vX v Y （实现乘、除运算） RX RY vZ
iX
iX vX RX iY iY vY T2 -A + 2 -A + 1 R1 T1 vo1 T4
iO
R4
-A + 4 vO
iO T3 vo3 R 3
iZ
iZ vZ
RY
R2 vo2
A3 +
RZ
分析方法二：
vo1 v BE1 VT ln vo2 v BE2 vo3 v BE3
-R2 / R1 R1 D2
R2 D1
+
RL
vo
vo
-A +
-
t
vI
输出半波 - R2 vI R1
t
精密转折点电路
R2 D2 vI VR R3 R1 -A + D1 RL vo
+
vo
传输特性 vO
-R2 / R3 R3 V R1 R
-
vI
R3VR R1vI 由图 v R1 R3 R1 R3 当v- > 0，即 vI > -(R3 / R1)VR 时： vO <0 D1、D2 则 vO=0 当v- < 0，即 vI < -(R3 / R1)VR 时： vO >0 D1、D2
组成：集成运放外加深度负反馈。
因负反馈作用，使运放小信号 工作，故运放处于线性状态。
vs1 vs2 Z1
Zf
i
+
A
vo
Z1或Zf采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微 分等运算电路。
Z1或Zf采用非线性器件（如三极管），则可构成对数、反 对数、乘法、除法等运算电路。
非线性应用电路
组成特点：运放开环工作。
反对数变换器
R
T
vs+ vBE VT
+
A
vo
利用运算法则得
I Se
vo R
由于 vBE vs
v s VT
整理得
vo I S R e
缺点： vs必须小于0。 vo受温度影响大。
乘、除法器
iX iX vX RX iY -A + 1 R1 T1 vo1 iO R4 -A + 4 vO iZ iZ
A1放大器
vO
RG iG RS iS
T2 T4 IO
A2
+A 3 T3 IO
+ -
R3
A3跟随器
R4
A2跟随器
VEE
可证明 Avf
vo R R4 RS 3 vI1 vI 2 R4 RG
采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可构成低噪声、 高精度、增益可调的仪器放大器。
仪器放大器的应用
拉氏反变换得
1 vo RC
v dt
o s
t
有源微分器
利用拉氏变换：
Z f ( s) vo ( s ) vs ( s ) Z1 ( s ) R vs ( s ) sRCvs ( s) 1 /( sC )
C vs+ -
R
+
A
vo
拉氏反变换得
dv s v o RC dt
则 因
v v
Rid
则
i 0
说明：
v v
相当于运放两输入端“虚短路”。
虚短路不能理解为两输入端短接，只是(v–-v+) 的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放 正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。
i 0
相当于运放两输入端“虚断路”。
同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是 输入电流小到了可以忽略不计的程度。
因深度电压负反馈 ， 输出电阻 Ro 0
同相跟随器
因 由图得
v v vo v vs
+ vs -
-
Ri Ro 0 由于 Avf 1 所以，同相跟随器性能优于射随器。
+
A
vo
归纳与推广
当R1 、Rf为线性电抗元件时，在复频域内： 反相放大器 同相放大器
Z f ( s) vo ( s ) vs ( s ) 拉氏反变换 Z1 ( s ) Z f ( s) vo ( s ) [1 ]vs ( s ) Z1 ( s )
+
A
vo
积分和微分电路
有源积分器
方法一：利用运算法则
vs d ( vo ) C R dt
1 则 vo RC
R vs+ -
C
-
v dt
o s
t
+
A
vo
方法二：利用拉氏变换
1 Z f ( s) 1 /( sC ) vs ( s ) vo ( s ) vs ( s ) vs ( s ) sRC Z1 ( s ) R
vo1
D1 R
R R1 D2
VR1 Rr1
-A 1 +
R
R
vo2
D3 R
D4
vI
R2
-A 4 +
vO
vO
传输特性
VR2 Rr2
-A 2 + vo3
R D5 R D6
R/R1 R/R2 R/R3
R3
vI1 vI2 vI3
vI
VR3 Rr3
-A 3 +
6.1.3 仪器放大器
仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。 特点：KCMR很高、 Ri 很大， Av 在很大范围内可调。