模拟电路备课笔记——运算放大器解读

运算放大器

集成电路运算放大器

内部组成单元

图2.1.1集成电路运算放大器内部结构框图

集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。

输入级：由BJT 、JFET 或MOSFET 组成的差分式放大电路，利用对称性提高整个电路的共模抑制比。

两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。

电压放大级：提高电压增益，由一级或多级放大电路组成。

输出级：由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。 偏置电路：为各级提供合适的工作电流。

辅助环节：电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。

电路模型

电路符号

传输特性

理想运算放大器

1. ∞→vo A ，∞→i r ，0→o r

2. 非线性区：n p v v >时，+=+V V om ；n p v v <时，-=-V V om

3. 线性区：n p v v ≈虚短，0≈≈n p i i 虚断

基本线性运放电路

同相放大电路

图2.3.1 同相输入电路

电压串联负反馈放大电路 n p i v v v ==，

11R v i i i f ==，i f f f o v R R i R R v )1()(1

1+=+= ∞→i R ，0→o R

特点：n p i v v v ==，运放存在共模输入信号，要求运放有较高的共模抑制比。

特殊应用：电压跟随器

反相放大电路

图2.3.2 反相放大电路

电压并联负反馈放大电路。

0==n p v v 虚地，

11R v i i i f ==，i f f f o v R R i R v 1

-=-= 1R R i =，0→o R

特点：0==n p v v ，运放两个输入端没有共模输入信号，对运放的共模抑制比没有特殊要求。

同相和反相放大电路的其它应用

求差电路

图 2.4.1 差分式求差电路 图 2.4.2 反相求和式减法电路

1.差分式减法电路

11

4232314)1(i i o v R R v R R R R R v -++= 若取1423R R R R =， )(121

4i i o v v R R v -= 2．反相求和式减法电路

11

1

1i f o v R R v -=，若11R R f =，则11i o v v = )()(21222122

i i f i o f o v v R R v v R R v -=+-

=

仪用放大器

求和电路

图2.4.3 反相加法电路

)(

11

3223i i o v R R v R R v +-= 积分和微分电路

1. 积分电路

图2.4.4 积分电路

R v i I =，dt v RC dt R v C v v I I c o ⎰

⎰-=-=-=11 假设输入信号I v 是阶跃信号，且电容初始电压为零，则

t RC

V v I o -= 输出电压与时间成线性关系。o v 达到运放输出电压最大值om V ，运放进入饱和状态，o v 保持不变。

积分误差：

集成运放IO V IB I IO I ，可选用输入级为FET 的BiFET 运放。

积分电容器的漏电流，可选用泄漏电阻大的电容器，如薄膜电容、聚苯乙烯电容器。

积分器可用作显示器的扫描电路或将方波转换为三角波等。

2. 微分电路

图2.4.5 微分电路

图2.4.6 微分电路波形

dt

dv RC iR v I o -=-= 输入电压为阶跃信号时，考虑到信号源总存在内阻，在t=0时，输出电压仍为一个有限值。 随着电容器的充电，输出电压将逐渐地衰减，最后趋近于零。

当输入电压为t v i ωsin =时，则输出电压t RC v o ωωcos -=。输出幅度将随频率的增加而线性地增加。说明微分电路对高频噪声特别敏感，故它的抗干扰能力差。

改进型的微分电路：R1起限流作用，R2和C2并联起相位补偿作用。

应用：自动控制系统PID 调节器。

对数和指数电路

1. 对数运算电路

图2.5.1 对数运算电路

利用半导体PN 结伏安特性，可以实现对数运算。

常将BJT 的集电极与基极短路，接成二极管形式，则在很宽范围（A 101039--=～C i ），C i 与BE v 有较精确的对数关系。 C i i R

v i == T B E T B E V v ES V v ES C e I e I i i //E )1(≈-=≈

ES T i T BE o I V R

v V v v ln ln +-=-= 输出电压幅度不能超过0.7V ，且0>i v ，以保证晶体管处于导通状态。

2. 指数运算电路

图2.5.2 指数运算电路

BE i v v =

T B E T B E V v ES V v ES e I e I i //E )1(≈-=

T i V v ES E o e RI R i iR v /-=-=-=

v。为了消除温度对运算电路产生的误差，也需要采用温度补偿。i

乘除运算电路

变跨导式模拟乘法器

图2.6.1 变跨导式二象限模拟乘法器 图 2.6.2 双平衡式四象限乘法电路 图 2.6.3 乘法器符号

T

EE T EE m V i V i g 22/≈=，R v i Y EE = Y X T

L C X L C m X e b L C X be L C o v v RV R R v R R g v r R R v r R R v 22||)2||()2||()2||('-=-≈-≈-

=ββ 缺点：Y v 小时误差大，0>Y v ，为二象限乘法器。