2-集成运放及其基本应用

差分 放大电路
RL
uId
uO
集成运放可等效为高性能的双端输入单端输出差分 放大电路。
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二、集成运放的符号及电压传输特性
集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。 高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、 共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小……
判断电路能否放大的基本出发点
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二、性能指标：研究的是动态性能。
对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。
输入电流 信号源 内阻 信号源 输入电压 输出电压
输出电流
1. 放大倍数：输出量与输入量之比
Uo Auu Au Ui
Io Aii Ai Ii
uO Rf (
uI1 uI2 uI3 ) R1 R2 R3
与反相求和运算电路 的结果差一负号
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3. 加减运算
利用求和运算电路的分析结果 设 R1∥ R2∥ Rf＝ R3∥ R4 ∥ R5
uI3 uI4 uI1 uI2 uO Rf ( ) R3 R4 R1 R2
uO1
Rf uI2 R2
Rf Rf uI1 uO3 uI3 R3 R1
uO uO1 uO2 uO3
Rf Rf Rf uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
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2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4＝ R∥ Rf
理想运放的参数特点：差模输入电阻rid为∞、输出电阻ro为 0、开环差模增益Aod为∞、共模抑制比KCMR为∞、频带无限 宽、温度对参数无影响。
•
问题：
1. 若将输入信号直接加在理想运放的输入端，则理想运放有 可能工作在线性区吗？ 2. 负载电阻的阻值变化时，理想运放的输出电压变化吗？为 什么？
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（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。
3、学习运算电路的基本要求
（1）识别电路； （2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。
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二、比例运算电路
1. 反相输入
+ iN=iP=0， uN=uP=0－－虚地 _ Au
Rf uO iF Rf uI R
1. 符号
极wk.baidu.com相同
极性相同
不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电， 有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是±VCC （常为±15V ）供电。
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二、电压传输特性:输出电压与输入电压的函数关系
uO f (uI ) f (uP uN )
必不可 少吗？
uI1 uI2 uI3 1 1 1 1 ( )uP R1 R2 R3 R1 R2 R3 R4
uI1 uI2 uI3 ) ( RP R1 ∥ R2 ∥ R3 ∥ R4 ) R1 R2 R3 u R R Rf u u R uO (1 f ) uP RP ( I1 I2 I3 ) f R R R1 R2 R3 Rf uP RP (
因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两 个输入端的输入电流也均为零，即
iP＝iN＝0 ——虚断路
“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放的 应用电路的两个基本出发点。
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2. 研究的问题
（1）运算关系：运算电路的输出电压是输入电压某种运 算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、 对数、指数等。 （2）描述方法：运算关系式 uO＝f (uI)
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一、差分放大电路的概念
1. 需求
测温 电桥
+V CC R R
uI1
Rt R
uI uI2
某一标准温度下 uI1＝uI２＝VCC/ 2 uI＝uI1－uI２＝0。
热电阻
环境温度变 化阻值变化
温度变化（即偏离标准温度）时， 产生ΔuI，这是放大的对象。
需要一种放大电路，对uI1和uI２共同的部分不放大，仅对 它们的差值放大。 —— 差分放大电路
Au
运算关系的分析方法：节点电流法
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同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器
uO uN uP uI
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三、加减运算电路
1. 反相求和 方法一：节点电流法
u N uP 0 iF iR1 iR 2 iR 3 uI1 uI2 uI3 R1 R2 R3
线性区 ±UOM的值决 定于什么？
uO Aod (uP uN )
开环差模增益 高达几十万倍 非线性区
输出不是高电平+UOM就是低电平-UOM 若±UOM= ±14V，Aod=105，则为保证集成运放工作在线性 区输入信号的范围为多少？
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三、理想运放及其动态等效电路
uO 1 uIdt RC
1 uO RC

t2 t1
uI dt uO (t1 )
若uI在t1～t 2为常量，则 uO
1 uI (t 2 t1 ) uO (t1 ) RC
3. 典型差分放大电路方框图
uI1 uO1
差分放大电路
uI2 uO2
典型的差分放大电路有两个 输入端、两个输出端，它们均 不直接接地，这种电路形式称 为双端输入、双端输出接法。
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（1）加差模信号时
uI1
uI
uI/2
差分放大电路
uO1
RL
uI2
uO2
差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性，故输入 回路和输出回路的中点电位不变，即动态电位为0，即为“地”。
uI1 uI2 uI3 uO iF Rf Rf ( ) R1 R2 R3
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1. 反相求和
方法二：利用叠加原理
首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所 有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。
同理可得 uO2
' o ' o
将输出等效 成有内阻的电 压源，内阻就 是输出电阻。
空载时输出 电压有效值
带RL时的输出电 压有效值
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3、通频带
衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信 号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。
在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果 简单明了，易于计算。
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2. 同相求和
设 R1∥ R2∥ R3∥ R4＝ R∥ Rf
i1 i2 i3 i4
uI1 uP uI2 uP uI3 uP uP R1 R2 R3 R4
若R1∥ R2∥ Rf≠ R3∥ R4 ∥ R5，uO＝?
Rf uO (uI2 uI1 ) R
实现了差分 放大电路
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四、积分运算电路和微分运算电路
1. 积分运算电路
iC iR uI R
1 uI uO uC dt C R
扩音机的 fL和 fH为多少？
上限频率
下限频率
f bw f H f L
4、最大不失真输出电压Uom：交流有效值。 5、最大输出功率和效率：功率放大电路的主要指标参数。
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§2.2 集成运算放大电路
一、差分放大电路的概念
二、集成运放的符号及电压传输特性 三、理想运放及其动态等效电路
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§2.1 放大的概念与放大电路的 性能指标
一、放大的概念 二、放大电路的性能指标
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一、放大的概念
VCC
至少一路直流电源 供电，是能源
输入信号为零时为静态。
放大的对象：变化量
常用正弦波做测试信号 放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现 能够控制能量的元件 放大的特征：功率放大 放大的基本要求：不失真——放大的前提
反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路 来影响输入量，称为反馈。 正、负反馈：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正 反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。
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（2）工作在线性区的特点
由于uO为有限值，Aod＝∞，因而净输入电压uP－uN＝0， 即 uP＝uN ——虚短路
uI 在节点N： iF iR R
保证输入级的对称性 R’=R∥Rf
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2. 同相输入
uN uP uI
集成运放的 共模输入
uI iN iP 0, iRf iR R
uO iR ( R Rf )
Rf Rf uO (1 ) u N (1 ) u I R R
§2.3 理想运放组成的基本运算电路
一、概述
二、比例运算电路 三、加减运算电路 四、积分运算电路和微分运算电路
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一、概述
1.理想运放的线性工作区域
uO Aod (uP uN )
有限值 无穷小 无穷大 无源 网络
（1）电路结构 为保证理想运放工作在线 性区，必须引入负反馈。 uO ↑→ uN↑→ uO ↓
（2）加共模信号时
uIc
差分 放大电路
RL
uO
差分放大电路具有理想 对称性，温度变化所引起 晶体管参数的变化可等效 为共模信号输入。
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4. 差分放大电路的放大倍数
差模放大倍数
uOd Ad uId
绝对值 越大越好
绝对值
共模放大倍数
uOc Ac uIc
模拟电子技术基础
Fundamentals of Analog Electronic
第二章 集成运放及其基本应用
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第二章 集成运放及其基本应用
§2.1 放大的概念与放大电路的性能指标 §2.2 集成运算放大电路 §2.3 理想运放组成的基本运算电路 §2.4 理想运放组成的电压比较器
K CMR Ad Ac
越小越好 越大越好
共模抑制比
为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号 的能力，引入参数—共模抑制比。
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5. 差分放大电路的四种接法
由于在实际应用场合为避免干扰输入信号源有接地 端，为负载安全负载常需有接地端，故差分放大电路 有四种接法，即双端输入双端输出、双端输入单端输 出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。 双端输入、单端输出电路：
Uo Aui Ii
Io Aiu Ui
电压放大倍数是最常被研究和测试的参数
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2. 输入电阻和输出电阻
从输入端看进去的 等效电阻
Ui Ri Ii
输入电压与 输入电流有 效值之比。
U Uo U Ro ( 1) RL Uo Uo RL
利用叠加原理求解： 令uI2= uI3=0，求uI1单独 作用时的输出电压
uO1 (1 R2 ∥ R3 ∥ R4 Rf ) uI1 R R1 R2 ∥ R3 ∥ R4
同理可得， uI2、 uI3单独作用时的uO2、 uO3，形式与 uO1相同， uO =uO1+uO2+uO3 。
物理意义清楚，计算麻烦！
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2. 共模信号和差模信号
共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号 大小相等、极性相同，则称之为共模信号。 差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号 大小相等、极性相反，则称之为差模信号。 对差分放大电路的要求：放大差模信号、抑制共模信号