2.3基本线性运放电路P.ppt

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1、2 运算放大器,本章内容,2.1 集成运算放大器 2.2 理想运算放大器 2.3 基本线性电路 2.4 同相输入和反相输入放大电路的其他应用,电 子 技 术 DianZi,2 运算放大器,本章要求,1.了解集成运算放大器的基本组成。熟悉其电路模型、主要参数、电压传输特性。掌握其符号。,2. 掌握理想运算放大器的条件。,3. 熟悉用集成运放组成的同相、反相放大电路等基本 线性运放电路的工作原理，掌握用理想运算放大器的条件 分析线性运放电路，输出与输入的关系。了解负反馈的概念。,4. 熟悉用集成运放组成的求差电路、仪用放大器、求 和电路、积分电路和微分电路的工作原理、输出与输入的 关系和应用。,电

2、 子 技 术 DianZi,2 运算放大器,重点难点,重点：集成运算放大器的符号、理想运算放大器的条件、用理想运算放大器的条件分析线性运放电路，输出与输入的关系。,难点：集成运算放大器的模型、主要参数、电压传输特性、理想运算放大器的条件、用理想运算放大器的条件分析线性运放电路，输出与输入的关系。,电 子 技 术 DianZi,2.3 基本线性运放电路,集成运算放大器线性区很窄，趋向于 0 ，通常要引入 深度负反馈才能工作在线性区。所以，其输出信号和输入 信号的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数, 而与运算放大器本身的参数关系不大。,外部电阻、电容、半导体器件等引入深度负反馈与集 成运

3、算放大器构成闭环电路后, 能对各种模拟信号进行比 例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数 ( 指数 )、乘 法和除法等数学运算。,最基本的线性运用是比例运算，包括同相放大电路和 反相放大电路。,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。,电 子 技 术 DianZi,2) 简化画法,省去输入、输出电 压的参考方向和地 ( )， 只在输入、输出端标出输入、输出电压，意即另一端均为 地 ( )，参考方向由输入或输出端指向地 ( )。,2.3.1 同相放大电路,1. 基本电路 1) 电路组成,在输出端和反相输 入端之间接入电阻R2， 在反相输入端和地之间 接入电阻R1，输入电压 从

4、同相输入端输入。,电 子 技 术 DianZi,平衡电阻 R3 = R1 / R2,(同相比例运算电路),2. 负反馈的基本概念 1) 开环,输出回路与输入回路之间 没有连接电路，输出信号 (电 压或电流) 没有返送到输入回 路，输出信号不影响输入信号。,2.3.1 同相放大电路,集成运放线性区很窄, 最大不失真输入电压很小，只 要很小的 vid 即会工作在饱和区。,电 子 技 术 DianZi,(详见第7章),输出回路与输入回路之间 连接电路，输出信号 (电压或 电流) 返送到输入回路，输出 信号影响输入信号。,2.3.1 同相放大电路,2) 闭环,电 子 技 术 DianZi,2.3.1

5、同相放大电路,3) 反馈,反返，馈送,将放大电路的输出信号 ( 电压或电流 ) 经某电路返送 回输入端，与原输入信号叠 加，从而影响输入信号，控 制输出信号。,净输入电压,反馈电压,vi = vid + vf，vid = vi - vf,(1) 负反馈,反馈信号削弱原输入信号，减小净输入信号的反馈。,电 子 技 术 DianZi, 降低放大倍数,2.3.1 同相放大电路, 稳定输出信号,净输入电压vid = vi - vf,(2) 负反馈的作用,vo vf (vn) vid,加入负反馈 Av = vo/vi = vo/( vid + vf ),未加负反馈 Avo = vo/vid,自动调节,

6、减小净输入电压vid 以 扩大输入电压 vi 的线性范围。,电 子 技 术 DianZi, Avo,vP vn = vid = vo/Avo0 同相、反相输入端间近似短路。,2.3.1 同相放大电路,3. 虚短、虚断、虚地 1) 虚假短路(虚短),虚短和虚断两个重要概念，是分析运放线性应用电路的重要依据，必须熟练掌握。,3) 虚假接地(虚地) 若 vP = 0，则 vn vP = 0。 如同相输入端接地，反相输入端也近似接地。,2) 虚假断路(虚断) iP = in = vid/ri 0/ = 0 同相、反相输入端间近似断路。,电 子 技 术 DianZi,2.3.1 同相放大电路,4. 几项

7、技术指标的近似计算 1) 电压增益Av (1) 输出、输入电压关系,vn = vf = f (vo),vi = f (vn) = f (vf), 虚断，ip = in = 0 i1= i2 + in = i2, 虚短，vid = 0 vi = vid + vn = vn = vf,反相输入端不虚地,电 子 技 术 DianZi,2.3.1 同相放大电路,输出电压与输入电压成 正比，同相比例运算(放大)。,电 子 技 术 DianZi,2.3.1 同相放大电路,(2) 电压增益Av,+表示vo与vi同相,电压增益(电压放大倍 数)反映了放大电路对输入 电压的放大能力。,电 子 技 术 DianZ

8、i,2.3.1 同相放大电路,2) 输入电阻Ri, 虚断，ii = ip = 0,Ri反映了放大电路向 信号源索取的电流的大小。,Ri反映了放大电路从 信号源分得的电压的大小。,从输入端看进去的等效电阻,电 子 技 术 DianZi,2.3.1 同相放大电路,3) 输出电阻Ro, 运放输出电阻ro = 0 Ro = 0,从输出端看进去的等效电阻,Ro 越小，RL 变化时vo 变化越小，即越稳定，带负 载的能力越强。,输出电阻反映了放大电 路带负载的能力，越小越好。,电 子 技 术 DianZi,voo,例：Ro = 100，RL = 100k 200k，vo = ?,2.3.1 同相放大电路,

9、4) 特点,(1) 电压增益, Av1，不小于1。, Av 为正，vo 与 vi 极性相同。因为 vi 加在同 相输入端。, 理想情况下Av只与 外部电阻 R1、R2 有关，与 运放参数无关。,电 子 技 术 DianZi,2.3.1 同相放大电路,(2) 反相输入端不存在 虚地,vN = vP = vi 0,(3) 输入电阻高 Ri = vi / iN = vi / 0 =,(4) 输出电阻低 Ro = 0,电 子 技 术 DianZi,2.3.1 同相放大电路,例1,电 子 技 术 DianZi,：R1=30k，R2=60 k，RL=20k，Vom=12V， 分别求vi=2V，-5V时的v

10、o。,解：1. vi = 2V,Ro=0，放大 倍数与负载无关,？,2.3.1 同相放大电路,2. vi = -5V,vo = -12V,例1：R1=30k，R2=60 k，RL=20k，Vom=12V， 分别求vi=2V，-5V时的vo。,vimax = ?,电 子 技 术 DianZi,：R1=10k，R2=50 k，R3=30k，R4=20k， vi=2V，求vo和Av。,2.3.1 同相放大电路,？,例2,解：,？,电 子 技 术 DianZi,这是同相放大电路。,2.3.1 同相放大电路,解：,分压,例2：R1=10k，R2=50 k，R3=30k，R4=20k， vi=2V，求vo

11、和Av。,电 子 技 术 DianZi,2.3.1 同相放大电路,例3,输出电流与输入电压成比 例，负载电流与负载电阻的大 小无关，实现了线性变换。,负载不接地,：电压电流转换器。,电压电流转换器广泛应 用于放大电路和传感器的连接 处，是很有用的电子电路。,注意：虚短是指运放的同相端和反相端间输入电压近 似为 0。虚断是指流入运放同相端和反相端的输入电流近 似为 0。不要误认为运放输出端的电压、电流也是 0。,电 子 技 术 DianZi,：用电流表测量电压的电路。,2.3.1 同相放大电路,例2.3.1,电 子 技 术 DianZi,解：,vS = im R1 = 10010-6A2106

12、= 200V,特点：,(1) 能测量较小的电压(取较小的R1可得较大的im)。 (2) 输入电阻高(对被测电路影响小)。Ri = vS/iP = ,(3) 改变R1可改变量程(可测的最大电压)。 (4) 流过电流表的电流与其内阻Rm无关(便于更换)。, 输出电压 跟随输入电压变化。,2.3.1 同相放大电路,5. 电压跟随器,vo = vi,在同相放大电路中，,如果 R2 = 0 或 R1 =,则,运放电压跟随器的输入 电阻高、输出电阻低，跟随 性能比射极输出器好，常用 于阻抗变换器或缓冲器。,电 子 技 术 DianZi,：信号源电压为vS ，内阻Rs = 100k ，负载电 阻RL = 1

13、k。(图2.3.3),2.3.1 同相放大电路,例4,负载直接接信号源,负载经电压跟随器接信号源,负载上得到的电压,负载上得到的电压,vo = vn = vp = vS,输入电阻高,电 子 技 术 DianZi,2.3.1 同相放大电路,例5,电 子 技 术 DianZi,：R3=15k，R2=15k, R1=7.5k，Vi=15V，求vo。,解：,这是一电压跟随器。,输入电压Vi 经电阻分压后加在电压跟随器的输入端,负载 RL 变化时，其两端电压 vo 不会随之变化，精度和稳 定度较高，可用于基准电压。,注意：vo = vn = vp Vi,在输出端和反相输 入端之间接入电阻R2， 在反相输

14、入端和输入信,把同相放大电路的 同相输入端输入信号与 反相输入端接地端对调即得反相放大电路。,2.3.2 反相放大电路,1. 基本电路 1) 电路组成,平衡电阻 R3 = R1 /R2,2) 与同相放大比较,号之间接入电阻R1，输 入电压从反相输入端输 入，同相输入端接地。,电 子 技 术 DianZi,(反相比例运算电路),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Av (1) 输出、输入电压关系,vo = f (i2),vi = f (i1), 虚断，ii = in = ip = 0 i1= i2 + ii = i2, 虚短，vn = vp vn = vp =

15、0,虚地,i1 = f (i2),电 子 技 术 DianZi,-表示vo与vi反相,2.3.2 反相放大电路,(2) 电压增益Av,反相输入重要特点：反 相输入端虚地。,电 子 技 术 DianZi,虚地,输出电压与输入电压成 正比，反相比例运算(放大)。,2.3.2 反相放大电路,2) 输入电阻Ri,虚短，vn = vP, vn = vp = 0,电 子 技 术 DianZi,虚地,从输入端看进去的等效电阻,2.3.2 反相放大电路, 运放输出电阻 ro = 0 Ro = 0,电 子 技 术 DianZi,3) 输出电阻Ro,从输出端看进去的等效电阻,2.3.2 反相放大电路,4) 特点,

16、(1) 电压增益, Av 为负，vo 与 vi 极性相反。因为 vi 加在反 相输入端。, 理想情况下Av只与 外部电阻 R1、R2 有关，与 运放参数无关。,电 子 技 术 DianZi, | Av | 可大于 1，也 可等于 1 或小于 1。,2.3.2 反相放大电路,(2) 反相输入端存在虚 地,vN = vP = 0,(3) 输入电阻低 Ri = vi / i1 = R1,(4) 输出电阻低 Ro = 0,电 子 技 术 DianZi,虚地,2.3.2 反相放大电路,例1,解:,电 子 技 术 DianZi,：用电压表测量电阻的电路。VE = 10V，R1 = 1 M，Vo=-8V，R

17、x=?,：已知 R1 = R2 = R4 = 1 k，R3 = 10 k。试求: 1. S 断开时 Av；2. S 闭合时 Av。,2.3.2 反相放大电路,Av = - R3 /(R1+R2) = - 10 / (1+1) = - 5,例2,解：1. S 断开时,这是反相放大电路。,电 子 技 术 DianZi,vn = vp = - ipR5 = 0，“-”端虚地， R2、 R4并联。,i2 = R4 /(R2+R4) i1 = 1/(1+1)2/3vi = 1/3vi,2.3.2 反相放大电路,2. S 闭合时,i1 = vi /(R1+R2/R4) = vi /(1+1/1) = 2/

18、3vi,R4产生分流作用。,i2 = i3 + in = i3,i3 = (vn - vo)/R3 = -vo /10,1/3vi = -vo/10,vo / vi = -10/3 Av = vo / vi = -10/3,电 子 技 术 DianZi,虚地,2.3.2 反相放大电路,: 已知R1 = 10k，R2 = 100k，Vom = 12V，vi = 2 sint V，画 vo 波形。,解:,例3,vo = Avvi = -R2 /R1vi = -100 / 10vi = -10vi = -20sint V,vo = Vom = 12V,电 子 技 术 DianZi,？,2.3.2 反

19、相放大电路,例4,：电流电压转换器,vo = -if Rf + vn = -iS Rf + vp = -iS Rf,解:,虚短，vid = 0 vn = vid + vp = 0, 虚断，in = ip = 0 iS = if + in = if,输出电压与输入电流成比例，输出电压与负载电阻的 大小无关，实现了线性变换。,若RL固定，则输出电流与输入电流成比例，此时该电 路也可视为电流放大电路。,io = vo / RL = -Rf /RL iS,电 子 技 术 DianZi,2.3.2 反相放大电路,例5,：电压-电流变换器,负载接地,电 子 技 术 DianZi,解:,(1) 当 时,电压

20、-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和 传感器的连接，是很有用的电子电路。,2.3.2 反相放大电路,(2) 分母为零时电路自激。,电 子 技 术 DianZi,输出电流与输入电压成比 例，实现了线性变换。输出电 压与负载电阻的大小有关。,2.3.2 反相放大电路,例6,: 写出电压vo的表达式。,解：,vo = - 2R i2 + vn = vn = vi,电 子 技 术 DianZi, 虚断，in = ip = 0 i1 = in + i2 = i2 vp = ipR + vi = vi,虚短，vid = 0 vn = vid + vp = vi,i1 = (vi-vn) /R =

21、0,i2 = i1 = 0,2.3.2 反相放大电路,例2.3.2,：T型反馈网络反相放大电路。,(1)求Av,电 子 技 术 DianZi,2.3.2 反相放大电路,电 子 技 术 DianZi,2.3.2 反相放大电路,电 子 技 术 DianZi,(2) 若 R1 = 51 k，R2 = R3 = 390 k，vo = - 100 vi，求R4。,在相同Av下，T型反馈 网络单个反馈电阻大大减小。,2.3.2 反相放大电路,(3) R2代替T网络，R1=51k，Av=-100，求R2。,若希望有较高的输入电阻且放大倍数较大，则反馈电 阻会很大，大电阻的稳定性差，因此提出T型反馈网络。,引

22、入 R4 会增大电压放大倍数，使反馈系数减小，为 保证足够的反馈深度，应选用开环增益更大的集成运放。,电 子 技 术 DianZi,2.3.2 反相放大电路,例2.3.3,电 子 技 术 DianZi,：直流毫伏表电路，当 R2 R3时，,(1) 证明Vs = (R1R3/R2) IM；,(2) R1=R2=150k，R3= 1k，Vs=100mV时，通过毫 伏表的最大电流IM(max)=？,：已知vo = - 55vi，其余参数见图，求R5。,2.3.2 反相放大电路,例7,电 子 技 术 DianZi,解：A1构成同相比例运算电路。,A2构成反相比例运算电路。,2.3.2 反相放大电路,3. 反相器,若R2 = R1，则vo = -vi， Av = - 1。,= R1,= -vi,电 子 技 术 DianZi,2.3.2 反相放大电路,4. 同相、反相放大电路比较,同相放大电路 反相放大电路 电路组成 电压增益 输入电阻 输出电阻 特点 特例 电压跟随器 反相器,电 子 技 术 DianZi,