【正文】 21 第二章 運算放大器 ?本章導讀 運算放大器是模擬集成電路中應用極為廣泛的一種器件。 本章先介紹集成運放內部的主要結構、理想運算放大器和電路模型，然后用線性電路理論分析由理想運放和電阻、電容等組成的簡單應用電路。 較早學習這些應用電路，有利于啟發(fā)同學們的創(chuàng)新思維，打破對電子技術的神秘感。 22 集成電路運算放大器 理想運算放大器 基本線性運放電路 同相輸入和反相輸入放大電路 的其他應用 SPICE仿真例題 第二章 運算放大器 23 集成電路運算放大器 ? 集成電路運算放大器的內部組成單元 ? 運算放大器的電路模型 24 集成運算放大器外形圖 1 25 集成運算放大器外形圖 2 26 ? LM324是四運放集成電路，它采用 14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。 四運放集成電路 LM324 運算放大器符號 27 集成電路運算放大器的內部組成單元 ov 輸入級 差分放大 A υ 1 中間級 電壓放大 A υ 2 輸出級 功率放大 A υ 3 = 1 P － － ＋_ Pv N ＋ Nv V + V － － － ＋ ＋ ＋ 1ov 2ov O 輸入輸出端口 P、 N、 O。 各級的作用？ 運放的代表符號。 oPNv v v、 、 的 參 考 電 位 點 ？正負電源的中間接點 ＋ ＋ － － 國標符號 常用符號 11()PNovv A v v??2 1 2 ()PNo v vv A A v v??()o v o PNv A v v??28 運算放大器的電路模型 ? 輸入電阻 ri較大，通常為 106Ω或更大； ? 輸出電阻 ro較小，通常為 100Ω或更??； ? 開環(huán)電壓增益 Avo的值較高，至少為 104； ? 受控電壓源： Avo(vP vN)。 P － － ＋_ Pv N ＋ Nv r i ＋ － ＋ － ()v o P NA v v?r o V + V － ov ＋ － V 1 V 2 供電電源 運算放大器的電路模型 電路模型及說明 29 運算放大器的電路模型 電壓傳輸特性 O ? o /V ?? P v N ) / m V 運算放大器電壓傳輸特性 正飽和 負飽和 + V om = V + － V om = V － 輸出電壓 vo不可能超越正負電源的電壓值。 若 Avo(vP vN) ≥V＋ ，則 vo =＋ Vom=V＋ 。 設 vP vN， 若 V－ Avo(vP vN) V＋ ，則 vo =Avo (vP vN) 。 若 Avo(vP vN) ≤V－ ，則 vo =－ Vom=V－ 。 當 vo =177。 Vom時輸入電壓的最小幅值 vP vN ＝？ vom /Avo 210 運算放大器的電路模型 ? 例 ：電路如圖所示，運放的開環(huán)電壓增益 Avo=106，輸入電阻 ri = 109 Ω，電源電壓 V+=+10V， V－ =－ 10V。（ 1）試求當 vo =177。 Vom=177。 10V時輸入電壓的最小幅值vP vN =？輸入電流 i i=？ （ 2）畫出傳輸特性曲線 vo =f (vP vN )。說明運放的兩個區(qū)域。 P － － ＋_ Pv N ＋ Nv r i ＋ － ＋ － ()v o P NA v v?r o V + V － ov ＋ － V 1 V 2 供電電源 運算放大器的電路模型 109 Ω 106 ＋ 10V － 10V 解 :(1)當 vo =177。 Vom時，輸入電壓最小幅值 vP vN ＝ vo /Avo ＝ 177。 10V/ 106 = 177。 10μV 輸入電流 i i= vP vN / ri ＝ 177。 10μV / 109 Ω ＝ 177。 1 10－ 8 μA 211 運算放大器的電路模型 ? 例 解 :(2)畫傳輸特性曲線 取 a點 (＋ 10μV , ＋ 10V)， b點 (－ 10μV , － 10V)，連接 a，b兩點得線段 ab，其斜率為 Avo=106， |vP vN|10μV ,電路工作在線性區(qū)，否則工作在非線性區(qū)。電壓傳輸特性曲線如左圖所示。 0 ?o/V ??P ?N) / μ V 例 2 . 1 . 1 運放電壓傳輸特性 a ( ＋ 10 μ V , ＋ 10V) b 10 － 10 ( 10 μ V , 10V) 10 30 － 10 － 30 212 理想運算放大器 近似理想運放模型 ? 輸出電壓 vo的飽和極限值等于運放的電源電壓，即+Vom=V+， Vom=V。 ? 開環(huán)電壓增益很高，差分輸入電壓（ vP vN）的值很小也可使運放進入飽和區(qū)。 ? 若 vo未達到飽和極限，則差分輸入電壓（ vP vN）必趨近于 0。當 vo處于 V+與 V之間，則運放必工作在線性區(qū)。 ? 內部的輸入電阻 ri的阻值很高，可近似地認為它為無窮大；由此可假定 iP＝ 0， iN＝ 0。 ? 內部的輸出電阻 ro的阻值很低乃至可以認為它為 0。 213 理想運算放大器 理想運放模型 ? 將近似理想運放的參數(shù)理想化（ +Vom=V+， Vom=V ， Avo ∞ ， iP＝ 0， iN＝ 0， ri＝ ∞ ， ro＝ 0），便可得到理想運放的模型 ? 該圖表示輸入端是開路的，即 ri≈∞ ， 輸出端電阻 ro≈0，輸出電壓 vo ＝ Avo(vP vN)，其中 Avo ∞ ＋ － ＋ － ()vo PNA v v?V + V － ov Nv Pv 運算放大器的電路模型 ri iP=0 iN=0 理想運放電路模型 ro 運放電路模型 214 基本線性運放電路 ?同相輸入和反相輸入是兩種最基本的放大電路，許多由運放組成的功能電路都以此為基礎。 ?在分析運放組成的各種應用電路時，其中的運放視為理想運放。 ? 同相放大電路 ? 電壓傳輸特性形狀與 Avo(vP vN) 密切相關，由于 Avo很大，導致性能不穩(wěn)定，怎么辦？ 215 同相放大電路 +_vi( + )( + )vpvnR1R2+_vo( + )+_vi( + )vpvnR1R2+_vo( + )+_vi diR= vn/ R