第2章

nullnull2.3 基本线性运放电路2.1 集成电路运算放大器概述2.4 同相输入和反相输入 放大电路的应用null集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路； null集成电路内部结构的特点：1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4. 二极管一般用三极管的发射结构成。null输入电阻 ri 大: 几十k  几百 k运算放大器的特点：共模抑制比 KCMRR 很大 输出电阻ro 小：几十  几百 开环电压增益A o 很大: 104  107运算放大器的符号：国际符号国内符号nullAo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。例：若UOM=12V，Ao=106， 则|ui|<12V时，运放 处于线性区。线性放大区 运放工作在线性区时的特点null由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。运放工作在线性区的特点在分析信号运算电路时对运放的处理2.3 基本运算电路2.3 基本运算电路2.3.1 同相放大电路2.3.2 反相放大电路null2.3.1. 同相放大电路电压串联负反馈同相比例运算电路利用虚短和虚断得输出与输入同相即nullnull电压跟随器电压跟随器null同相比例电路的特点：3. 对运放的共模抑制比要求高。1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。2. 由于串联负反馈的作用，输入电阻大。null输出与输入反相利用虚短和虚断得即2.3.2 反相放大电路反相比例运算电路电压并联负反馈null电路的输入输出电阻Ri=R1RP =R1 // R2uo为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。null当 R1=Rf 时,Auf= - 1 构成倒相器 null ⑤ 电压并联负反馈，输入、输出电阻低， ri = R1。共模输入电压低。 结论：① Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加 在反相输入端。Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。③ | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。④ 因u–= u+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”。null反相比例电路的特点：1. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。2. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。3. 由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。4. 在放大倍数较大时，该电路结构不再适用 。2.4 同相电路、反相电路的其他应用2.4 同相电路、反相电路的其他应用2.3.1 同相放大电路2.3.2 反相放大电路null1. 加法电路 根据虚短、虚断和N点的KCL得：加法运算null输出再接一级反相电路null例1：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 ~ +5V，现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0~+5V。uo = 0.5ui+2.5 Vnulluo =0.5ui +2.5 V =0.5 (ui +5) Vnull2. 减法电路第一级反相比例第二级反相加法（1）利用反相信号求和以实现减法运算null即减法运算null 从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。（2）利用差分式电路以实现减法运算 根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：nullnull用叠加原理分析同时所以若R3开路，输入输出关系如何变化？null电路如图所示分析方法一：利用虚短、虚断列出节点方程3. 加减法运算电路（1）（2）（3）null3. 加减法运算电路构成反相比例运算，有构成同相比例运算，有分析方法二：运用叠加原理分析null③④⑤⑤式代入③得⑥①式叠加⑥式null1. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小 。2. 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。比例运算电路与加减运算电路小结null电路如图所示，求输出电压的表达式解电路为同相输入输出电压一般表达式为代入即得例题2null电路如图所示，试求：输入输出关系即 输出电压 解：例题3对M节点应用KCL：应用虚短、虚断概念null利用虚短、虚断求解A3构成差分式减法电路,一般表达式为：所以且有电路如图示，试证明：例题4null试求图所示各电路输出电压与输入电压的运算关系式。例题5（a）null（b）null（D）null（d）运算关系为运算关系为null例6 试求下图uo与ui1和ui2之间的关系式.解:此电路为高输入阻抗的差动电路.A1构成同相输入比例运算A2构成差分减法运算null例7 试求下图的放大倍数，设RF>>R4.解：又或整理后所以null试求电路的输入电阻的表达式例题8由A1由A2null图示电路为电流-电压转换电路。求电路中 电阻R上的电流。图中 R1=R2=R3=R4=R例题9A1构成同相求和运算电路A2构成电压跟随器电路④②①③③代入①得：null例10 设计一个比例运算电路,要求输入电阻Ri＝20kΩ， 比例系数为-100。 可采用反相比例运算电路， R1＝20kΩ电路形式如图所示。解：Rf＝2MΩnull例11：设计一个加减运算电路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3解:(1) 画电路。 系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。null(2) 求各电阻值。uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3null4. 积分电路根据“虚短”，得根据“虚断”，得即因此电容器被充电，其充电电流为null式中，负号表示vO与vS在相位上是相反的。设电容器C的初始电压为零，积分运算所以null输入方波，输出是三角波。应用举例1：null在求解t1 到 t2时间段的积分时：nullnullnull5. 微分电路null例题12 电路如图，C1=C2=C，求运算关系解：根据虚短、虚断的原则，在N节点上有：在P节点上有①②③实现同相积分② 代入①得null例13 图示电路,电源电压为15V,ui1=1.1V,ui2=1V,试问接入输入电压后,输出电压由0上升到10V所需的时间.解:由A1得上升所用的时间为1s.由A2得null例题14 下图所示积分电路,如果R1=50kΩ.CF=1μF,输入波形如图所示,试画出输出波形.解:null求下图所示电路的输出电压.解:i=ic+if解之得例题15解非齐次微分方程null电路如图所示。 （1）写出uO与uI1、uI2的运算关系式；则为了保证集成运放工作在线性区，R2的最大值为多少？例题16（2）当RW的滑动端在最上端时， 若uI1＝10mV，uI2＝20mV，则uO＝？3）若uO的最大幅值为±14V，输入电压最大值 uI1max＝10mV，uI2max ＝20mV，最小值均为0V，null解：（1）求运算关系式①②③④⑤null （2）将uI1＝10mV，uI2＝20mV 代入上式，得uO＝100mVnull的最大值为20mV。若R1为最小值， 则为保证集成运放工作在线性区， 时集成运放的输出电压应为＋14V， 写成表达式为 R1min≈143Ω （3）根据题目所给参数，＝20mVR2max＝RW－R1min≈（10－0.143）kΩ≈9.86 kΩ故null试求出图示电路的运算关系。 例题17null设A2的输出为uO2。因为R1的电流等于C的电流， 又因为A2组成以uO为输入的同相比例运算电路， 解：所以运算关系为null（1）试求出uO与 uI的运算关系。 （2）设t＝0时uO＝0，且uI由零跃变为－1V，试求 输出电压由零上升到＋6V所需要的时间。例题18null（1）因为A1的同相输入端和反相输入端所接电阻相等, 电容上的电压uC＝uO，所以其输出电压 电容的电流 因此，输出电压 uO＝－10uIt1＝[－10×（－1）×t1]V＝6V， 故t1＝0.6S。即经0.6秒输出电压达到6V。解：同时又因为，A2构成电压跟随器（2）