运算放大器部分DOC.docx

运算放大器部分DOC.docx

《运算放大器部分DOC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运算放大器部分DOC.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

运算放大器部分DOC

运算放大器部分

第一节：

理想运算放大电路

一、运算放大器的理想性能运算放大器的内部线路图、外部符号图

特别提示：

运算放大器的内部是用很多三极管组成的差动放大器，结构复杂。

在学习魔鬼电路的起步阶段，要避免研究它的内部结构。

只需象记住三极管的特性一样，记住运算放大器非常有限的几个外部电气特性就可以了。

理想运算放大器的外部电气特性

1、同相端与输出端电压的变化相位相同

当运算放大器同相输入端的电压高于反向输入端电压的时候，输出端会向正电压方向变化。

2、反向端与输出端电压的变化相位相反

当运算放大器反相输入端的电压高于同相输入端电压的时候，输出端会向负电压反向变化。

3、输出端电压可以达到接近等于电源电压正极或负极的位置

4、开环电压放大倍数无穷大

运算放大器的同相输入端只要高于反相输入端的电压，无论电压有多小，输出端电压就会向正极方向发生无穷大的变化。

反过来，运算放大器的同相输入端只要低于反相输入端的电压，无论电压有多小，输出端电压就会向负极方向发生无穷大的变化。

运算放大器的反相输入端只要高于同相输入端的电压，无论电压有多小，输出端电压就会向负极方向发生无穷大的变化。

反过来，运算放大器的反相输入端只要低于同相输入端的电压，无论电压有多小，输出端电压就会向正极方向发生无穷大的变化。

5、运行速度无穷大

6、输入失调电压等于零

当运算放大器同相输入端和反相输入端的电压差等于零的时候，输出电压会稳定在电源正负压之间的某一点。

7、输入偏置电流等于零

8、输入失调电流等于零

9、电源共模抑制比无穷大

10、输入共模抑制比无穷大

11、输出负载能力无穷大

12、输入开环阻抗无穷大

13、输出阻抗等于零

二、同向比较器a、同向过零比较器电路运行原理

如图所示：

根据开环电压放大倍数无穷大的性能特点：

如果在运算放大器同相输入端加入一个很小的交流信号，每当交流信号越过零电压进入正半周的时候，输出端电压就会到达电源电压的正极。

相反，每当交流信号越过零电压进入负半周的时候，输出端电压就会达到电源电压的负极。

这个电路被称为同向过零比较器。

三、反向过零比较器电路运行原理

如图所示：

根据开环电压放大倍数无穷大的性能特点：

运算放大器的反相输入端是要高于同相输入端的电压，无论电压有多小，输出端电压就会向负极方向发生无穷大的变化。

如图C所示如果在运算放大器反相输入端加入一个很小的交流信号，每当交流信号越国林电压就如正半周的时候，输出端电压就会大大电源电压的负极。

相反，每当交流信号越过零电压进入负半周的时候，输出端电压就会达到电源电压的正极。

这个电路被称为反向过零比较器。

四、回差比较器

五、反向放大器

a、静态工作点

b、动态运行原理反向放大器电路结构如图所示：

a、反向放大器电路运行原理

反相比例运算放大器电路结构中，运算放大器的同相输入端接地。

当反向输入端信号电压为零的时候，输出端的电压如果大于OV，就会通过R1和R2串联回路；使得反向输入端的电压大于OV，从而使输出端的电压向负极变化。

如果输出端电压小于OV，就会通过R1和R2串联回路；使得反向输入端的电压小于OV，从而使输出端的电压向正极变化。

所以，只有当输出电压等于的0V时候，反向输入端的电压才会等于同相输入端的电压；等于0V。

才会既不具备使输出端电压为正；也不具备使输出端电压为负的条件。

电路结构性能会使输出端的电压总是稳定在UL=O的状态。

当反向输入信号电压为正1V的时候，反向输入端的正极电压会使输出端的电压向负极变化，R1和R2组成的反馈回路也会使反向输入端的电压随之向负极变化。

如果输出端的电压没有达到-10V，反向输入端的电压就仍然高于OV，输出端的电压就会继续向负极变化。

如果输出端的电压超过-10V，反向输入端的电压就会低于OV，输出端的电压就会反过来向正极变化。

只有当输出电压等于的-10V时候，反向输入端的电压才会等于同相输入端的电压，才会既不具备使输出电压继续向正极方向变化；也不具备使输出电压继续向负极方向变化的条件。

所以，电路结构性能会使输出端的电压稳定在-10V的状态。

电压放大倍数Av=-R2/R1

当反向输入信号电压为-1V的时候，根据同样的原理，电路结构性能会使输出端的电压稳定在+10V的状态。

电压放大倍数Av=R2/R1

由此可见：

反向比例运算放大器的电压放大倍数Av=R2/R1

d、输入阻抗

反向的运算放大器的同相输入端是直接接地的，电压总是等于零。

放大器在正常运行的时候，反向输入端得到的反馈电压总是等于同相输入端的电压（A点的电压总是等于零，这就是虚地现象）

所以反向比例运算放大器的输入阻抗Ri=R1

e、输出阻抗

比例运算放大器在正常运行的时候；输出电压总是满足使反馈在反向输入端的电压等于同相端的电压（UL=R2Ui/R1）。

如果在放大器输出端接上负载引起输出电压下降，那么下降的输出电压就会使反馈在反向输入端的电压不等于同相端的电压，于是又会引起输出端的电压回到UL=R2Ui/R1的参数。

　　所以，在运算放大器输出负载能力的范围之内，负载阻抗不会对放大器输出电压产生影响。

结论：

比例运算放大器的输出阻抗在理想情况下等于零。

f、运行维持电流

六、同相放大器

a、静态工作点

b、动态运行原理

同相比例运算放大器电路结构中，运算放大器的反向输入端接地。

当同相输入端信号电压Ui=O的时候，输出端的电压如果大于OV，就会通过R1和R2串联回路；使得反向输入端的电压大于OV，从而使输出电压向负极变化。

如果输出端电压小于OV，就会通过R1和R2串联回路；使得反向输入端的电压小于OV，从而使输出电压向正极变化。

所以，只有当输出电压等于的0V时候，反向输入端的电压才会等于同相输入端的电压；等于0V。

才会既不具备使输出端电压为正；也不具备使输出端电压为负的条件。

电路结构性能会使输出端的电压总是稳定在UL=O的状态。

当同相输入信号电压为正1V的时候，会使输出电压向正极变化，R1和R2组成的反馈回路也会使反向输入端的电压随之向正极变化。

如果输出端的电压没有达到+11V，反向输入端的电压就仍然同相端的电压；低于+1V，输出端的电压就会继续向正极变化。

如果输出端的电压超过+11V，反向输入端的电压就会高于同相端的电压；高于+1V，输出端的电压就会反过来向负极变化。

只有当输出电压等于的+11V时候，反向输入端的电压才会等于同相输入端的电压，才会既不具备使输出端电压继续向正极方向变化；也不具备使输出端电压继续向负极方向变化的条件。

所以，电路结构性能会使输出端的电压稳定在+11V的状态。

电压放大倍数Av=R2/R1+1

当同相输入信号电压为-1V的时候，根据同样的原理，电路结构性能会使输出端的电压稳定在-10V的状态。

电压放大倍数Av=R2/R1+1

　　由此可见：

同相比例运算放大器的电压放大倍数Av=R2/R1+1

d、输入阻抗

放大器在正常运行的时候，反向输入端得到的反馈的总是等于同相输入端的电压。

因此，同相输入端与反向输入端的电压差总是等于零。

所以，同相输入端与反向输入端总是不存在输入电流，相当于输入阻抗无穷大。

如果设置同相端对地电阻，那么同相比例放大器的输入阻抗就等于输入电阻。

e、输出阻抗比例运算放大器的输出阻抗

比例运算放大器在正常运行的时候；输出电压总是满足使反馈在反向输入端的电压等于同相端的电压（UL=R2Ui/R1）。

如果在放大器输出端接上负载引起输出电压下降，那么下降的输出电压就会使反馈在反向输入端的电压不等于同相端的电压，于是又会引起输出端的电压回到UL=R2Ui/R1的参数。

　　所以，在运算放大器输出负载能力的范围之内，负载阻抗不会对放大器输出电压产生影响。

结论：

比例运算放大器的输出阻抗在理想情况下等于零。

f、运行维持电流

七、加法器

a、静态工作点

b、动态运行原理

如图所示：

　　无论同相输入端的信号电压是多少，输出端的电压只有变化到使反向输入电压等于同相输入电压的时候，才不具备使输出电压继续向正极、或者向负极变化的条件。

输出电压总是精确地等于同相输入电压。

c、电压放大倍数

d、输入阻抗

e、输出阻抗

f、运行维持电流

八、积分器

a、静态工作点

b、动态运行原理

c、电压放大倍数

d、输入阻抗

e、输出阻抗

f、运行维持电流

九、微分器

a、静态工作点

b、动态运行原理

c、电压放大倍数

d、输入阻抗

e、输出阻抗

f、运行维持电流

十、简易波形发生器

a、静态工作点

b、动态运行原理

c、电压放大倍数

d、输入阻抗

e、输出阻抗

f、运行维持电流

第二节：

非理想放大器参数的意义和计算

一、运算放大器的极限参数及对放大器工作的影响

1、最高电源电压

运算放大器的最低和最高工作电源电压都是有限制的。

电源电压过低会使运算放大器不能正常工作，电源电压过高会使运算放大器造成损坏。

精密运算放大器的最佳电源工作电压在几十左右。

　　通用型运算放大器的最佳电源工作电压在几百左右。

高速运算放大器的最佳电源工作电压在几十左右。

最佳电源工作电压对比例运算放大器在应用方面的限制如图所示：

b、输出最高和最低电压与电源电压的接近程度

理想状态下，运算放大器输出端的电压最高可以到达电源电压的正极，最低可以到达电源电压的负极。

当运算放大器输出端的电压实际上不能达到这样的要求。

运算放大器最高和最低输出电压对实际应用方面的限制如图所示：

2、最大输出电流

运算放大器的电流输出能力通常是十分有限的。

精密运算放大器的电流输出能力在几十左右。

　　通用型运算放大器的电流输出能力在几百左右。

高速运算放大器的电流输出能力在几十左右。

电流输出能力对比例运算放大器在应用方面的限制如图所示：

3、精密输出电流

4、电源消耗电流

6、运行速度

理想运算放大器的运行速度是无限的，但运算放大器的实际运行速度也是非常有限的。

运算放大器的运行速度用V/uS来表示，也就是输出端电压在最高速运行的时候，每微秒的时间能够发生多大幅度的电压变化。

精密运算放大器的运行速度在几十左右。

　　通用型运算放大器的运行速度在几百左右。

高速运算放大器的运行速度在几十左右。

运行速度对比例运算放大器在应用方面的限制如图所示：

d、开环放大倍数

理想运算放大器的开环电压放大倍数无穷大，但实际的运算放大器开环电压放大倍数不是无穷大。

精密运算放大器的开环电压放大倍数在几十左右。

　　通用型运算放大器的开环电压放大倍数在几百左右。

高速运算放大器的开环电压放大倍数在几十左右。

开环电压放大倍数对比例运算放大器性能指标的影响如图所示：

二、运算放大器的失调参数及对放大器工作的影响

1、输入偏置电流

输入偏置电流对比例运算放大器输出静态工作点的影响如图所示：

理想运算放大器的输入偏置电流等于零，但实际上，只有场效应管组成的运算放大器输入偏置电流接近等于零。

普通三极管组成的运算放大器都存在输入偏置电流。

精密运算放大器的输入偏置电流在几十nA左右。

　　通用型运算放大器的输入偏置电流在几百nA左右。

高速运算放大器的输入偏置电流在几十uA左右。

1、当偏置电流恰好方便补偿的时候

2、当偏置电流为正方向的时候

3、当偏置电流为负方向的时候

2、输入失调电流

实际的运算放大器不仅有输入偏置电流，而且同相输入端和反相输入端的偏置电流还不一样。

这种输入键值电流之差被称为输入失调电流。

精密运算放大器的输入失调电流在几十左右。

　　通用型运算放大器的输入失调电流在几百左右。

高速运算放大器的输入失调电流在几十左右。

输入失调电流对比例运算放大器输出静态工作点的影响如图所示：

3、输入失调电压

理想运算放大器的输入失调电压等于零，但实际的运算放大器输入失调电压值不等于零的。

也就是同相输入端和反相输入端只有相差某个电压值的时候，输出端的电压才会处于电源电压政府及之间的位置。

这个相差的电压值就是输入失调电压。

　　精密运算放大器的输入失调电压在几十uV负左右。

　　通用型运算放大器的输入失调电压在几mV左右。

高速运算放大器的输入失调电压在十几～几十mV左右。

4、共模输入抑制比

理想运算放大器的电源电压共模抑制比和输入信号共模抑制比无穷大，但实际运算放大器的共模抑制比不是无穷大。

精密运算放大器的共模抑制比在几十左右。

　　通用型运算放大器的共模抑制比在几百左右。

高速运算放大器的共模抑制比在几十左右。

共模抑制比对比例运算放大器性能指标的影响如图所示：

5、共模电压抑制比

第三节：

运算放大器的系统设计

1、反向放大器

比例运算放大器的反相输入端和输出端之间的具有反馈电阻（不能用电容器隔将直流电压开），因为输出电压的静态工作点就是通过反馈电阻来得到稳定的。

1、反向放大器

A、直流反向比例运算放大器的结构如图A所示：

a、输入信号与放大器的输入端不能加耦合电容。

b、为保证同相输入端的电压等于零，同相输入端与地之间必须有电联系，同相端直接接地为最优选择，理想情况下不宜设置电阻（设置电阻会影响放大器的性能）。

c、电压放大倍数Av=R2/R1，因为反向运算放大器的输入阻抗Ri=R1，所以，设计电阻Ri和R1参数的时候，首先要使输入阻抗；也就是R1的电阻值符合要求，然后根据放大倍数计算R2。

交流比例运算放大器

B、交流反向比例运算放大器如图A所示：

a、输入信号与放大器的输入端加上耦合电容，能够隔开输入信号直流成分的干扰，有利于放大交流信号。

b、理想情况下同相输入端与地之间不宜设置电阻（设置电阻会影响放大器的性能）。

c、电压放大倍数Av=R2/R1，因为反向运算放大器的输入阻抗Ri=R1，所以，设计电阻Ri和R1参数的时候，首先要使输入阻抗；也就是R1的电阻值符合要求，然后根据放大倍数计算R2

2、同相放大器

比例运算放大器的反相输入端和输出端之间的具有反馈电阻（不能用电容器隔将直流电压开），因为输出电压的静态工作点就是通过反馈电阻来得到稳定的。

如图B所示：

a、因为要放大的是直流信号，输入信号必须直接加在运算放大器的同相输入端，所以不必设置同相输入电阻（同相端设置对的电阻只会降低输入阻抗）。

同相放大器

A、同相直流比例运算放大器的结构如图B所示：

a、因为要放大的是直流信号，输入信号必须直接加在运算放大器的同相输入端，所以不必设置同相输入电阻（同相端设置对的电阻只会降低输入阻抗）。

B、同相交流比例运算放大器

交流同相比例运算放大器如图B所示：

a、输入信号与放大器的输入端加上我和电容，能够隔开输入信号直流成分的干扰，有利于放大交流信号。

　　b、由于输入信号与同相端加上的隔直流电容，要保证同相输入端的静态电压等于零，同相输入端与地之间必须设置电阻。

因为同相比例运算放大器的同相输入端的阻抗无穷大，所以，设置了同相端接地电阻的比例放大器的输入阻抗直接等于接地电阻。

　　该电阻越大，越有利于提高放大器的输入阻抗，但越不利于放大器的性能指标。

所以，该电阻阻值的设计，以满足放大器输入阻抗的最低值为标准。

c、电压放大倍数Av=R2/R1+1，基本不受其他因素的制约。

3、加法器

4、积分器

5、微分器

6、跟随器

7、简易波形发生器

二、运算放大器的单电源设计：

如图所示：

1、R3和R4的作用

如果按图A所示设计反向运算放大器，由于同相端电压等于零，根据运算放大器的基本规则，放大器输出端的静态电压也应当等于零。

放大器只能输出半个波形的电压。

如果按图B所示设计反向运算放大器，分压电阻R3和R4给同相输入端提供了一个位于电源电压中间位置的基准电压。

根据运算放大器的基本规则，放大器输出端的静态电压也等于这个电压，放大器输出电压有最大的动态范围。

2、C1和C2的作用

C1和C2使基准电压与电源电压之间提供了顺畅的交流通路，为保障放大器的正常工作提供了有利条件。

具体原理是：

如果没有C1和C2。

a、当信号进入放大器输入端的时候，由于反向输入端处于虚地状态，R1上会产生电流IR1=Ui/R1，但由于反向输入端是虚地状态，电流并不能从反向输入端流向同相输入端。

于是又会信号发生器的电流必须来自分压电阻R3和R4，于是分压电阻上就会产生电压变化。

b、当输入信号被放大输出的时候，会在负载电阻RL上产生电流。

由于这个电流不能从同相输入端流入运算放大器的内部，而只能通过分压电阻由运算放大器的电源端流入运算放大器的内部，于是分压电阻上就会产生电压变化。

c、上述两种原因在分压电阻上引起的电压变化会使运算放大器基准点的电压发生波动。

对运算放大器的正常运行是不利的。

C1和C2的重要性显而易见。