同相比例运算放大器输入电阻的分析讲解.docx

同相比例运算放大器输入电阻的分析讲解.docx

《同相比例运算放大器输入电阻的分析讲解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同相比例运算放大器输入电阻的分析讲解.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

同相比例运算放大器输入电阻的分析讲解

渤海大学

本科毕业论文

题目同相比例运算放大器输入电阻的分析

完成人姓名王雷

主修专业物理学教育

所在院（系）物理系

入学年度2003年

完成日期2007年5月21日

指导教师李弋

同相比例运算放大器输入电阻的分析

王雷渤海大学物理系

摘要：

同相比例运算放大器，引入了电压串联负反馈，当运放具有理想特性时，输入电阻应为无限大，但当运放特性不理想时，输入电阻为一个有限值。

为了计算同相比例运算放大器的输入电阻，我首先研究了集成运放电路的内部结构，并以长尾式差分放大电路为例进行了分析。

因为同相比例运算放大器引入了电压串联负反馈，所以我又研究了一些和反馈有关的知识。

最后推导了同相比例运算放大器输入电阻的精确表达式，并指出有关文献中的输入电阻的几种表达形式均是精确式在不同条件下的近似值。

关键词：

运算放大器；同相比例；输入电阻；差分放大电路；反馈

AnalysisofInputResistorofNon-invertingOperationalAmplifier

WangleiDepartmentofPhysics,BoHaiUniversity

Abstract:

Non-invertingoperationalamplifier,hasintroducedthenegativefeedbackofthevoltageseries.whenoperationalamplifierhasanidealcharacteristic,inputresistorshouldbeaninfinity,butwhenthecharacteristicisnotidealenough,inputresistorshouldbeafinitevalue.Inordertocalculatetheinputresistorofnon-invertingoperational,firstlyIhavestudiedtheinnerstructureoftheoperationalamplifier’scircuitandtakenalong-tailedpairdifferentialamplifierasanexampletoanalyze.Becausenon-invertingoperationalampliferhasintroducedthenegativefeedbackofthevoltageseries,thereforeIhavestudiedsomereleventknowledgeaboutfeedback.Intheendtheaccurateexpressionofinputresistorofnon-invertingoperationalamplifierisdeducedinthepaper.Itispointedoutthatsomeexpressionsofinputresistorintherelativereferencesareallapproximatetotheaccurateexpressionunderdifferentproximalconditions.

Keywords:

operationalamplifier;non-invertingstyle;inputresistordifferentialamplifier;feedback

引言………………………………………………………………………1

一、长尾式差分放大电路………………………………………………1

（一）静态分析…………………………………………………………2

（二）动态分析…………………………………………………………3

二、反馈…………………………………………………………………6

（一）什么是反馈………………………………………………………6

（二）正反馈和负反馈…………………………………………………6

（三）四种负反馈组态…………………………………………………7

1.电压串联负反馈…………………………………………………7

2.电流串联负反馈…………………………………………………7

3.电压并联负反馈…………………………………………………7

4.电流并联负反馈…………………………………………………7

5.引入上述四种负反馈的原则……………………………………8

（四）对同相运算放大器的反馈类型的分析…………………………8

（五）电压串联负反馈电路的方块图…………………………………9

（六）电压串联负反馈放大电路的基本放大电路……………………10

（七）串联负反馈对输入电阻的影响…………………………………11

三、分析同相比例运算放大器的输入电阻……………………………12

（一）对同相比例运算放大器输入电阻分析…………………………13

（二）对同相比例运算放大器输入电阻的精确表达式的讨论………15

参考文献………………………………………………………………16

同相比例运算放大器输入电阻的分析

引言

图

（1）是同相比例运算放大器的一般形式。

同相比例运算放大器，引入了电压串联负反馈，当运放具有理想特性时，输入电阻应为无限大。

但当运放特性不理想时，输入电阻为一个有限值。

一、长尾式差分放大电路

为了计算同相比例运算放大器的输入电阻，我们首先要了解一下集成运放电路的内部结构。

集成运放的内部实质上是差分放大电路，我们以长尾式差分放大电路为例进行分析。

图

（2）所示为典型的长尾式差分放大电路。

由于

接负电源

，拖一个尾巴，故称长尾式电路，电路参数理想对称，

，

；

管与

管的特性相同，即

，

；

为公共的发射极电阻。

（一）静态分析

当输入信号

时，电阻

中的电流等于

管和

管的发射极电流之和，即

根据基极电路方程

，可以求出基极电流

或发射极电流

，从而解出静态工作点。

在通常情况下，

阻值很小（很多情况下

为信号源内阻），而且

也很小，所以

上的电压可忽略不计，发射极电位

，因而发射极的静态电流为

只要合理选择

的阻值，并与电源

相配合，就可以设置合适的静态工作点。

由

可得

和

由于

，所以

。

（二）动态分析

当差分放大电路输入共模信号时如图（3）所示。

当输入共模信号时，由于两边电路的输入信号大小相等极性相同。

所以发射极电阻

上的电流变化量

，发射极电位的变化量

，对于每只管子而言，可以认为是

流过阻值为

的射极电阻，如图（4）所示。

因此，与输出电压相关的

管一边电路对共模信号的等效电路如图（5）所示。

输入共模信号时的放大倍数为共模电压放大倍数，记作

，定义为

式中的

是

作用下的输出电压。

从图（5）中可知，

，

，所以

。

从图（5）可以看出，电路的输入电阻

；电路的输出电阻

。

当给差分放大电路输入一个差模信号

时，由于电路参数的对称性，

经分压后，加在

管一边的为

，加在

一边的为

，如图（6）所示。

由于E点电位在差模信号作用下不变，相当于接地；又由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下也不变，也相当于接地，因而

被分成相等的两部分，分别接在

管和

管的c-e之间；所以图（6）所示电路的等效电路如图（7）所示。

输入差模信号的电压放大倍数，记作

，定义为

式中的

是

作用下的输出电压。

从图（7）中可知

，

，所以

由此可见，虽然差分放大电路用了两只晶体管，但它的电压放大能力只相当与单管共射放大电路。

差分放大电路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价，换取了低温漂的效果。

从图（7）可以看出，电路的输入电阻

，它是单管放大电路输入电阻的两倍；电路的输出电阻

，也是单管共射放大电路的输出电阻两倍。

二、反馈

因为同相比例放大器，引入了电压串联负反馈，所以我们在这里了解一下和反馈有关的知识。

（一）什么是反馈

将输入量（输入电压或输入电流）的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入回路，用来影响其输入量（放大电路的输入电压或输入电流）的措施称为反馈。

按照反馈放大电路的主要功能可将其分为基本放大电路和反馈网络两部分，如图（8）所示。

前者主要功能是放大信号，后者主要功能是传输反馈信号。

基本放大电路的输入信号成为净输入量，它不但决定于输入信号（输入量），还与反馈信号（反馈量）有关。

（二）正反馈和负反馈

根据反馈的效果可以区分反馈的极性，使放大电路净输入量增大的反馈称为正反馈，使放大电路净输入量减小的反馈称为负反馈。

由于反馈的结果影响了净输入量，因而必然影响输出量。

所以，根据输出量的变化也可以区分反馈的极性，反馈的结果使输出量的变化增大时便为正反馈，使输出量的变化减小时便为负反馈。

根据图（8）可以用等式表示正反馈和负反馈。

正反馈：

净输入信号＝输入信号＋反馈信号

负反馈：

净输入信号＝输入信号－反馈信号

（三）四种负反馈组态

1.电压串联负反馈

从输出电压取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压比较，求得差值作为净输入电压进行放大，则称电路中引入了电压串联负反馈。

2.电流串联负反馈

从输出电流取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输出电压比较，求得差值作为净输入电压进行放大，则称电路中引入了电流串联负反馈。

3.电压并联负反馈

当输入信号为恒流源或近似恒流源时，若反馈信号取自输出电压，并转换成反馈电流，与输入电流求差后放大，则称电路中引入了电压并联负反馈。

4.电流并联负反馈

当输入信号为恒流源或近似恒流源时，若反馈信号取自输出电流，并转换成反馈电流，与输入电流求差后放大，则称电路中引入了电流并联负反馈。

5.引入上述四种负反馈的原则

（1）根据信号源的性质决定引入串联负反馈，还是并联负反馈。

当信号源为恒压源或内阻较小的电压源时，为增大放大电路的输入电阻，以减小信号源的输出电流和内阻上的压降，应引入串联负反馈。

当信号源为恒流源或内阻较大的电压源时，为减小放大电路的输入电阻，使电路获得更大的输入电流，应引入并联负反馈。

（2）根据负载对放大电路输出量的要求，即负载对其信号源的要求，决定引入电压负反馈或电流负反馈。

当负载需要稳定的电压信号时，应引入电压负反馈，当负载需要稳定的电流信号时，应引入电流负反馈。

（3）根据四种组态反馈电路的功能，在需要进行信号变换时，选择合适的组态。

若输入输出都是电压信号，应在放大电路中引入电压串联负反馈；若将电压信号转换成电流信号，应在放大电路中引入电流串联负反馈；若将电流信号转换成电压信号，应在放大电路中引入电压并联负反馈；若输入输出都是电流信号，应在放大电路中引入电流并联负反馈。

（四）对同相运算放大器的反馈类型的分析

如图（9）所示是同相输入运放的一般形式。

设输入电压

的瞬时极性对地为正，此时集成运放同相输入端电位

对地为正，因而输出电压

对地为正；

在

和

回路产生电流方向如图（9）中虚线所示，并且该电流在

上产生极性为左“－”右“+”的反馈电压

，使反相输入端电位对地为正；由此导致集成运放的净输入电压

的数值减小，说明电路引入了负反馈。

根据

、

和

的关系，说明电路引入的是串联负反馈。

令输出电压

，即将运算放大器的输出端接地，此时

将变为0，故电路中引入了电压