电气工程集成运算放大器习题及答案.docx

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电气工程集成运算放大器习题及答案

第二章集成运算放大器

题3.2.1某集成运放的一个偏置电路如图题，设T1、T2管的参数完全相同。

问：

（1）T1、T2和R组成什么电路？

（2）IC2与IREF有什么关系？

写出IC2的表达式。

图题3.2.1

解：

（1）T1、T2和R2组成基本镜像电流源电路

（2）

题3.2.2在图题，已知晶体管的β=80，rbe=2kΩ。

（1）求输入电阻Ri和输出电阻Ro；

（2）求差模电压放大倍数

。

图题3.2.2

解：

（1）Ri=2（rbe+Re）=2×（2+0.05）=4.1kΩ

Ro=2Rc=10kΩ

（2）

题3.2.3在图题，设T1、T2管特性对称，β1=β2=100，VBE=0.7V，且rbb′=200Ω，其余参数如图中所示。

（1）计算T1、T2管的静态电流ICQ和静态电压VCEQ，若将Rc1短路，其它参数不变，则T1、T2管的静态电流和电压如何变化？

（2）计算差模输入电阻Rid。

当从单端（c2）输出时的差模电压放大倍数

=?

；

（3）当两输入端加入共模信号时，求共模电压放大倍数

和共模抑制比KCMR；

（4）当vI1=105mV，vI2=95mV时，问vC2相对于静态值变化了多少？

e点电位vE变化了多少？

解：

（1）求静态工作点：

若将Rc1短路，则

（不变）

（不变）

（2）计算差模输入电阻和差模电压放大倍数：

（3）求共模电压放大倍数和共模抑制比：

（即36.5dB）

（4）当vI1=105mV，vI2=95mV时，

所以，VO2相对于静态值增加了285mV。

由于E点在差模等效电路中交流接地，在共模等效电路中VE随共模输入电压的变化而变化（射极跟随器），所以，

，即e点电位增加了100mV。

题3.2.4差分放大电路如图题，设各晶体管的β=100，VBE=0.7V，且rbe1=rbe2=3kΩ，电流源IQ=2mA，R=1MΩ，差分放大电路从c2端输出。

（1）计算静态工作点（IC1Q，VC2Q和VEQ）；

（2）计算差模电压放大倍数

，差模输入电阻Rid和输出电阻Ro；

（3）计算共模电压放大倍数

和共模抑制比KCMR；

（4）若vI1=20sinωtmV，vI2=0，试画出vC2和vE的波形，并在图上标明静态分量和动态分量的幅值大小，指出其动态分量与输入电压之间的相位关系。

图题3.2.4

解：

（1）计算静态工作点：

（2）计算差模电压放大倍数，输入电阻和输出电阻：

（3）计算共模电压放大倍数和共模抑制比：

（即88dB）

（4）若vI1=20sinωtmV，vI2=0，则

（V）

（V）

vC2和vE的波形如图，它们的动态分量与输入电压vI1之间都相位相同。

图3.2.4

题3.2.5FET组成的差分放大电路如图题mS，rds=20kΩ。

（1）求双端输出时的差模电压放大倍数

；

（2）求单端输出时的差模电压放大倍数

、共模电压放大倍数

和共模抑制比KCMR；

图题3.2.5

解：

（1）双端输出时，

（2）单端输出时，

（即26.3dB）

题3.2.6采用射极恒流源的差分放大电路如图题，β1=β2=50，rbb′=300Ω，T3管β3=50，rce3=100kΩ，电位器Rw的滑动端置于中心位置，其余元件参数如图中所示。

（1）求静态电流ICQ1、ICQ2、ICQ3和静态电压VOQ；

（2）计算差模电压放大倍数

，输入电阻Rid和输出电阻Ro；

（3）计算共模电压放大倍数

和共模抑制比KCMR；

（4）若vI1=0.02sinωtV，vI2=0，画出vO的波形，并标明静态分量和动态分量的幅值大小，指出其动态分量与输入电压之间的相位关系。

图题3.2.6

解：

（1）求静态工作点：

（2）计算差模性能指标：

Rid=2（Rb+rbe1）+（1+β）Rw=2×（5+2.2）+51×0.1=19.5kΩ

Ro=Rc=10kΩ

（3）计算共模性能指标：

（即72.6dB）

（4）若vI1=0.02sinωtV，vI2=0时，则

vO波形如图所示，其动态分量与vI1之间相位相同。

题3.2.7在图题，设各晶体管均为硅管，β=100，rbb′=200Ω。

（1）为使电路在静态时输出直流电位VOQ=0，Rc2应选多大？

（2）求电路的差模电压放大倍数

；

（3）若负电源（－12V）端改接公共地，分析各管工作状态及VO的静态值。

图题3.2.7

解：

（1）当VOQ=0时，ICQ3·Rc3=Vcc，∴ICQ3=VCC/Rc3=12/12=1mA

IRc2=ICQ2-IBQ3=0.12-0.01=0.11mA

（2）求差模电压放大倍数

：

第二级（CE反相放大级）输入电阻为Ri2：

Ri2=rbe3+（1+β3）Re3=2.83+101×0.25=28.1kΩ

差模放大级：

反相放大级：

∴

（3）若负电源（-12V）端改为接地，则因静态时VB1=VB2=0，故T1、T2管处于截止状态，ICQ2=0，VB3=12V，所以T3管也处于截止状态。

故VOQ=0。

题3.2.8三级放大电路如图题，已知：

rbe1=rbe2=4kΩ，rbe3=1.7kΩ，rbe4=rbe5=0.2kΩ，各管的β=50。

图中所有电容在中频段均可视作短路。

试画出放大电路的交流通路，计算中频电压放大倍数

，输入电阻Ri和输出电阻Ro。

图题3.2.8

解：

交流通路为：

图3.2.5

输入级差分放大电路的电压放大倍数为

（rbe3是中间级的输入电阻）

中间级共射放大电路的电压放大倍数为

（Ri3是输出级的输入电阻）

其中，

输出级的电压放大倍数近似为1

所以，总的电压放大倍数为：

输入电阻和输出电阻为：

题3.2.9判断下列说法是否正确：

（1）由于集成运放是直接耦合放大电路，因此只能放大直流信号，不能放大交流信号。

（2）理想运放只能放大差模信号，不能放大共模信号。

（3）不论工作在线性放大状态还是非线性状态，理想运放的反相输入端与同相输入端之间的电位差都为零。

（4）不论工作在线性放大状态还是非线性状态，理想运放的反相输入端与同相输入端均不从信号源索取电流。

（5）实际运放在开环时，输出很难调整至零电位，只有在闭环时才能调整至零电位。

解：

（1）错误。

集成运放可以放大交流信号。

（2）正确。

（3）错误，当工作在非线性状态下，理想运放反相输入端与同相输入端之间的电位差可以不为零。

（4）正确。

（5）正确。

题已知某集成运放开环电压放大倍数Aod＝5000，最大电压幅度Vom＝±10V，接成闭环后其电路框图及电压传输特性曲线如图题，设同相端上的输入电压vI＝（0.5+0.01sinωt）V，反相端接参考电压VREF＝0.5V，试画出差动模输入电压vId和输出电压vO随时间变化的波形。

图题

解：

vO=Aod·vId=5000×0.001sinωt=50sinωt（V），但由于运放的最大输出电压幅度为Vom=±10V，所以当｜vId｜≤2mV时，按上述正弦规律变化；而当｜vId｜＞2mV时，vO已饱和。

输出电压波形如图所示。

题已知某集成运放的开环电压放大倍数Aod＝104（即80dB），最大电压幅度Vom＝±10V，输入信号vI按图题，即当vI＝0时，vO＝0，试问：

（1）当vI＝1mV时，vO等于多少伏？

（2）当vI＝1.5mV时，vO等于多少伏？

（3）当考虑实际运放的输入失调电压VIO＝2mV时，问输出电压静态值VO为多少？

电路能否实现正常放大？

图题

解：

（1）当vI＝1mV时，则

vO＝-Aod·vI＝-104×1mV＝-10V（临界饱和输出）

（2）当vI＝1.5mV时，则

vO＝-Aod·vI＝-104×1.5mV＝-15V，已超过饱和输出值，所以实际vO为-10V。

（3）若VIO＝2mV时，则静态时VOQ＝-Aod·VIO＝-10V，已处于反向饱和状态，放大器不能实现正常放大。

题试根据下列各种要求，从运放参数表（教材中表

（1）作一般的音频放大，工作频率f≤10kHz，增益约为40dB。

（2）作为微伏级低频或直流信号放大。

（3）用来与高内阻传感器（如Rs＝10MΩ）相配合。

（4）作为便携式仪器中的放大器（用电池供电）。

（5）要求输出电压幅度Vom≥∣±24V∣。

（6）用于放大10kHz方波信号，方波的上升沿与下降沿时间不大于2μs，输出幅度为±10V。

解：

（1）可选用通用型运放CF741（μA741）。

（2）可选用高精度型运放CF7650（ICL7650）。

（3）宜选用高阻型运放5G28。

（4）宜选用低功耗型运放CF3078（CA3078）。

（5）宜选用高压型运放CF143（LM143）。

（6）可选用高速型运放CF715或宽带型运放CF507。

题差分放大电路如图题，其中三极管采用Q2N3904，二极管为DIN4148。

电源电压为+VCC=+15V，-VEE=-15V。

试用PSPICE程序仿真分析：

（1）设置直流分析，以Vi为扫描对象，仿真分析差分放大电路的静态工作点IC1Q、IC2Q、VC1Q、VEQ；

（2）在上述分析后，查看差分放大电路的电压传输特性曲线，并解释电压传输特性曲线上的非线性特性；

（3）设置交流分析，分析差分放大电路的频率特性；

（4）设置瞬态分析，分析差分放大电路的各个电压波形vB、vE、vO，并注意它们的相位和大小；

（5）将输入端改接成差模输入，设置交流分析，计算其差模电压放大倍数；

（6）将输入端改接成共模输入，设置交流分析，计算其共模电压放大倍数。

图题

解：

（1）将分析方式设置为直流分析，以输入信号源作为直流分析的扫描对象。

直流分析设置参数为：

SweepVar.Type为VoltageSource，SweepType为Linear，Name：

Vi，StartValue：

-0.1，EndValue：

0.1，Increment：

0.001V。

通过PSPICE仿真可得到：

IC1Q＝IC2Q＝0.685mA，VC1Q＝VC2Q＝14.32V，VEQ＝-651mV。

（2）通过上述直流扫描分析可以查看差分放大电路的电压传输特性曲线，如图，电压传输特性曲线中放大区部分只是近似为直线。

图电压传输特性曲线

（3）交流分析设置参数为：

ACSweepType为Decade（十倍程扫描），Name：

Vi，Pts./Decade：

101（每十倍程扫描点数为10点），StartFreq.：

10，EndFreq.：

100meg。

（4）瞬态分析时信号源为VSIN元件，属性设置为VOFF＝0，VAMPL＝1mV，FREQ＝1K；瞬态分析设置参数为PrintStep＝20ns，FinalTime＝2ms。

通过瞬态分析可得到差分放大电路中各点的波形，其中双端输出的电压波形如图

图vO波形

（5）为了求差模电压放大倍数，需将信号源改为差模输入电压，然后进行交流扫描分析。

通过仿真可得该差分放大电路双端输出时的差模电压放大倍数为-26.0。

（6）为了求共模电压放大倍数，需将信号源改为共模输入电压，然后进行交流扫描分析。

通过仿真可得该差分放大电路双端输出时的共模电压放大倍数为0，单端输出时的共模电压放大倍数为-0.0003。

题电路如图题，三极管用Q2N3904，其它参数不变。

试用PSPICE程序分析该电路：

（1）求电路的静态电流点；

（2）计算差模电压放大倍数Ad2、共模电压放大倍数Ac2和共模抑制比KCMR；

（3）若vi=0.02sinωt（V），仿真分析vO的波形。

解：

输入并编辑好电路图，如图

图3.2.14

（1）仿真分析电路图

（1）对电路进行仿真分析，可得静态工作点：

VB1Q=－26mV，VB2Q=-27mV，VC1Q=12V，VC2Q=2.4V，VB3Q=-9.07V，VC3Q=-719.6mV。

（2）设置交流扫描分析（ACSweep...），将信号源改为差模输入，可得差模电压放大倍数Ad2为21.47，将信号源改为差模输入，可得共模电压放大倍数Ac2为1.6×10-4，共模抑制比KCMR为1.3×105（即102dB）。

（3）设置瞬态分析若vi=0.02sinωt（V），可得仿真分析vO的波形如图3.2.14

（2）所示。

图3.2.14

（2）输出波形曲线

题电路如图题，三极管用Q2N2222，设各管的β=100，图中电容取50μF，其它参数不变。

试用PSPICE程序分析：

（1）该放大电路的电压放大倍数Av，输入电阻Ri和输出电阻Ro；

（2）当输入电压取频率为1kHz、幅值为1mV的正弦信号时，仿真分析该电路输出电压vO的波形和幅值。

解：

（1）输入并编辑好电路图如图

图仿真分析电路图

设置交流扫描分析（ACＳweep...）和瞬态分析。

可得：

中频源电压增益Av为557（即54.9dB），输入电阻Ri为7.47KΩ，输出电阻Ro为69.89Ω。

其中，源电压增益的对数幅频特性曲线如图

图电压增益对数幅频特性曲线

（2）当输入电压取频率为1kHz、幅值为1mV的正弦信号时，仿真分析该电路输出端的电压波形如图

图输出波形曲线