运算放大器及其线性应用

  • 放大电路及其性能指标
  • 集成电路运算放大器
  • 理想集成运算放大器
  • 基本运算电路

放大电路及其性能指标

放大电路是将微弱电信号不失真地方大到相应数值,从而使终端电器(继电器、仪表、扬声器)工作

放大器不可能产生能量,输出信号的能量增加实际上是直流电源提供。放大作用实质上是一种能量的控制和转换。

运算放大器及其线性应用_第1张图片

性能指标
1.放大倍数—又称增益
0下标即为输出,i下标为输入,输出除以输入
1)电压放大倍数 A˙u
A˙u=U˙0U˙i
2)电流放大倍数 A˙i
A˙i=I˙0I˙i
3)互阻放大倍数 A˙r
A˙r=U˙0I˙i
4)互导放大倍数 A˙g
A˙g=I˙0U˙i

电压放大电路->Vout = A*Vin。因输入量为电压,输出量也为电压,故称电压放大。
电流放大电路->Iout = A*Iin。因输入量为电流,输出量也为电流,故称电流放大。
互阻放大电路->Vout = A*Iin。因输入量为电流,输出量为电压,U/I = R,故称互阻。
互导放大电路->Iout = A*Vin。因输入量为电压,输出量为电流,I/U = G,故称互导。


A˙rA˙g
A˙uA˙i 工程上常以10为底的对数增益来表示,其基本单位为贝尔(B)
平时用它的十分之一单位分贝(dB)表示:
Au(dB)=20lg|Au|(dB)
Ai(dB)=20lg|Ai|(dB)


2.输入电阻 Ri
Ri=U˙iI˙i
输入电阻的大小决定放大电路总信号源获取信号的能力
对电压放大和互导放大电路,希望 Ri 越大越好;对电流和互阻放大电路,希望 Ri 越小越好
运算放大器及其线性应用_第2张图片


由于任何稳态信号都可以分解为正弦信号的叠加,所以放大电路常用正弦信号作为测试信号。
测定:
uSRS,Ui
Ri=(UiUSUi)RS



3.输出电阻 R0
放大电路输出电阻的大小决定了它待负载的能力。带负载能力是指当负载变化时,放大电路的输出量随负载变化的程度。
对电压和互阻放大电路, R0 越小越好;对电流和互导放大电路, R0 越大越好。
R0=(U0U01)RL



4.通频带 fBW
当改变输入信号的频率时,放大电路的放大倍数是随之变化的,输出波形的相位也发生变化。通常用通频带来反映放大电路对于不同频率的信号的放大能力。一般情况,当大电路只适用一个特定频率范围的信号,过高或过低,放大倍数都会有大幅下降。
运算放大器及其线性应用_第3张图片



fHfLfBW:
fBW=fHfL
通频带越宽,表明放大电路对信号频率的适应性越强
如果因为受放大电路通频带的限制,而使输出信号产生的失真成为频率失真,也成为线性失真,它包括幅度失真和香味失真



5.最大不失真输出电压 Uomax
最大不失真输出电压是在不失真的前提下能输出的最大电压,即当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。一般以最大值 Uomax 表示,也可以用峰-峰值 UoppUopp=2Uomax




集成电路运算放大器

集成电路运算放大器是一种高增益的多级直接耦合的电压放大器,采用集成工艺,将大量半导体三极管、电阻、电容等元器件及其连线制作在一块单晶硅的芯片上。
它最初用于信号的运算,故称为集成运算放大器,简称集成运放。基本结构通常由4部分组成,即输入级、中间级、输出级和偏置电路。
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集成运放符号:
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国家标准符号和常用符号

集成运放的电路模型:



rid,ro,Aoduiduid=u+uAod
uouidUomax线线

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理想集成运算放大器

理想运放,机集成运放的性能指标理想化
Aod=
rid=
ro=0
SR=



将放大电路的输出量通过一定方式淫回到输入端来影响输入量,称为反馈。
若反馈的结果使输出量变化减小,则称负反馈,反之正反馈



线性区特点

1.输入电压 uid 等于零
uo=Aoduid=Aod(u+u)
uoAod=uid=0(u+u)
输入端—称之为虚短。



2.输入电流等于零
由于理想运放输入电阻为无穷大,因此流入理想运放的两个输入端的电流为:
i=i+=uidrid0
输入端—称之为虚断。



非线性区特点

1.输入电压只有高低电平
uo={ UOHUOLu+>uu+<u


2.输入电流等于零
具有”虚断”,但一般不具有”虚短”特点
集成运放必须引入深度负反馈,才能保证其工作在线性区,工作在线性区的应用电路主要包括运算电路、有源滤波电路等。




基本运算电路


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当电路电阻满足条件 Rf/R1=R3/R2
uo=RfR1(ui1ui2)




电压跟随器+反相加法电路
先取反再相加


由于 A1 构成反相比例电路,则
uo1=R2R1ui1
A2 构成反相加法电路,则
uo=R5(uo1R4+ui2R3)

R1=R2R3=R4=R
uo=R5R(ui1ui2)



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