運(yùn)算放大器的電路模型

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1、§5－2運(yùn)算放大器的電路模型一、運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱運(yùn)放，是一種多端集成電路，通常由數(shù)十個(gè)晶體管和一些電阻構(gòu)成。現(xiàn)已有上千種不同型號(hào)的集成運(yùn)放，是一種價(jià)格低廉、用途廣泛的電子器件。早期，運(yùn)放用來完成模擬信號(hào)的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱為運(yùn)算放大器?，F(xiàn)在，運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運(yùn)算的范圍。它在通信、控制和測(cè)量等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。運(yùn)放器件的電氣圖形符號(hào)如圖(a)所示。運(yùn)放在正常工作時(shí)，需將一個(gè)直流正電源和一個(gè)直流負(fù)電源與運(yùn)放的電源端E+和E-相連[圖(b)]。兩個(gè)電源的公共端構(gòu)成運(yùn)放的外部接地端。圖5－7運(yùn)放與外部電路連接的端鈕只有四個(gè)：兩個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端和一個(gè)接地

2、端，這樣，運(yùn)放可看為是一個(gè)四端元件。圖中i-和i+分別表示進(jìn)入反相輸入端和同相輸入端的電流。io表示進(jìn)入輸出端的電流。u-、u+和uo分別表示反相輸入端、同相輸入端和輸出端相對(duì)接地端的電壓。ud=u+-u-稱為差模輸入電壓。運(yùn)放工作在直流和低頻信號(hào)的條件下，其輸出電壓與差模輸入電壓的典型轉(zhuǎn)移特性曲線uo=f(ud)如圖所示。該曲線有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：圖5－81．uo和ud有不同的比例尺度：uo用V;ud用mV。2.在輸入信號(hào)很小(

3、ud

4、

5、105～108。工作在線性區(qū)的運(yùn)放是一個(gè)高增益的電壓放大器。3．在輸入信號(hào)較大(

6、ud

7、>?)的區(qū)域，曲線f(ud)飽和于uo=?Usat。Usat稱為飽和電壓，其量值比電源電壓低2V左右，例如E+=15V,E-=-15V，則+Usat=13V,-Usat=-13V左右。工作于飽和區(qū)的運(yùn)放，其輸出特性與電壓源相似。綜上所述，運(yùn)放在直流和低頻應(yīng)用時(shí)，其端電壓電流方程為：式中IB-和IB+是反相輸入端和同相輸入端的輸入偏置電流，其量值非常小，通常小于10-7A，可以近似認(rèn)為等于零。uo=f(ud)是輸出電壓uo對(duì)差模輸入電壓ud的轉(zhuǎn)移特性。下面介紹運(yùn)算放大器的兩種電路模型。二

8、、有限增益的運(yùn)算放大器模型有限增益運(yùn)放模型的符號(hào)和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5-9所示。圖5－9由于實(shí)際運(yùn)放的輸入電流非常小，可以認(rèn)為i-=i+=0，這意味著運(yùn)放的輸入電阻為無限大，相當(dāng)于開路。圖5－9(b)所示轉(zhuǎn)移特性曲線是圖5－8實(shí)際運(yùn)放轉(zhuǎn)移特性曲線的分段線性近似。有限增益運(yùn)放模型可以由以下方程描述：有限增益模型可以工作于三個(gè)不同的區(qū)域時(shí)，其電路模型，分別如圖(a)、(b)、(c)所示。1．線性區(qū)當(dāng)

9、ud

10、?時(shí)，uo=+Usat，運(yùn)放的輸出端口等效于一個(gè)直流電壓源

11、，如圖(b)所示。3．負(fù)飽和區(qū)當(dāng)ud<-?時(shí)，uo=-Usat，運(yùn)放的輸出端口等效于一個(gè)直流電壓源，如圖(c)所示。圖5－10三、理想運(yùn)算放大器模型實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)電壓增益非常大(A=105~108)，可以近似認(rèn)為A=?和?=0。此時(shí),有限增益運(yùn)放模型可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為理想運(yùn)放模型。理想運(yùn)放模型的符號(hào)如圖(a)所示，其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖(b)所示。圖5－11理想運(yùn)放模型可由以下方程描述:理想運(yùn)放模型工作于線性區(qū)、正飽和區(qū)和負(fù)飽和區(qū)相應(yīng)的電路模型，分別如圖(a)、(b)、(c)所示。圖5－12上式表明該理想運(yùn)放的輸入端口既像一個(gè)開路（i-=i+=0），又像一個(gè)短路(ud=0)，這

12、可等效為一個(gè)電流為零的特殊短路，因此，該模型又稱為虛短路模型。當(dāng)輸入電壓ud=0時(shí)，輸出電壓uo可以為-Usat到+Usat間的任何量值。此時(shí)，理想運(yùn)放的模型為一個(gè)增益為無限大的電壓控制電壓源(VCVS)。工作于線性區(qū)的理想運(yùn)放模型可以由以下方程描述名稱時(shí)間名稱時(shí)間1鐵心變壓器的電壓波形5:012鐵心變壓器的電壓電流關(guān)系2:403鐵心變壓器變比的測(cè)量2:354鐵心變壓器的電阻變換1:355鐵心變壓器的阻抗匹配2:146鐵心變壓器的頻率特性4:057AC－DC變換器2:488運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)1:569運(yùn)放加法電路2:5310運(yùn)放減法電路2:0811運(yùn)放跟隨器的應(yīng)用2:5812

13、負(fù)阻變換器實(shí)驗(yàn)2:3413負(fù)阻振蕩器1:0914回轉(zhuǎn)器變電阻為電導(dǎo)2:06根據(jù)教學(xué)需要，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊名稱的方法放映相關(guān)錄像。郁金香