電 子 學 ( 三 )
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電 子 學 ( 三 ). 運 算 放 大 器. 教師 : 黃 育 泰. 中 華 民 國 九 十 六 年 六 月. 上 課 大 綱. 一、 運算放大器簡介 二、 運算放大器的結構 三、 理想運算放大器與其特性 四、 運算放大器的基本電路. 一、 運算放大器的簡介. 運算放大器 (operational amplifier, 簡稱 OPA ) 可說是類比電路中用途最廣、功能最多的一種 IC 。 運算放大器的種類繁多，一顆 IC 中通常包含數十個電晶體，例如常見的 741C 運算放大器由 24 個電晶體所構成。 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
中 華 民 國 九 十 六 年 六 月
電 子 學 ( 三 )
運 算 放 大 器教師 : 黃 育 泰
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上 課 大 綱一、運算放大器簡介二、運算放大器的結構三、理想運算放大器與其特性四、運算放大器的基本電路
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• 一、運算放大器的簡介
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•運算放大器 (operational amplifier, 簡稱 OPA) 可說是類比電路中用途最廣、功能最多的一種 IC。
•運算放大器的種類繁多，一顆 IC 中通常包含數十個電晶體，例如常見的 741C 運算放大器由24 個電晶體所構成。
•雖然 OPA的內部構造相當複雜，但是就其輸出與輸入的關係來看卻十分簡單，因此，只要注意到OPA的一些限制，分析或設計 OPA的應用電路通常是件輕鬆愉快的工作。
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•OPA主要應用於線性電路中，也就是類比訊號 ( 如聲音、溫度、壓力、速度、或是正弦波等 ) 的放大器。•雖然獨立的電晶體也可製作類比放大器，但是一般的電路中，使用 OPA或是其他線性 IC做為類比放大器的核心是較簡易、可靠、而且廉價的選擇。
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• 二、運算放大器的結構
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＊運算放大器結構方塊圖
差動
放大
器
高輸
入阻
抗高增益
電壓放大器低阻抗
輸出放大器
-
+
倒相輸入
非倒相輸入
定電流源
+V
-V
輸出
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OPA-
+
倒相輸入 ( 以負號表示 )
非倒相輸入 ( 以正號表示 )
正電源供應端
輸出端
負電源供應端
＊基本運算放大器電路符號圖
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＊運算放大器符號與外觀
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• 三、理想運算放大器與其特性
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-
+
V1
V2
ViRi = Ro = 0
Vo
Av = Vi = V2 -V1
AvVi
＊理想運算放大器的內部等效電路
倒相輸入端
非倒相輸入端
輸出端
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＊實際運算放大器的內部等效電路
倒相輸入端
非倒相輸入端
輸出端
-
+
V1
V2
ViRi Ro
Vo
Vi = V2 -V1
AvVi
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定義：
輸出阻抗頻帶寬度
輸入電阻開迴路增益
0
原則：兩輸入端幾乎同電位兩輸入端沒有電流流進流出
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• 四、運算放大器的基本電路
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OPA-
+
Vi
VoR1
Rf
＊倒相放大器
Ｉ
Ｉ
＋
＋
－
－
• 將運算放大器的非倒相入端接地，而將輸入信號加至倒相輸入端，同時在輸出端與倒相輸入端之間接上一個回授電阻，即形成一基本的倒相放大器，如下圖所示。
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OPA-
+
Vi
VoR1
Rf
＊倒相放大器
Ｉ
Ｉ
＋
＋
－
－
1
iVIR
1
fo i
RV V
R
1
fov
i
RVA
V R
17
OPA-
+
Vi
VoR1
Rf
＊倒相放大器 例題：
• 設R1=10kΩ ， Rf=100kΩ，當輸入信號 Vi=2mV時其輸出電壓為？
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OPA-
+
Vi
VoR1
Rf
＊倒相放大器 練習：
• 設 R1=1kΩ ， Rf=10kΩ，當輸入信號 Vi=10mV時其輸出電壓為？
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＊非倒相放大器• 下圖為非倒相放大器電路，信號由非倒相” +”端輸入，輸出信號則經由 Rf與 R1回授到倒相輸入端，所以輸出信號與輸入信號同相位，故又稱為同相放大器。
VoOPA-
+Vi
R1
Rf
I
I
+
+-
-
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＊非倒相放大器
1
iVIR
1
i fo s
V RV V
R
1
1fov
i
RVAV R
VoOPA-
+Vi
R1
Rf
I
I
+
+-
-
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＊非倒相放大器 例題：
• 設 R1=10kΩ， Rf=100kΩ，當輸入信號 Vi=0.2V時其輸出電壓為？
OPA-
+Vi
R1
Rf
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＊非倒相放大器 練習：
• 設 R1=5kΩ， Rf=20kΩ，當輸入信號 Vi=1mV時其輸出電壓為？
OPA-
+Vi
R1
Rf
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＊電壓隨耦器
OPA-
+Vi
Vo
o iV V
1ov
i
VA
V
• 此即表示電壓增益為 1 ，且輸出信號大小與相位均與輸入信號相同，亦即 Vo追隨者 Vi，故稱為電壓隨耦器。• 電壓隨耦器具有極高的輸入阻抗與極低的輸出阻抗，可以隔離前後級電路的影響；且由於輸出阻抗低可以推動更多的負載，故為一理想的緩衝放大器。
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＊電壓隨耦器 練習：
• 設輸入信號 Vi=10V時其輸出電壓為？
OPA-
+Vi
Vo
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＊加 法 器•加法器是一種輸入信號複接並聯加至運算放大器的輸入端，而輸出端只有一端，因此電路中的輸入總電流與回授電流相等，亦即在輸出端取出各輸入電壓的代數和，故此電路又稱為總和放大器。加法器可分為倒相加法器與非倒相加法器。
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＊倒相加法器• 如下圖所示電路，把幾個複接並聯的信號同時由倒相輸入端輸入，而在輸出端取出其代數和的倒相電壓，此即稱為倒相加法器。
OPA-
+
Vo
Rf
R1V1
V2R2
V3R3
I
If
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＊倒相加法器
1 21 2
( ........... )f f fo n
n
R R RV V V V
R R R
若 R1 = R2 = ……………… = Rn = R則將為
1 2( ........... )fo n
RV V V V
R
若 Rf = R則1 2( ........... )o nV V V V
此即為理想的倒相加法器。
OPA-
+
Vo
Rf
R1V1
V2R2
V3R3
I
If
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＊倒相加法器 例題：OPA
-
+
Vo
Rf
R1V1
V2R2
V3R3
• 設R1=10kΩ， R2=20kΩ， R3=5kΩ， Rf=100kΩ，當輸入信號 V1=0.4V， V2=-0.2V， V3=-0.1V時其輸出電壓為？
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＊倒相加法器 例題：OPA
-
+
Vo
Rf
R1V1
V2R2
V3R3
• 設R1=10kΩ， R2=5kΩ， R3=2kΩ， Rf=100kΩ，當輸入信號 V1=-6V， V2=3V， V3=-2V時其輸出電壓為？
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＊非倒相加法器• 如下圖所示為非倒相加法器，把幾個複接並聯的信號同時由非倒相輸入端輸入，而在輸出端取出其代數和的同相電壓，此即為非倒相加法器。
OPA-
+
Vo
Rf
R1V1
V2R2
V3R3
RN
VT
I
If
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＊非倒相加法器OPA
-
+
Vo
Rf
R1V1
V2R2
V3R3
RN
VT
I
If
1 2
1 2
...... 0n TT T
n
V VV V V VR R R
1 2
1 2 1 1 1
1 1 1...... ( ....... )nT
n
VV V VR R R R R R
1 21 ( ...... )n T
nV V V VR R
1 21 ( ...... )T nV V V Vn
(1 )f fo T T T
T T
R RV V V V
R R
1 21(1 )[ ( ...... )]f f
o T T nT T
R RV V V V V V
R R n
為了分析方便，若 R1 = R2 =……= Rn = R，可得
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＊非倒相加法器 例題：
• 設R1=R2=R3=5kΩ， RN=10kΩ， Rf=100kΩ，當輸入信號V1=1mV， V2=2mV， V3=3mV時其輸出電壓為？
OPA-
+
Vo
Rf
R1V1
V2R2
V3R3
RN
VT
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＊非倒相加法器 練習：
• 設R1=R2=R3=6kΩ， RN=12kΩ， Rf=240kΩ，當輸入信號V1=3mV， V2=2mV， V3=4mV時其輸出電壓為？
OPA-
+
Vo
Rf
R1V1
V2R2
V3R3
RN
VT
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＊減 法 器• 減法器電路如下圖所示，此種電路將兩個信號分別輸入倒相端和非倒相端，以便在輸出端獲得正比於兩輸入信號差量的放大信號。
OPA-
+
Vo
Rf
R2
V1
V2
R3
R1
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＊減 法 器1
11
TV VIR
32
2 3T
RV V
R R
11 1
(1 )f fo T
R RV V V
R R
32 1
1 2 3 1
(1 )( )f fo
R RRV V V
R R R R
3
1 2
fR RR R
12 1 2 1
1 1 1 1
( )( ) ( )f f f fo
f
R R R R RV V V V V
R R R R R
2 1oV V V
1
fRR
若 R1 = R2 ， R3 = Rf
則:
若 R1 = Rf，則輸出電壓正比於兩輸入信號的差量，且其增益為此時之電路為理想減法器。或
OPA-
+
Vo
Rf
R2
V1
V2
R3
R1
I1
I2I3
If
VT
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＊減 法 器 例題：
• 設R1=10kΩ， R2=5kΩ， R3=10kΩ， Rf=10kΩ，當輸入信號 V1=2V， V2=3V時其輸出電壓為？
OPA-
+
Vo
Rf
R2
V1
V2
R3
R1
VT
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定義：
輸出阻抗頻帶寬度
輸入電阻開迴路增益
0
原則： 兩輸入端幾乎同電位兩輸入端沒有電流流進流出
＊重 點 歸 納
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＊參 考 網 站http://www.csie.ntu.edu.tw/~b5506062/
opamp/opa1.html• 有限增益放大器http://203.71.46.33/ele_circuit/opa/opa.htm• 崑山科大 - 電子工程學系 - 運算放大器
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