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1、第 11 章 运算放大器,11.1 运算放大器的简单介绍,11.2 放大电路中的负反馈,11.3 运算放大器在信号运算方面的应用,11.4 运算放大器在信号处理方面的应用,11.5 运算放大器在波形产生方面的应用,11.6 使用运算放大器应注意的几个问题,第 11 章 运算放大器,分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。,集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。,集成电路分类,集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。,按集成度,按导电类型,按功能,小、中、大和超大规模,双、单极性和两种兼容,数字和模拟,第 11 章
2、运算放大器,集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。,用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。,本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。,11.1 运算放大器的简单介绍,11.1.1 集成运放的组成,输入端,输出端,输入级 差分放大器,输出级 射极输出器或互补对称功率放大器,偏置电路 由镜像恒流源等电路组成,运算放大器的符号,输出端,实际运放开环 电压放大倍数,11.1.2 主要参数,(1) 最大输出电压 UOPP,(2) 开环电压 Auo,(3) 输入失调电压 UIO,(4) 输入失调电流 IIO
3、,(5) 输入偏置电流 IIB,(6) 共模输入电压范围 UICM,11.1.3 理想运算放大器及其分析依据,在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：,(1) 开环电压放大倍数 Auo ,(2) 开环输入电阻 rid ,(3) 开环输出电阻 ro 0,(4) 共模抑制比 KCMR ,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,11.1.3 理想运算放大器及其分析依据,实际运放电压传输特性,表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为传输特性。,Uo(sat
4、),Uo(sat),Uim,Uim,线性区,正饱和区,负饱和区,若 Auo = 106, Uo(sat) = 15 V,则 UIM = 0.015 mV,运放要工作在线性 区必须有负反馈。,uO = Auo(u+ u),理想运放电压传输特性,11.1.3 理想运算放大器及其分析依据,Uo(sat),Uo(sat),Uim,Uim,线性区,正饱和区,负饱和区,因为理想运放 Auo ,开环电压放大倍数,所以，当 u+ u 时，uO = +Uo(sat),u+ u uO = Uo(sat),uO = Auo(u+ u),u+ = u uO 发生跃变,11.1.3 理想运算放大器及其分析依据,运放工作
5、在线性区的依据,相当于两输入端之间短路, 但又未真正短路，故称“虚短路” 。,相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路” 。,(2) id 0,(1) u+ u,运放开环输入电阻 rid ,由于运放 Auo 而 uO 是有限值，,故从式 uO = Auo(u+ u) ，可知,uO,u+,+,+,u,11.1.3 理想运算放大器及其分析依据,运放工作在非线性区的依据,(2) id 0,(1) u+ u,由于运放工作在非线性区 uO Auo(u+ u),不再成立,非线性区,非线性区,所以,当 u+ u 时， uO = +Uo(sat),u+ u uO = Uo(sat),依然成立,u+
6、 = u uO 发生跃变,11.2 放大电路中的负反馈,凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经某种电路(反馈网络)引回到输入端，称为反馈。,11.2.1 反馈的基本概念,如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。如果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。,无负反馈放大 电路方框图,11.2.1 反馈的基本概念,带有负反馈放大 电路的方框图,xI,xO,F,xF,+,xD,基本放大电路,反馈电路,比较环节,xI 输入信号,xO 输出信号,xF 反馈信号,xD 净输入信号,净输入信号 xD = xI xF,反馈信号使净输入信号减小，则为负反馈。,反馈信号使净输入信号增大，则为正反馈。
7、,11.2.2 负反馈与正反馈的判别,瞬时极性法是判别正、负反馈的基本方法：,11.2.3 负反馈的类型,根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出端的连接方式不同，负反馈有以下四种类型。,在输出端,反馈量取自输出电压为电压反馈，,取自输出电流为电流反馈；,在输入端,反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；,反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。,负反馈的类型有：,电压串联负反馈；,电压并联负反馈；,电流串联负反馈；,电流并联负反馈。,11.2.3 负反馈的类型,R1,R2,uO,RF,+,RL,设某一瞬时 uI 为正，则此时 uO 也为正，同时反馈电压 uF 也为正
8、。,净输入信号 ud = ui uf 小于输入信号，即 uF 的存在使净输入信号减小，所以为负反馈。,反馈电压,取自输出电压，并与之成比，故为电压反馈。,uF 与 uI 在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。,判别图示电路的反馈类型,(1) 串联电压负反馈,首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。,(1) 串联电压负反馈,串联电压负反馈方框图,反馈电压,uO,R1,R2,RF,+,RL,设某一瞬时 uO 为正，则此时 uO 为负，各电流实际方向如图所示。,净输入电流 iD = iI iF 小于输入电流，即 iF 的存在使净输入电流减小，所以为负反馈。,反馈电流,取自输出电压，并与之成
9、正比，故为电压反馈。,iF 与 iI 在输入端以电流形式作比较，两者并联，故为并联反馈。,判别图示电路的反馈类型,首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。,(2) 并联电压负反馈,(2) 并联电压负反馈,并联电压负反馈方框图,iD = iI iF 为负反馈；,反馈电压 uF = RiO 与输出电流成比，故为电流反馈；,判别图示电路的反馈类型,(3) 串联电流负反馈,串联电流负反馈方框图,uF 与 uI 在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。,R2,uO,R,+,RL,uD,+,uF,+,图中 iD = iI iF,判别图示电路的反馈类型,(4)并联电流负反馈,并联电流负反馈方框图,如
10、何判别电路中反馈类型小结,(1)反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；,从负载电阻靠近“地”端引出的，是电流反馈；,(2)输入信号和反馈信号分别加在两个输入端， 是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；,(3)反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。,(也可将输出端短路，若反馈量为零，则为电压反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。),例 1 判别图示电路从 A2 输出端引入 A1 输入端的反馈类型。,uO,uO1,RL,R,A1,A2,解 反馈电路从 A2 的输出端引出，故为电压反馈；,反馈电压 uF 和 uI 输入电压分别加在的 同相和反相两个输入端，故为串联反馈；,设为 uI 正，则 uO1
11、 为负， uO 为正。,反馈电压 uF 使净输入电压 uD = uI uF 减小，故为负反馈；,串联电压负反馈。,uO,uI,R,uO1,iI,RL,A1,A2,iD,iF,a,例 2 判别图示电路从 A2 输出端引入 A1 输入端的反馈类型。,解 反馈电路从 RL 靠近“地”端引出，为电流反馈；,反馈电流 iF 和 iI 输入电流加在 A1 的同一个输入端，故为并联反馈；,设为 uI 正，则 uO1 为正， uO 为负。反馈电流实际方向如图所示，净输入电流 iD = iI iF 减小，故为负反馈；,并联电流负反馈。,11.2.4 负反馈对放大电路工作的影响,(1) 提高放大电路的稳定性,开环
12、放大倍数,反馈系数,引入负反馈后净输入信号 xD = xI xF,引入负反馈后闭环放大倍数,对上式求导,可见，引入负反馈后，放大倍数降低了，而放大倍数的稳定性却提高了。,负反馈改善了波形失真,(2) 改善非线性失真,加入 负反馈,无负反馈,F,uf,uO,略大,略小,略小,略大,接近正弦波,(3) 对放大电路输入电阻和输出电阻的影响,减低,增高,增高,增高,增高,减低,减低,减低,思考题：为了分别实现： (a)稳定输出电压；(b)稳定输出电流； (c)提高输入电阻；(d)降低输出电阻。 应引入哪种类型的负反馈？,* 11.2.5 分立元件放大电路中的负反馈,RE 电阻无旁路电容的 分压式偏置放
13、大电路,交流通道,RE 为反馈元件，由瞬时极性法知 ube、ui、 uf 三者同相 ube = ui uf 其有效值 Ube Ui 故为负反馈。,称为交流电流串联负反馈。,直流通道,RE 也是直流反馈元件,反馈信号 UF = REIE,净输入信号 UBE = VB REIE,VB 为 RB1 与 RB2 分压所固定,直流负反馈过程,假如温度升高,则稳定静态工作点,称为直流电流串联负反馈。,11.3 运算放大器在信号运算方面的应用,(1) 反相输入,11.3.1 比例运算,由运放工作在线性区的依据,可列出,由此得出,闭环电压 放大倍数,平衡电阻,若 R1 = RF,则 uO = uI,R2 =
14、R1 / RF,(2) 同相输入,11.3.1 比例运算,由运放工作在线性区的依据,可列出,由此得出,闭环电压 放大倍数,若 R1 = ,则,或 RF = 0,例 1 求图中 uO 的大小,解,此图为一电压跟随器。电源 + 15 V 经两个 15 k 的电阻分压后，在同相输入端得到 + 7.5 V 的输入电压。,故 uO = + 7.5 V,可见只与电源电压和分压电阻有关其精度和稳定性较高，可作为基准电压,例 2 此图所示的两级运算电路中，R1 = 50 k，RF = 100 k 。若输入电压 uI = 1 V ，试求输出电压 uO，并说明输入级的作用。,解,A1 是电压跟随器,uO1 = u
15、I = 1 V,A2 为反相比例运算电路,11.3.2 加法运算,由图可列出,由上列各式可得,当 R11 = R12 = R1 时，,则上式为,平衡电阻 R2 = R11/ R12 / RF,11.3.3 减法运算,如果两个输入端都有信号输入，则为差分输入。,因为 u u+ ，故上列两式可得,由图可列出,11.3.3 减法运算,当 R1 = R2 ，和 RF = R3 时,平衡电阻 R2 = R11/ R12 / RF,则上式为,当 RF = R1 时，则得,可见，输出电压与两个输入电压的差值成正比，故可进行减法运算。,例 3 图中，uI1 = uIc1 + uId1 ， uI2 = uIc2 + uId2 ， uIc1 = uIc2 是共模分量，uId1 = uId2 是差模分量。如果 R1 = R2 = R3，试问 RF 多大时输出电压不含共模分量？,解,欲使 uO 不含共模分量 uIc2，必须满足下列条件：,解,因 R1 = R2 = R3 ，经整理后得 RF = R1 。此时输出电压,例如 uI1 = 10 mV = (8 +
