十一(运算放大器)

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1、 第 11 章运算放大器成都大学工业制造学院11.1 集成运算放大器的简单介绍11.2 运算放大器电路中的负反馈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 使用运算放大器应注意的几个问题目 录返回集成电路：分立电路：各种单个元件连接起来的电子电路。它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应 管、二极管、电阻、电容等电子元器件，以及它们 之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体芯 片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有 一定功能的器件，也称为固体器件。集成电路相比于分立电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗 小，实现了元件、电路和系统

2、的三结合。集成电路中元器件的特点(1)单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上 、用相同工艺生产出来的，性能比较一致；(2)元器件相互离得很近,温度特性较一致；(3)电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造； (4)电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容不易制造。返回11.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器电路方框图中间级输入级输出级偏置电路返回是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。各部分作用输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求 其输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。一 般采用差分放大电路，有同相和反相两个输入端。中间级主要进行电压放大

3、，要求其电压放大倍数 高，一般由共发射极放大电路构成。输出级与负载相连，要求其输出电阻低，带负载 能力强，能输出足够大的电压和电流，一般由互补对 称电路或射极输出器构成。偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和核 实的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种 恒流源电路构成。返回1、集成运放的内部基本结构-UEE+UCCuouu反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输出级中间级 返回2、集成电路的封装双列直插式塑料封装管脚数有8、10、12 、14、16等种 类金属壳封装管脚数有8、10、12 等种类返回3、F007（5G24）外引线图反相输入端同相输入端输出端接线图顶视图(圆壳式)返回

4、正电源端负电源端外接调零 电位器端ri 高:几十k 几百k运放的特点：理想运放：ri KCMRR很大KCMMRR ro 小：几十 几百 ro 0A o 很大:104以上 107Ao 4、运放的特点和符号运放符号：uu+uoA0uu+uoA0uu+uo返回理想运放符号：5、运算放大器的主要参数(1)最大输出电压UOPP能够使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。(2)开环电压放大倍数Auo在运算放大器的输出端与输入端之间没有外接电路时所测 出的差模电压放大倍数。Auo越高，所构成的运算电路越稳定 ，运算精度也越高。(3)输入失调电压UIO理想的运算放大器，当输入电压uI1=uI2=0(

5、即两个输入端 同时接地)时，输出电压uo=0，但在实际运放中，由于制造中 元件参数的不对称性等原因，输入电压为零时，输出电压不为 零，所以，要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补 偿电压，这就是输入失调电压，UIO越小越好。返回(4)输入失调电流IIO(5)输入偏置电流IIB(6)共模输入电压范围UICM输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。 即IIO=|IB1-IB2|。IIO值越小越好。输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。 即IIB=(IB1+IB2)/2。IIB值越小越好。运算放大器对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是 在规定的共模电压范围内才具备，若超出这个电

6、压范围，其 运放的抑制性能就会大大降低。返回6、运算放大器的传输特性+UO(sat)-UO(sat)线性区饱和区饱和区线性 区很窄,所 以运放在 线性区工 作,通常引 入深度电 压负反馈 。返回(1)工作在线性区：实际特性理想特性运算放大器线性应用时的分析依据称为“虚短 ”3、如果信号从反向端输入，同相端接地，则反相端 近于“地”电位。 返回1、输入电阻ri趋于，则可认为两个输入端的输入 电流为零。即：称为“虚断”2、开环电压放大倍数Auo趋于，而输出电压是一 个有限值，则由：得：即：即：称为“虚地”当时，注意：此时输入端的输入电流也等于零返回(2)工作在饱和区：当时，工作于正饱和区工作于负饱

7、和区即：即：例1：F007运算放大器的正、负电源电压为15V，开 环电压放大倍数AU0=2105,输出最大电压（即 Uo(sat)为13V。在下图电路中分别加如下电压， 求输出电压及其极性：uu+uo返回解：只要两个输入端之间的电压绝对值超过65V， 输出电压就达到正或负的饱和值。输出电压：输出电压：输出电压：输出电压：返回放大电路 Ao反馈电路 F输入信号 输入 信号 xd输出信号 xoxf 反馈信号比较环节反馈示意图开环放大倍数：Ao =xo xd 闭环放大倍数：Af =xo 反馈系数：F =xf xo 11.2 放大电路中的负反馈返回将放大电路输出端的信号的一部分或全部通过某 种电路引回

8、到输入端，就称为反馈。一、反馈的分类(1) 正反馈和负反馈正反馈：xf 与 作用相同，使xd 增加负反馈：xf 与 作用相反，使xd 减小(2) 电压反馈和电流反馈 电压反馈：xf uo(xo)，即反馈信号取自输出电压电流反馈：xf io (xo)，即反馈信号取自输出电流(3) 串联反馈和并联反馈串联反馈：xf 与 以串联的形式作用于输入端并联反馈：xf 与 以并联的形式作用于输入端AoF xdxfxo返回(4) 直流反馈和交流反馈返回直流反馈：xf 是静态直流分量；交流反馈：xf 是动态交流分量。 二、反馈的判断(1)判断是否存在反馈？哪些是反馈元件？无反馈：放大电路输出端信号没有引回到输入

9、端有反馈：放大电路输出端信号部分或全部通过某种电路引回到输入端(2)判断是电压反馈还是电流反馈？电压反馈：反馈电路直接从输出端引出；电流反馈：反馈电路从输出端的负载靠“地”端引出。(3)判断是串联反馈还是并联反馈？串联反馈：xf 与 分别接在两个输入端上；并联反馈：xf 与 都接在同一个输入端上。(4)判断是正反馈还是负反馈？对串联反馈： xf 与 极性相同负反馈；xf 与 极性不同正反馈。对并联反馈： xf 与 极性相同正反馈；xf 与 极性不同负反馈。返回例2：判断图示电路的反馈类型。解：Ao+uiuoR2 ud +R1RF uf +结论：电路为电压串联负反馈。返回(1)存在反馈，RF为反

10、馈电阻；(2)反馈电路是直接从输出端引 出，电压反馈；(3)xf与分别接在两个输入端 上，串联反馈；(4)对串联反馈, xf与极性相 同，负反馈。例3：判断图示电路的反馈类型。AO+uiR2R1RLRuo+RF结论：电路为电流并联负反馈。解：(1)存在反馈，RF为反馈电阻(2)反馈电路从输出端的负载 靠地端引出，电流反馈；(3)xf与接在同一个输入端 上，并联反馈；(4)对并联反馈, xf与极性 不同，负反馈。返回例4：试判断图示电路RF所形成的反馈类型。 uo1+R11Rf1R12ui+R21Rf2R22uoRf解：结论：RF形成电路的电压串联正反馈。 返回(1)存在反馈，RF为反馈电阻；(

11、2)反馈电路直接从输出端引出，电压反馈；(3)xf与分别接在两个输入端上，串联反馈；(4)对串联反馈, xf与极性不同，正反馈。三、负反馈对放大电路性能的改善AoF xdxfxo因为开环放大倍数很大，线性区很窄，为了使 输出信号都保持在运放的线性区(即运放工作在线性 区),所以,通常引入深度电压负反馈。开环放大倍数：闭环放大倍数：输入信号：返回反馈深度即：如果： |F | |Ao |1 深度负反馈。AoF xdxfxo返回则：闭环放大倍数只与反馈电阻值 有关，与开环放大倍数无关。(1)提高了放大电路的稳定性负反馈对放大电路性能的改善返回(2)加宽了通频带0|A|f0.707 |Ao|Ao|B0

12、|Af| 0.707 |Af| Bf(3) 改善了非线性失真AouiuoudAoFuiufuouo返回利用失真了的波形来改善波形的失真， 因此只能减小失真，不能完全消除失真。(4) 稳定了输出电压或电流电压负反馈：稳定 uo电流负反馈：稳定 io(5) 改变了输入电阻或输出电阻(如表11.2.1所示)串联反馈：ri并联反馈：ri电压负反馈：ro电流负反馈：ro返回uo+11.3 运算放大器在信号运算方面的应用(一) 比例运算电路(1) 反相比例运算电路R1uiRfR2uu+虚地i1if闭环电压放大倍数Auf虚断返回输入信号从反相输入端引入虚短平衡电阻当 Rf =R1时：uo = ui反相器平衡

13、电阻:R2 = R1 / Rfuo+R1uiRfR2uu+i1if返回只取决于相关电阻阻 值，而与运算放大器本身 参数无关。闭环电压放大倍数：虚短虚断(2) 同相比例运算电路输入信号从同相输入端引入uo+R1R2uiRfuu+i1if所以：闭环电压放大倍数：返回只取决于相关电 阻阻值，而与运算放 大器本身参数无关。uo+R1R2uiRfuu+i1if平衡电阻:R2 = R1 / Rfuo= ui 条件 ？uo+ui电压跟随器当R1=(断开)或Rf=0时返回uo= ui例5：测量电阻的电路如图所示。 已知：ui = U =10V，输出端接有满量程为5V的电压表 ，被测电阻为Rx 。 (1)试找出

14、Rx与电压表读数的关系； (2)若所用运放为F007型，为了扩大测量电阻的范围， 将电压表的量程选为50V是否有意义？uo+R11MuiRx+ UV+ 05V解：图为一反相比例运算电路uo =x 1uix=1 uiuo=105uouo /V x/1 2 3 4 5 1052105310541055105返回(1)因为F007型的最大输出电压为13V，所以，选用超过12V量程为50V的电压表无意义。(2)若所用运放为F007型返回例6：图中同相比例运算电路，求：返回解：由反相输入端由同相输入端得：得：所以：(二) 加法运算电路(1) 反相加法运算电路在反相输入端增加若干输入电路u= u +=0虚

15、地虚断 i= i +=0虚短所以：if返回if当R11=R12=R13=R1时：当R1=RF时：平衡电阻返回加法运算电路与运算 放大器本身的参数无关, 只要电阻阻值足够精确, 就可保证加法运算的精度 和稳定性.(2) 同相加法运算电路在同相输入端增加若 干输入电路ii1ii2返回反相端：得：同相端：得：所以：(三) 减法运算电路R3uo+R1RfR2ui1ui2+R3uo+R1RfR2ui1R3uo+R1RfR2 ui2u u+两个输入端都有信号 输入，也叫做差分输入。返回R3uo+R1RfR2ui1R3uo+R1RfR2 ui2 当ui2单独作用时:当ui1单独作用时:u+ =R3 R2+R3ui2返回R3uo+R1RfR2ui1ui2则：平衡电阻:返回当R1=Rf时：当R1=R2和RF=R3时：例7：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压uo返回A1是电压跟随器，则A2是减法运算电路，则解：uo1u+u-所以：例8：两级运