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1、1,电工与电子技术,下篇 工业电子学 单元8 负反馈放大电路和集成运算放大器,2,【知识点】 负反馈放大电路的概念、分类和作用；集成运算放大器的结构、特点及主要参数；理想运算放大器的分析方法；集成运算放大器在线性应用和非线性应用中的典型电路。 【能力目标】 了解负反馈的概念；掌握理想运算放大器的基本分析方法；掌握集成运算放大器主要线性应用和非线性应用电路。,单元8 负反馈放大电路和集成运算放大器,3,单元8 负反馈放大电路 和集成运算放大器,目 录,4,在放大电路正常工作时，将放大电路的输出量的一部分或者全部，通过特定的电路送回到放大电路的输入回路来，以改变放大电路的某些性能，这种方法称为反馈
2、。 如图8.1所示，放大电路可看做由基本放大电路和反馈电路组成。若反馈信号削弱了原输入信号的，则称这种反馈为负反馈；若反馈信号增强了原输入信号的，则称这种反馈为正反馈。,8.1 负反馈放大电路,8.1 负反馈放大电路,8.1.1 反馈的基本概念,5,图8.1 反馈放大电路的方框图,8.1 负反馈放大电路,负反馈在放大电路中具有重要的作用。根据反馈信号 的形态，可以分为电压负反馈和电流负反馈；根据反馈信号与输入信号的叠加方式，可以分为串联负反馈和并联负反馈。故负反馈可分为电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈四种组态，如图8.2所示。,6,图8.2 负反馈的四种组态 (a
3、) 电压串联负反馈电路；(b) 电压并联负反馈电路； (c) 电流串联负反馈电路；(d) 电流并联负反馈电路,8.1 负反馈放大电路,7,在放大电路中引入负反馈后，会对放大电路的性能产生很大影响，放大电路的性能会得到较大改善。 （1）降低放大倍数 因电路中引入了负反馈，使真正加载到放大电路的信号被削弱，从而使得输出电压下降，电压放大倍数也下降。 （2）稳定放大倍数 当放大电路因环境温度变化、电源电压变化等各种原因，其电压放大倍数Au会发生变化时，使电压放大倍数不稳定。加入负反馈后，由于上述各种原因引起的电压放大倍数的变化就比较小，即放大倍数比较稳定。,8.1 负反馈放大电路,8.1.2 负反馈
4、的作用,8,若电路中因某种原因，造成晶体管的电流放大系数下降，引起放大电路的电压放大倍数Au下降，则反馈电压Uf也下降，使净输入电压Ube增加，引起输出电压Uo增加，从而使得电路的电压放大倍数Au变化不大。,8.1 负反馈放大电路,9,（3）改善波形失真 放大电路由于工作点选择不合适，或者输入信号过大，都会引起信号波形的失真。若在放大电路中引入了负反馈，可将失真后的信号引回输入端，使净输入信号发生某种程度的改变，从而使得输出信号的失真减小。 （4）对放大电路输入电阻、输出电阻的影响 因引入了负反馈电路，放大电路的输入电阻和输出电阻会发生改变。串联负反馈会使输入电阻增大，并联负反馈会使输入电阻减
5、小；电压负反馈会使输出电阻减小，电流负反馈会使输出电阻增大。,8.1 负反馈放大电路,10,集成电路是采用一定的制造工艺，将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等许多元件组成具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。具有元件体积小、功能强、功耗低、应用简单、成本低等优点，被广泛应用在电子技术中。 集成运算放大电路（以下简称集成运放）最初多用于各种信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分等）上，故被称为集成运算放大电路。,8.2 集成运算放大器简介,8.2 集成运算放大器简介,11,8.2.1.1 集成运算放大器的特点 （1）体积小，价格便宜。集成运放采用高度
6、集成的工艺制作，一块芯片上有上千个元件，体积小，价格便宜，得到广泛的应用。 （2）放大倍数高。集成运放内部采用多级放大电路，使电路具有很高的电压放大倍数（可达到105倍）。 （3）抗干扰能力强。集成运放能减小干扰信号对放大电路的影响。,8.2.1 集成运算放大器的特点及电路组成,8.2 集成运算放大器简介,12,8.2.1.2 集成运算放大器的电路组成 集成运放实质是一个具有很高放大倍数、直接耦合的多级放大电路。实际的集成运放有许多不同的型号，其电路组成也各不相同，但大体都可分为输入级、中间级、输出级和用于改善电路参数的偏置电路四个部分组成。 输入级一般采用差分放大电路，目的是减小放大电路的零
7、点漂移、提高输入阻抗、减小干扰对电路的影响。中间级的主要作用是电压放大，使集成运放有足够高的电压放大倍数。输出级一般采用具有输出阻抗低的射极输出器，增强集成运放的带负载能力，同时提高输出功率。,8.2 集成运算放大器简介,13,8.2.1.3 差分放大电路 集成运放电路的输入级一般采用具有双端输入的差分放大电路，这个放大电路具有较高的输入电阻，同时对干扰信号具有很强的抑制能力。 （1）电路的组成和抵制零点漂移原理 双端输入差分放大电路如图8.3所示。 差分放大电路由两个结构相同、参数相同的晶体管组合在一起。信号电压由两管基极输入，输出电压为两管集电极电压之差。电路处于静态时，两个输入端的输入信
8、号为0，则两管集电极电位相等，故输出电压。当温度变化时，虽然两个三极管的集电极电位都发生了变化，但这个变化是一样的，因此，输出电压没有变化，即零点漂移被抑制。,8.2 集成运算放大器简介,14,图8.3 基本差分放大电路,8.2 集成运算放大器简介,15,8.2 集成运算放大器简介,16,8.2 集成运算放大器简介,17,8.2 集成运算放大器简介,18,8.2 集成运算放大器简介,19,8.2.2.1 集成运放的符号 集成运算放大器的符号如图8.4所示。,8.2.2 集成运算放大器的主要参数,图8.4 集成运放的符号,8.2 集成运算放大器简介,20,8.2.2.2 集成运放的主要参数 (1
9、)开环电压放大倍数Au0 指集成运放在没有外接反馈电路时，输出电压和输入电压的比值。这个值越大，精度越高。 (2)共模抑制比KCMR 表示运放的差模电压放大倍数Ad和共模电压放大倍数Ac的比值。 (3)开环输入电阻 指运放在开环时，输入电压的变化与由它引起的输入电流变化之比。 越大，表明由信号源引入的电流越小，精度越高。,8.2 集成运算放大器简介,21,（4）开环输出电阻 指运放的输出级输出电阻，这个输出电阻越小，表明运放带负载的能力越强。高质量的运算放大器输出电阻可以小于100。 （5）输入失调电压 指当输入信号为零时，为保证输出端输出的电压为零，而在输入端所加的补偿电压。这个补偿值越小，
10、集成运放的性能越好。 （6）最大输出电压 图8.5集成运放的电压传输特性能使输出电压和输入电压失真不超过允许值时的最大输出电压。也可以用峰峰值表示。这个电压不可能超过电源电压值。,8.2 集成运算放大器简介,22,8.2.2.3 集成运放的电压传输特性 表示输入电压和输出电压之间的关系曲线称为集成运放的电压传输特性曲线。如图8.5所示。它有三个运行区：A、B两点间为线性运行区，当集成运放工作在线性运行区时，输出电压与输入电压成正比。A、B点以外区域称为正、负饱和区，集成运放工作在饱和区时，输出电压不再与输入电压成正比。,图8.5 集成运放的电压传输特性,8.2 集成运算放大器简介,23,把理想
11、化的集成运放称为理想运放。其理想化条件是： 共模抑制比KCMR； 差模输入电阻 ； 开环输出电阻 0； 开环电压放大倍数Au0。 在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。 根据上述条件，当理想运放工作于线性区时：,8.2.3 理想运算放大器及其分析依据,8.2 集成运算放大器简介,24,而 为一有限值（不可能大于电源电压），Au0为无穷大，则两个输入端输入的电压几乎相等；再由差模输入电阻为无穷大，则有： 可见，当理想运放工作于线性区时，同相输入端与反相输入端的电位相等，流进同相输入端和反相输入端的电流为0。 就是同相输入端和反相输入端两个电位点短路，但是由于没有电
12、流，所以称为虚短路，简称虚短；而 表示流入两个输入端的电路断开了，但是实际上没有断开，所以称为虚断路，简称虚断。,（8.4）,（8.3）,8.2 集成运算放大器简介,25,8.3.1.1 反相输入运算电路 反相比例运算电路又叫反相放大器，如图8.6所示。输入电压 经 加到集成运放的反相输入端，输出电压 经RF反馈至反相输入端，形成深度的电压并联负反馈，运放工作在线性区。其同相输入端经R2接地。 因流过R2的电流为零，其两端没有电压降，由“虚短”得： 由“虚断”得：,8.3 集成运算放大器的应用,8.3.1 集成运算放大器的线性应用,8.3 集成运算放大器的应用,26,即：整理后，得到：由此可见
13、，输出电压与输入电压的比例关系是 ，因此，反相比例运算电路的电压放大倍数,图8.6 反相比例放大电路,8.3 集成运算放大器的应用,27,电压放大倍数只取决于电阻RF和R1之比，而与集成运放内部各参数无关。电压放大倍数为负值表明这是反相放大器。 电阻R2为平衡电阻，是为了保证集成运放输入级差动放大器输入端对称，使电路达到静态平衡。其值为R2 =RF R1 。 例8.1 在图8.6中，已知RF=50k，R1=10k，求电压放大倍数 。若输入电压 =1V，求输出电压 。,(8-6),8.3 集成运算放大器的应用,28,8.3.1.2 同相比例运算电路 如果输入信号从同相输入端引入，这种运算放大电路
14、称为同相输入运算电路。 如图8.7所示，是同相比例运算放大电路。输入电压 经R2加到集成运放的同相输入端，其反相输入端经R1接地。输出电压经RF和R1分压后，取R1上的分压作为反馈信号加到运放的反相输入端，形成深度的电压串联负反馈。,图8.7同相比例放大电路,8.3 集成运算放大器的应用,29,为平衡电阻，其值为 。 由“虚短”和“虚断”可得：即：因 ，则电压放大倍数,(8-8),(8-7),8.3 集成运算放大器的应用,30,电压放大倍数只与电阻RF和R1有关。 若使电阻RF =0或R1 =（开路），就得到如图8.8所示的电路。此电路的电压放大倍数Af=1，表明 ，输出电压等于输入电压，把这
15、个电路称为电压跟随器。,图8.8 电压跟随器,8.3 集成运算放大器的应用,31,8.3.1.3 加法运算电路 加法运算电路的功能是对若干输入信号求和。如图8-9所示，在反相比例运算电路的基础上，在反相输入端加三个输入信号 、 和 。同相输入端加一个电阻，用于保持输入电路的对称。,图8.9 加法器,8.3 集成运算放大器的应用,32,由 ， ，可得到：则有：式中，若令 时，有：,8.3 集成运算放大器的应用,33,若再令 ，则有：上式表明，输出电压等于各输入电压之和；负号表示输出电压与输入电压反相。 同相比例运算也可构成加法运算电路，如图8-10所示。该电路的输入与输出关系是：电路中 。,图8.10 同相加法器,8.3 集成运算放大器的应用,34,8.3.1.4 减法运算电路 利用双端输入可以进行减法运算。如图8-11所示，电路所完成的功能是对反相输入端和同相输入端的输入信号进行比例减法运算。,图8.11 减法运算电路,8.3 集成运算放大器的应用,35,
