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1、第5章 集成运算放大器及其应用,集成运算放大器概述 放大电路中的反馈 基本运算电路 电压比较器 信号发生器,基本运算电路,5.1 集成运算放大器概述,运算放大器是具有很高的开环电压放大倍数的直接耦合的多级放大电路。集成运放将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。,集成运放的封装外形如右图所示。使用时，要根据所用集成电路型号的管脚图来连接。,优 点： 工作稳定、使用方便、 体积小、重量轻、功耗小。,LM324,5.1.1 集成运算放大器的组成,差动放大 输入级,中间放大级,互补输出级,恒流偏置电路,差动输入级有两个输入u+、u-，当信号从u-输入，输出uo与u-极性相反，称u-反相输入端；当信
2、号从u+输入，输出uo与u+极性相同，称u+同相输入端。,增益级 一般高增益共射电路,低阻功率输出级， 提高负载能力。,提供稳定合适的偏流 一般由恒流源组成,其输入电阻高、 能减小零点漂移 和抑制干扰信号。,与uo反相,与uo同相,集成运放的基本结构,输入级,中间级,输出级,-UEE,+UCC,u+,uo,u-,反相 输入端,同相 输入端,Auo,开环差模 电压放大倍数,输出端,反相 输入端,同相 输入端,信号传输方向,uo,集成运算放大器的符号,5.1.2 集成运算放大器主要参数,1、最大输出电压UOPP 集成运放工作在线性区的最大不失真输出电压。一般略小于电源电压。,2、开环电压放大倍数A
3、u0 在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。,3、差模输入电阻 rid 差模信号作用时集成运放的输入电阻。一般在1M以上。,4、开环输出电阻 ro 集成运放没有引入负反馈情况下的输出电阻。一般是几百欧姆。,5.1.3 集成运算放大器电压传输特性,Au0越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,Uom,Uom,Uim,Uim,线性区,饱和区,饱和区,传输特性是表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线。即 uo = f ( ui ),线性区： uo =Au0ui,非线性区(饱和区)： 当ui Uim 时，uo = Uom 当ui -Uim 时，uo = -Uom,5.1
4、.4 理想运算放大器,1. 运算放大器理想化模型,rid 高：几十k 几百k,实际运放：,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,Au0 很大：104以上 107,理想运放：,rid ,KCMRR ,ro 0,Au0 ,由于运放的开环电压放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其为理想运放。,2. 理想运算放大器的特性,理想运放 Au0 ,Uom,Uom,饱和区,饱和区,(1) 理想运放工作在线性区特点,必须引入深度负反馈,uo,相当于两输入端之间短路，但实际上没有短路。,(1) “虚短”原则,ui,-,+,+,两个输入端的电位基本相等,(2) “虚断”原则,集成运放的输入
5、电流可忽略不计,相当于两输入端之间断路，但实际上并没有断路。,（2） 理想运放工作在饱和区特点,特点： （1）当 u+u-, uo=+Uom , u+u-, uo=-Uom ;,因输入电阻无穷大, 故净输入电流为零。,Uom,Uom,5.2 放大电路中的反馈,1. 什么是反馈,5.2.1 反馈的基本概念,电子电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，用来影响输入量的措施称为反馈。,输入信号,比较电路,净输入信号,输出信号,反馈信号,反馈系数,开环放大倍数,2. 反馈的分类,（1） 正反馈和负反馈,若引回的信号削弱了输入信号,使净输入量减小 负反馈 若引回的信号增强了输入信号,使净输
6、入量增大 正反馈,（2）直流反馈和交流反馈,直流通路中存在的反馈 直流反馈 交流通路中存在的反馈 交流反馈,（3）串联反馈和并联反馈,反馈信号与输入信号串联，以电压方式相叠加 串联反馈,反馈信号与输入信号并联，以电流方式相叠加 并联负反馈,反馈信号取自输出电压，与输出电压成比例 电压反馈 反馈信号取自输出电流，与输出电流成比例 电流反馈,（4）电压反馈和电流反馈,5.2.2 反馈的判断,1. 有无反馈判断 找联系,找输出回路与输入回路的联系，若有则有反馈，否则无反馈。,无反馈,无反馈,有反馈,将输出电压全部反馈回去,2. 反馈极性的判断 瞬时极性法：,“看反馈的结果”: 即净输入量是被增大还是
7、被减小。,在放大电路的输入端，假设一个输入信号的电压瞬时极性，可用“+”或“-”；,2. 按信号传输方向经基本放大器 反馈网络， 判断相关点的瞬时极性,直至判断出反馈信号的 瞬时极性 ；,3. 如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小， 则为负反馈；反之为正反馈。,净输入电流减小，负反馈,净输入电压增大，正反馈,判断电路中是否引入了反馈、直流还是交流、 正反馈还是负反馈 ?,净输入电压减小，负反馈,例1.,3. 串联、并联反馈的判断 看输入端,4. 电压、电流反馈的判断 看输出端（短路法）,假设 u0=0 ，看反馈是否还存在，若此时反馈不存在了，则是电压负反馈。否则，为电流反馈。,从放大电路的输入端
8、看，如果反馈信号与输入信号接在放大电路的同一输入端上，反馈量与输入量以电流方式相叠加，则为并联反馈；如果反馈信号与输入信号分别接在放大电路的两个输入端上，以电压方式相叠加，则为串联反馈。,反馈组态：,例2.,判断负反馈组态。,看输出：假设输出电压为零，则反馈信号消失，因此属于电压反馈。 看输入：反馈信号与输入信号都加在放大电路 反相输入端，以电流方式相叠加，因此为并联反馈。 综上所述，该电路存在电压并联负反馈。,5.2.3 负反馈放大电路的一般表达式,反馈深度,定义：,闭环放大倍数,若, 深度负反馈。,5.2.4 负反馈对放大电路性能的影响,1、 稳定放大倍数,2、展宽通频带,3、减小非线形失
9、真,5、对输入、输出电阻的影响,串联负反馈 闭环输入电阻rif 增大,并联负反馈 闭环输入电阻rif 减小,4、稳定输出电压或输出电流,或：,5.3 基本运算电路,5.3.1 比例运算电路,1. 反相比例运算电路,i1= iF,虚短,虚断,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,特点:,平衡电阻，使运放输入级差动放大电路静态时两个输入端对“地”有相同的等效电阻。 R2=R1/RF,当R1=RF时 ,称此种运算电路为反相器,2. 同相比例运算电路,_,+,+,RF,R1,R2,ui,uo,iF,i1,虚短,虚断,当RF=0 或 R1= 时，电路为电压跟随器。,此电路输入电阻大(高达1
10、0M)，输出电阻近似为0，电压跟随性能好。,uo,_,+,+,R1,R2,ui,RF,求图中所示电路uo的值。,解：图示电路为一电压跟随器。,例1.,求电路中u o与u i 的运算关系式。,解:,例2.,5.3.2 加法运算电路,调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,5.3.3 减法运算电路,uo,RF,R1,R2,R3,利用叠加原理进行分析,1. 双端输入减法电路,若取R2=R1，R3=RF，则：,或： 差分减法放大器也可以依据虚断、虚短推导，如下：,uo1,2. 两级反相输入减法运算电路,如：设计实现 ：uo= ui1 - ui2 ；uo=
11、10（ui1+ui2）； uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,5.3.4 积分运算电路,u= u+= 0,应用举例： 输入方波，输出三角波。,5.3.5 微分运算电路,如若输入：,则：,5.3.6 运算电路应用实例,仪用放大器,R2,R2,ui1,ui2,a,b,+,-,+,uo2,uo1,R1,uo,R3,R3,R4,R4,uo2,uo1,习题：,5-10,又 ：,5-11,5-13,A1、A2、A3为电压跟随器， A3的,5-14,5-17,5.4 电压比较器,集成运放的非线性应用： 是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f( ui ) 不再是线性关系。,uo
12、,绝大数理想运放处于开环或仅有正反馈。,处于非线性状态运放的特点,1. 虚短路不成立； 2. 输入电阻仍可以认为很大（即虚断仍存在）； 3. 输出电阻仍可以认为是0。,分析方法,三个要素：,1. 输出电压的UOH和UOL； 2. 阈值电压UT，此时 u+= u- ；,uo从UOH变到UOL，或从UOL变到UOH，所对应输入的电压ui。,3. 当ui= UT时， uo的跃变方向。,5.4.1 单限电压比较器,反相比较器电路,UR=0,电路只有一个阈值电压。ui逐渐增大或减小过程中，当通过UT时，uo产生跃变。,传输特性分析,过零比较器,同相比较器电路,uo,ui,UR,传输特性：,+,-,+,利
13、用电压比较器将正弦波变为方波。,U,-U,例,uo,ui,+,-,+,电路改进: 加稳压管,限制输出幅度。,UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1),不可缺少！,输出限幅,5.4.2 迟滞电压比较器,分析：,因为有正反馈，所以输出饱和。,当uo正饱和时：,当uo负饱和时：,u+,ui,+,+,RF,R2,uo,R1,UZ,u,+,+,R2,R1,ui,uo,UZ,URH - URL称为回差,传输特性,跳转时，正反馈加速跳转,小于回差的干扰不会引起跳转,下限阈值,上限阈值,RF,URH - URL称为回差,传输特性,跳转时，正反馈加速跳转,小于回差的干扰不会引起跳转,下限阈值,上限阈值
14、,例,5.5 信号发生器,5.5.1 方波信号发生器,反相的滞回比较器，输出经RC电路再输入到此比较器的反相输入端。,RC电路： 起反馈和延迟作用，获得 一定的频率。,ui,反相的滞回比较器： 起开关作用，实现高低电平 的转换。,uo,UZ,R2,R1,C,+,uc,RF,+,uo,UZ,R2,R1,C,+,uc,RF,上下门限电压：,ui,+,工作原理,1. 设 uo = + UZ,此时，输出给C 充电!,则：u+=UH,一旦 uc UH , 就有 u- u+ , uo 立即由UZ 变成UZ,在 uc UH 时，,u- u+ ,uo 保持 + UZ 不变；,uo,UZ,R2,R1,C,+,uc,RF,+,0,此时，C 经输出端放电!,2. 当uo = -UZ 时，,u+=UL,uc降到UL时，uo上翻。,当uo 重新回到UZ 以后，电路又进入另一个周期性的变化。,uo,UZ,R2,R1,C,+,uc,RF,+,5.5.2 三角波信号发生器,特点：由同相的滞回比较器和反相积分器级联构成，滞回比较器的输出作为反相积
