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1、第9章 集成运算放大器,9.1 集成运算放大器概述,9.2 放大电路中的负反馈,9.4 运算放大器在信号处理方面的应用,9.5 运算放大器在信号产生方面的应用,9.3 运算放大器在信号运算方面的应用,1. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义； 2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理想 运算放大器并掌握其基本分析方法； 3. 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器 的工作原理； 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。,本章要求,第9章 集成运算放大器,9.1 集成运算放大器概述,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早
2、、应用最广泛的一种模拟集成电路。,集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之 间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不 可分的整体。,集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可 靠性高、价格低。,各类型号集成芯片,9.1.1 集成运放的组成,1. 元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流 源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电 容、电感 和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。,运算放大器方框图,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干 扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。,中间级：要求电压放大倍数
3、高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。,偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成,输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载 能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,9. 1. 2 差动放大电路,RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。,电位器 RP : 起调零作用。,1、电路组成,2. 信号输入,两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。,(1) 共模信号 ui1 = ui2 = uic 大小相等、极性相同,差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,共模信号 需要抑制,2. 信
4、号输入,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，,(2) 差模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相反 uid = ui1 ui2,uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1,即对差模信号有放大能力。,差模信号 是有用信号,(3) 比较输入,ui1 、ui2 大小和极性是任意的。,例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV,ui2 = 8 mV 2 mV,例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV,可分解成: ui1 = 18 mV + 2 mV,ui2 = 18 mV 2 mV,可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV,放大器只 放大两个
5、 输入信号 的差值信 号差动 放大电路。,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,3. 零点漂移的抑制,uo= VC1 VC2 = 0,uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0,静态时，ui1 = ui2 = 0,当温度升高时ICVC （两管变化量相等）,对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,4. 输入和输出方式,双端输入双端输出,双端输入单端输出,单端输入双端输出,单端输入单端输出,(Common Mode Rejection Ratio),全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR
6、越大，说明差放分辨 差模信号的能力越强，而抑制 共模信号的能力越强。,5. 共模抑制比,共模抑制比,若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压 uo = Ad （ui1 ui2 ） = Ad uid,若电路不完全对称，则 Ac 0， 实际输出电压 uo = Ac uic + Ad uid 即共模信号对输出有影响 。,输入级,中间级,输出级,9.1.3 集成运放的工作原理,反相 输入端,同相 输入端,输出端,+UCC,ui,-UEE,uo,T3,T4,T5,T1,T2,IS,1,2,3,+,+,集成运算放大器的管脚和符号,反相 输入端,同相 输入端,信号传 输方向,输出端,实
7、际运放开环 电压放大倍数,(a),(b),(a) 符号;,(b)引脚,1. 主要参数,1. 最大输出电压 UOM 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB,9.1.3 集成运放的特性,线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时，
8、uo = Uo+ u+ u 时， uo = Uo-,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区,实际特性,饱和区,O,1) 开环电压放大倍数,2) 开环输入电阻,3) 开环输出电阻,4) 共模抑制比,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件， 用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,4. 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：,线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat
9、),电压传输特性 uo= f (ui),线性区,理想特性,饱和区,O,理想运算放大器图形符号,理想运放工作在线性区的特点,因为 uo = Auo(u+ u ),所以(1) 差模输入电压约等于 0 即 u+= u ,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0 即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,Auo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。,O,理想运放工作在饱和区的特点,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo
10、 = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,9.2.1 反馈的基本概念,反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的 一部分或全部通过某种电路引回到输入端。,9.2 放大电路中的负反馈,通过RE 将输出电流 反馈到输入,通过RE 将输出电压 反馈到输入,(b) 带反馈,(a)不带反馈,1. 反馈的定义,+, 净输入信号, 反馈信号, 输出信号,净输入信号：,F,反馈电路,比较环节, 输入信号,基本放大电路,若三者同相，则Xd = Xi - Xf , 即Xd Xi , 此时,反馈信号削弱了净输入信号, 电路为负反馈。,若 Xd Xi ，即反馈信号起了增强净输入信号的作用则为正反馈。,负反馈：反馈
11、信号削弱净输入信号， 使放大倍数降低。,在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。,正反馈：反馈信号增强净输入信号， 使放大倍数提高。,2. 反馈的分类,返回,后一页,前一页,（1） 正反馈与负反馈,（2）交流反馈与直流反馈,在反馈网络中串接隔直电容，可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。,反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。反馈只对直流起作用，称为直流反馈。有的反馈对交直流均起作用。,返回,后一页,前一页,引入交 流负反 馈的目 的： 改善放大电路的性能,引入直 流负反 馈的目 的： 稳定静 态工作 点。,RE直流反馈,RE交直流反馈
12、,返回,后一页,前一页,(3)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。,(4)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。,反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。,3. 负反馈放大电路的一般表达式,反馈放大电路的基本方程,反馈系数,净输入信号,开环 放大倍数,闭环 放大倍数,负反馈使放大倍数下降。,则有：,| 1+AF| 称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强
13、，Af也就愈小。,射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈。,若|AF| 1，称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,负反馈,交流反馈,直流反馈,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,放大电路中不同类型的负反馈,稳定静态工作点,（1） 反馈极性的判别,利用瞬时极性法判别负反馈与正反馈的步骤：,4. 若反馈信号与输入信号加在同一输入端(或同一电极)上，,两者极性相反时，净输入电压减小, 为 负反馈；反之，极性相同为正反馈。,3. 若反馈信号与输入信号加在不同输入端(或两个电极)上，,两
14、者极性相同时，净输入电压减小, 为 负反馈；反之，极性相反为正反馈。,1.设接“地”参考点的电位为零。,9.2.2 负反馈放大电路的分析,（2）反馈方式的判别,(1)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。,(2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。,反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。,ib= ii - if,输入信号,反馈信号,净输入信号,并联反
15、馈,跳转1,ube= ui - uf,输入信号,净输入信号,串联反馈,反馈信号,反馈信号与输入 信号并联，即反馈电流信号与输入信号电流比较,称为并联反馈。,反馈信号与输入 信号串联，即反馈 电压信号与输入信 号电压比较的，称 为串联反馈。,返回,后一页,前一页,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 减小了净输入电压(差值电压) 负反馈,例1：,例2：,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui + uf,各电压的实际方向如图,uf 增大了净输入电压 正反馈,在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。,在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，
16、使放大器不能正常工作。,例3：,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ube =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 减小了净输入电压 负反馈,交流通路,交、直流分量的信号均可通过 RE，所以RE引入的是交、直流反馈。,如果有发射极旁路电容， RE中仅有直流分量的信号通过 ，这时RE引入的则是直流反馈。,分析步骤：,3) 是负反馈，判断负反馈的类型;,1) 找出反馈网络（一般是电阻、电容）；,2) 判别反馈极性；,4) 分析计算。,返回,后一页,前一页,1.串联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,uf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈,反馈电压,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电
