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1、第七章第七章 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用7.1 7.1 集成运算放大器的简介集成运算放大器的简介7.2 7.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈7.3 7.3 集成运放的线性应用集成运放的线性应用7.4 7.4 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用7.1 集成运放简介集成运放简介 一一. 集成运放的总体结构集成运放的总体结构 二二. 简单的集成运放简单的集成运放 原理电路：原理电路：u-u+ uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输
2、出端输出端三三. 集成运算放大器各部分的作用集成运算放大器各部分的作用 原理电路：原理电路：AB1. 偏置电路：偏置电路：偏置电路用于提供各级放大电路直流偏置电路用于提供各级放大电路直流偏置，偏置，通常采用恒流源电路以起到稳通常采用恒流源电路以起到稳定各级静态工作点和抑制温漂的作用。定各级静态工作点和抑制温漂的作用。2. 输入级：输入级：输入级采用差动放大电路输入级采用差动放大电路她具有温漂小和输入电阻较高的特点，她具有温漂小和输入电阻较高的特点，用于放大微弱的输入信号。用于放大微弱的输入信号。3. 中间级：中间级： 中间级在尽量提高通频带的情况下，实中间级在尽量提高通频带的情况下，实现较高的
3、电压增益。现较高的电压增益。 输出级一般为射极输出器。输出级一般为射极输出器。 用用来来提提高高集集成成运运放放的的输输出出电电流流和和功功率率，它它具具有有输输出出电电阻阻小小、带带负负载载能能力力强强的的特特点。点。4. 输出级：输出级： 1.输入失调电输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。部电路对称性的指标。四、四、 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 2.输入失调电流输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级
4、的差分对管基极电流在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。 3.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。 一般一般Aod在在104107左右。左右。 4.差模输入电阻差模输入电阻rid ： 输入差模信号时运放的输入电阻。输入差模信号时运放的输入电阻。数值数值越大，对信号源的影响越小。越大，对信号源的影响越小。 5.差模输出电阻差模输出电阻rod ： 输入差模信号时运放的输出电阻。输入差模信号时运放的输出电阻。数值数值越小，说明运放的带负载能力越大。越
5、小，说明运放的带负载能力越大。 6.共模抑制比共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)其其典典型型值值在在80dB以以上上，性性能能好好的的高高达达160dB。 7.开环开环带宽带宽 f H ： 运放的开环电压放大倍数在高频段下降运放的开环电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽所定义的带宽 f H 。 9.转换速率转换速率S R (压摆率压摆率)： 反映运放在大信号情况下对快速变化信号反映运放在大信号情况下对快速变化信号的反应能力。的反应能力。SR越大，说明运放的高频特越大，说明运放的高频特性越好，它通常在性越好，它通常在1.580V/s 。转换速率。
6、转换速率SR的表达式为的表达式为 8.最大输出电压最大输出电压 U opp ： 运放的开环电压放大倍数在高频段下降运放的开环电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽所定义的带宽 f H 。五、理想集成运算放大器五、理想集成运算放大器理想运放的主要性能参数理想运放的主要性能参数: : 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 共模抑制比共模抑制比 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻为了计算方便，常常把集成运放理想化，即认为了计算方便，常常把集成运放理想化，即认可所有越大越好的性能指标均假设为无穷大，可所有越大越好的性能指标均假设为无穷大，所有越小越好的性能均假设为零。所有越小越好的性能
7、均假设为零。运放在运放在线性工作性工作时的特点：的特点： 当集成运放连接成闭环负反馈状态时，集成运放工作在线性区，其特点是： （1）同相输入端和反相输入端“虚短虚短”，即 （2）同相输入端和反相输入端“虚断虚断”，即 “虚短虚短”和和“虚断虚断”是集成运放工作在是集成运放工作在线性区性区的两个重要的特点，是分析运放的两个重要的特点，是分析运放电路的基路的基础。 运放在运放在非非线性工作性工作时的特点：的特点： 当集成运放处于开环或正反馈状态时，集成运放工作在非线性区。此时集成运放的输出只有两种状态，高电平 和低电平 状态。在非线性区，集成运放满足: 当 时， 当 时， 从一个例子说起从一个例子
8、说起输入量：输入量：ui、ube、ib反反馈馈将将电电子子系系统统输输出出回回路路的的电电量量（电电压压或或电电流流），以以一一定定的方式送回到输入回路的过程。的方式送回到输入回路的过程。7.2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念输出量：输出量：uo、uce、ic正向传输正向传输信号从输入端到输出端的传输信号从输入端到输出端的传输TUBEICICUEIB稳定工作点电路：稳定工作点电路：UB一一定定基本放大电路基本放大电路A反馈网络反馈网络F放大放大：迭加：迭加：1.方框图：方框图：A称为开环称为开环放大倍数放大倍数+ 反馈反馈：AF称为闭环放大倍数称为闭环放大倍数AF=Xo / Xi输出信号输出
9、信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号净输入信号净输入信号F称为反馈系数称为反馈系数设设Xf与与Xi同相同相一一. .负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图负反馈放大器负反馈放大器2. 负反馈放大器的一般关系负反馈放大器的一般关系闭环放大倍数：闭环放大倍数：放大放大：反馈反馈：迭加：迭加：AF=Xo / Xi =Xo / (Xd+ Xf)= Xo / ( + XoF) =XoA11A+F=A1+AF3. 关于反馈深度的讨论关于反馈深度的讨论一般负反馈一般负反馈称为反馈深度称为反馈深度深度负反馈深度负反馈正反馈正反馈自激振荡自激振荡二二. 几个几个基本概念基本概念1. 开环与闭环开环与闭环电
10、电路路中中只只有有正正向向传传输输，没没有有反反向传输，称为向传输，称为开环状态。开环状态。正向传输正向传输信号从输入端到信号从输入端到输出端的传输输出端的传输反向传输反向传输信号从输信号从输出端到输入端的传输出端到输入端的传输既既有有正正向向传传输输，又又有有反反馈馈 称称为为闭环状态闭环状态。信号的正向传输信号的正向传输信号的正向传输信号的正向传输反馈传输反馈传输(通路通路)（反馈网络）（反馈网络）直流反馈直流反馈若电路将直流量反馈到输入回路，则若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。称直流反馈。2.直流反馈与交流反馈直流反馈与交流反馈 该电路引入直流反馈的目的该电路引入直流反馈的目的
11、，是为了稳定静态工是为了稳定静态工作点作点Q。交流反馈交流反馈若电路将若电路将交流量反馈到输入回路，交流量反馈到输入回路，则称交流反馈。则称交流反馈。（如去掉电容（如去掉电容Ce）交流反馈，影响电路的交流反馈，影响电路的交流工作性能交流工作性能。直流反馈直流反馈交流反馈交流反馈ic 解解：根根据据反反馈馈到到输输入入端端的的信信号号是是交交流流还还是是直直流流还还是是同同时时存在，来进行判别。存在，来进行判别。例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。交、直流反馈交、直流反馈交流反馈交流反馈 注意电容的注意电容的“隔直通交隔直通
12、交”作用！作用！例：基本放大器，无反馈，净输例：基本放大器，无反馈，净输入量入量ube=ui，电压放大倍数为：电压放大倍数为：3.负反馈与正反馈负反馈与正反馈负反馈负反馈输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，放大倍数减小。放大倍数减小。引入反馈后，净输入量引入反馈后，净输入量ube =ui- uf ，电压放大倍数为：电压放大倍数为：可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。正反馈正反馈输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，放大倍数增加。放大倍数增加。7.2.
13、2 7.2.2 负反馈放大器的四种类型负反馈放大器的四种类型负反馈类型负反馈类型有四种组态有四种组态: : 电压串联负反馈电压串联负反馈 电压并联负反馈电压并联负反馈 电流串联负反馈电流串联负反馈 电流并联负反馈电流并联负反馈一一. . 电压串联负反馈电压串联负反馈根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路为电压串联负反馈电压串联负反馈从输入端看，有：从输入端看，有：ud = ui -uf故为串联负反馈。故为串联负反馈。用用“瞬时极性法瞬时极性法”判断反馈极性：判断反馈极性： 假设某一瞬时，在放大电路的输入假设某一瞬时，在放大电路的输入端加入一个正极性的输入信号
14、，按信端加入一个正极性的输入信号，按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减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。小，则为负反馈；反之为正反馈。反馈电压：反馈电压：因为反馈量与输出电压成比例，所以称电压反馈。因为反馈量与输出电压成比例，所以称电压反馈。二二. .电压并联负反馈电压并联负反馈根据瞬时极性判根据瞬时极性判断是负反馈，所断是负反馈，所以该电路为以该电路为电压电压串联负反馈。串联负反馈。id = ii -if从输入端看有：从输入端看有：因
15、为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。因为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。 反馈电流：反馈电流：故为并联负反馈。故为并联负反馈。三三. .电流并联负反馈电流并联负反馈根据瞬时极性判断是根据瞬时极性判断是负反馈，所以该电路负反馈，所以该电路为为电流并联负反馈。电流并联负反馈。又因为又因为在输入端有在输入端有:id = ii -if 反馈电流：反馈电流：因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。故为并联负反馈。故为并联负反馈。 四四. .电流串联负反馈电流串联负反馈 反馈电压：反馈电压：uf=ioRf根据瞬时极性判断是根据瞬时极性判断是负反
16、馈，所以该电路负反馈，所以该电路为为电流串联负反馈电流串联负反馈ud = ui -uf又因为又因为在输入端有在输入端有因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。因为反馈量与输出电流成比例，所以是电流反馈。故为串联负反馈。故为串联负反馈。 五五. .反馈类型及判别方法总结反馈类型及判别方法总结1.1.直流反馈与交流反馈直流反馈与交流反馈注意电容的注意电容的“隔直通交隔直通交”作用作用 例题例题1:试判断下图电路中有哪些反馈支路，各是直流反试判断下图电路中有哪些反馈支路，各是直流反馈还是交流反馈？馈还是交流反馈？2.2.反馈极性：正反馈与负反馈反馈极性：正反馈与负反馈判定方法判定方法“瞬时极性法
17、瞬时极性法”例题例题2:试判断下列电路中反馈支路的反馈极性。试判断下列电路中反馈支路的反馈极性。对于串联反馈：对于串联反馈：输入量与反馈量作用在不同的两点上，若输入量与输入量与反馈量作用在不同的两点上，若输入量与反馈量的瞬时极性相同为负反馈，瞬时极性相反为正反馈。反馈量的瞬时极性相同为负反馈，瞬时极性相反为正反馈。对于并联反馈：对于并联反馈：输入量与反馈量作用在同一点上，若反馈元件两端输入量与反馈量作用在同一点上，若反馈元件两端瞬时极性相反为负反馈，瞬时极性相同为正反馈。瞬时极性相反为负反馈，瞬时极性相同为正反馈。3. 取样方式取样方式电压反馈与电流反馈电压反馈与电流反馈 假设输出端交流短路（
18、假设输出端交流短路（RL=0），即），即uo=0，若若反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。然存在，则为电流反馈。电压反馈：电压反馈：反馈信号的大小与输出电压成比反馈信号的大小与输出电压成比 例。例。判断方法判断方法输出短路法：输出短路法：电流反馈：电流反馈：反馈信号的大小与输出电流成比反馈信号的大小与输出电流成比 例。例。例题例题3:试判断下列电路中引入的反馈是电试判断下列电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈。压反馈还是电流反馈。 电流反馈电流反馈 电压反馈电压反馈 4.比较方式比较方式串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈
19、串联反馈：串联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极。有：入回路的两个电极。有：ud = ui -uf 并联反馈：并联反馈：反馈信号与输入信号加在放大电路输反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极。有：入回路的同一个电极。有：id = ii -if 此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。 对于三极管电路：对于三极管电路： 若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或
20、发射极，则为并联反馈。极，则为并联反馈。 若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。则为串联反馈。 对于运放电路：对于运放电路： 若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端为并若反馈信号与输入信号同时加在同相端或反相端为并联反馈。联反馈。 若反馈信号与输入信号一个加在同相端一个加在反相若反馈信号与输入信号一个加在同相端一个加在反相端则为串联反馈。端则为串联反馈。7.2.3 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性 改善了波形失真改善了波形失真 展宽了通频带展宽了通频带 改变输入
21、电阻和输出电阻改变输入电阻和输出电阻 在放大器中引在放大器中引入负反馈入负反馈 降低了放大倍数降低了放大倍数 使使放大器的性能得以改善：放大器的性能得以改善：一一. 提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性闭环时闭环时则则只考虑幅值有只考虑幅值有即闭环增益相对变化量比开环减小了即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF倍倍另一方面另一方面:在深度负反馈条件下在深度负反馈条件下 即即闭闭环环增增益益只只取取决决于于反反馈馈网网络络。当当反反馈馈网网络络由由稳稳定定的的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。2. 改善放大器的非线性失真改善放大器的非线性失
22、真Auiufuiuoud加反馈前加反馈前加反馈后加反馈后AF+ 失真失真改善改善uouo3. 3. 扩展放大器的通频带扩展放大器的通频带 放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。 无反馈时放大器的通频带：无反馈时放大器的通频带： fbw= f HfL f H 有反馈时放大器的通频带：有反馈时放大器的通频带： fbwf= f HffLf f Hf可以证明：可以证明：fbwf = (1+AF) fbw放大器的一个重要特性：放大器的一个重要特性：增益与通频带之积为常数。增益与通频带之积为常数。 即：即： Amf fbwf= Am fbw02
23、0lg|A|（dB）F（Hz） Am fL fH fLf fHf Amf4. 4. 负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响 (1) (1) 串联负反馈使输入电阻增加串联负反馈使输入电阻增加 无无反馈时：反馈时： 有有反馈时：反馈时：(2)(2)并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈使输入电阻减小 无无反馈时：反馈时： 有有反馈时：反馈时：5. 5. 负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响 电压负反馈电压负反馈稳定输出电压（当负载变化时）稳定输出电压（当负载变化时）恒压源恒压源输出电阻小。输出电阻小。(1) (1) 电压负反馈使输出电阻减小电压负反馈使输出电阻减小 电流负反馈电流负反馈稳
24、定输出电流（当负载变化时）稳定输出电流（当负载变化时）恒流源恒流源输出电阻大。输出电阻大。(2) (2) 电流负反馈使输出电阻提高电流负反馈使输出电阻提高为改善性能引入负反馈的一般原则为改善性能引入负反馈的一般原则 要稳定直流量要稳定直流量引直流负反馈引直流负反馈 要稳定交流量要稳定交流量引交流负反馈引交流负反馈 要稳定输出电压要稳定输出电压 引电压负反馈引电压负反馈 要稳定输出电流要稳定输出电流 引电流负反馈引电流负反馈 要增大输入电阻要增大输入电阻 引串联负反馈引串联负反馈 要减小输入电阻要减小输入电阻 引并联负反馈引并联负反馈7.3.1 比例运算电路比例运算电路一一. 反相比例运算反相比
25、例运算虚地点虚地点i1=if （虚断）虚断）因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断u+ =0 u=u+=0（虚地）虚地）反馈方式：反馈方式：电压并联负反馈电压并联负反馈电压放大倍数电压放大倍数:例题例题1. R1=10k , Rf=20k , , ui =-1V=-1V。求求: :uo 、Ri。说明说明R0的作用，的作用， R0应为多大？应为多大？特点：特点：共模输入电压共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：缺点：输入电阻小（输入电阻小（ Ri=R1） R0为平衡电阻为平衡电阻(使输使输入端对地的静态电阻入端对地的静态电阻相等相等):R0=R1/Rf二二. 同相比例运算电路同
26、相比例运算电路u-= u+= uii1=if （虚断）虚断）平衡电阻平衡电阻R=Rf/R1因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈电压串联负反馈特点：特点：输入电阻高输入电阻高缺点：缺点：共模输入电压共模输入电压0（u=u+=ui）电压放大倍数电压放大倍数:反相加法器反相加法器：若若R1 =R2 =R, 平衡电阻平衡电阻R0= R1/ R2/Rfi1 + i2= if7.3.2 基本运算电路基本运算电路一一. 加法运算电路加法运算电路虚地虚地叠加原理叠加原理1、差动减法器、差动减法器 ui1作用作用二二. 减法运算电路减法运算电路则则有：有：
27、ui2作用作用2、利用加法器和反相比例器、利用加法器和反相比例器1. 积分电路积分电路三三. 积分和微分电路积分和微分电路练练习习: : 画画出出在在给给定定输输入入波波形形作作用用下下积积分分器器的输出波形。的输出波形。tui0212345tuo0-2-4-6应用举例：应用举例：输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。tui0tuo02. 微分电路：微分电路：u-= u+= 07.3.1 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用 电压比较电压比较器是常用的信器是常用的信号处理电路，号处理电路，它可以对两个它可以对两个输入电压的相输入电压的相对大小进行比对大小进行比较，比较的结较，比较的结果用输出电压果用输出电压的两个电平来的两个电平来区分。区分。过零比较器过零比较器电压比较器电压比较器方波发生器方波发生器运放作为一个比较器存在，运放作为一个比较器存在，被双向稳压二极管限幅至被双向稳压二极管限幅至 ，RC为充放电电路。为充放电电路。
