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1、第三章 集成运算放大器的应用软件学院侯刚1主要内容3.1 集成运算放大器3.2 放大电路中的反馈3.3 集成运算放大器的主要参数3.4 基本的运算电路3.5 有源滤波电路23.1 集成运算放大器 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路（Integrated Circuits，简称IC）。它的体积小，而性能却很好。自1959年世界上出现第一块集成电路至今，经过五十年时间的发展，它已深入到一切产业的每种产品中。在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电
2、冰箱等家用电器中都采用了集成电路。33.1 集成运算放大器集成运算放大电路的实质：一个高增益的多级直接耦合（差动放大）集成放大电路。与分立元件电路比较具有：体积小、重量轻、耗电省、成本低、可靠性高等优点。43.1 集成运算放大器3.1.1 集成电路的特点 由于制造工艺上的原因，模拟集成电路与分立元件电路相比有以下特点： 1电阻和电容的值不宜做得太大，电路结构上采用直接耦合方式。 2为克服直接耦合电路的温度漂移，常采用差分放大电路。 3尽量采用半导体三极管(或场效应管)代替电阻、电容和二极管等元件。53.1.2 集成运算放大器的组成和电路符号 集成运放的内部电路通常由偏置电路、输入级、中间级和输
3、出级组成。n输入极是集成运放性能指标好坏的关键，常采用差分放大电路来减小温度漂移，并提供运放的同相输入端和反相输入端。n中间级主要用来放大，常采用带有源负载的共发射极放大电路来提高电压增益。n输出极用来提高输出电压和电流的幅度，要求输出功率和带负载能力强。常用PNP和NPN管构成的互补对称共集电极放大电路，又称OCL功率放大电路。并设有过载保护措施。 63.1.2 集成运算放大器的组成和电路符号集成运放组成框图73.1.2 集成运算放大器的组成和电路符号运算放大器电路符号1、反相输入端，用符号“”表示。由此输入的信号，输出与输入信号反相；2、同相输入端，用符号“+”表示。由此输入的信号，输出与
4、输入信号同相；3、输出端。83.1.2 集成运算放大器的组成和电路符号大多数集成运放需要两个直流电源：正电源+VCC和负电源VCC93.2 放大电路中的反馈3.2.1 反馈的基本概念1.反馈：将放大电路输出量(电压或电流)的一部分或全部通过反馈网络，以一定的方式回送到输入回路，并影响输入量(电压或电流)和输出量，这种电压或电流的回送过程称为反馈。 103.2.1 反馈的基本概念2、判断电路是否存在反馈 判断一个电路是否存在反馈，要看该电路的输出回路和输入回路之间有无联系作用的反馈网络。凡是联系输入回路与输出回路的元件都是反馈元件。113.2.1 反馈的基本概念3、直流反馈与交流反馈如果反馈元件
5、仅存在于直流通路中，则为直流反馈；如果反馈元件仅存在于交流通路中，则为交流反馈；如果反馈元件既存在于直流通路中，又存在于交流通路中，则说明该反馈元件对直流和交流都有反馈作用。 123.2.1 反馈的基本概念示例解析：判断直流和交流反馈133.2.1 反馈的基本概念4、正反馈和负反馈放大电路引入反馈后，削弱了净输入信号，使电路的增益降低，这种反馈称为负反馈；反馈量增强了净输入信号，使增益提高的反馈称为正反馈。判断反馈极性常采用瞬时极性法： 先假设输入电压信号的极性为，推出放大电路各点的极性并确定电路从输出回路反馈到输入回路的瞬时极性，最后判断反馈量的极性是增强还是削弱净输入信号，便可判定是正负反
6、馈。 143.2.1 反馈的基本概念判断正负反馈的经验法：反馈信号加到输入端时，极性与输入信号的极性相反为负反馈；反之为正反馈。反馈信号加到非输入端时，极性与输入信号相同为负反馈；反之为正反馈。判断输入输出极性的方法：集成运放信号从同相输入端输入时，输出与输入同相；信号从反相输入端输入时，输出与输入反相；共发射极电路输入、输出反相；共集电极与共基极电路输入、输出同相；153.2.1 反馈的基本概念示例解析：判断正负反馈163.2.1 反馈的基本概念5、电压反馈与电流反馈 判断反馈是电压反馈还是电流反馈主要看输出取样对象是电压还是电流，反馈信号正比于输出电压的是电压反馈。反馈信号正比于输出电流的
7、是电流反馈。常用输出负载短路法来判断电压反馈还是电流反馈： 令RL=0，即输出端负载短路，若Uo0，反馈不存在，则为电压反馈；如反馈仍存在则为电流反馈。判别电压和电流反馈的经验法： 反馈量取自于信号输出端的是电压反馈。 反馈量取自于非信号输出端的是电流反馈。 173.2.1 反馈的基本概念示例解析：判断电压反馈与电流反馈183.2.1 反馈的基本概念6、串联反馈与并联反馈 串联反馈与并联反馈是以反馈信号与输入信号在输入端比较的方式来区分的。反馈信号和输入信号以电压形式在输入回路串联相比较，调整输入电压的反馈是串联反馈，而以电流形式在输入节点并联相比较，调整输入电流的是并联反馈。判别串联反馈与并
8、联反馈的经验法： 反馈量加到非信号输入端的是串联反馈。 反馈量加到信号输入端的是并联反馈。193.2.1 反馈的基本概念示例解析：判断串联反馈与并联反馈203.2.2 负反馈放大电路的组态 按反馈信号的输出取样方式和输入连接的比较方式可以组成四种反馈组态： 电压串联负反馈 电流串联负反馈 电压并联负反馈 电流并联负反馈213.2.2 负反馈放大电路的组态1、电路组成 电压串联负反馈将负载RL短路，则Uo=0，Uf也随之为零，反馈不存在了，故为电压反馈；反馈量加到非信号输入端的是串联反馈，故为串联反馈；223.2.2 负反馈放大电路的组态 电流串联负反馈nR1是联系输入输出回路的反馈元件，输出电
9、流Io通过R1产生反馈电压将负载RL短路，R1仍然接在输入、输出、回路之间，即反馈仍然存在，故为电流反馈；反馈电压Uf加在非信号输入端，在输入回路中与输入电压Ui串联相比较，故为串联反馈。233.2.2 负反馈放大电路的组态 电压并联负反馈Rf是联系输入输出回路的反馈元件。反馈信号取自于输出端的电压量;令RL=0，反馈不存在，故为电压反馈；反馈量加到信号输入端，故为并联反馈。243.2.2 负反馈放大电路的组态 电流并联负反馈R2是反馈元件;令RL=0时，反馈仍然存在，是电流反馈；反馈信号加在集成运放的信号输入端，与输入信号在输入节点以电流形式相比较，是并联反馈。253.2.2 负反馈放大电路
10、的组态2、负反馈的几个特点电压负反馈可以稳定输出电压 263.2.2 负反馈放大电路的组态 电流负反馈可以稳定输出电流273.2.2 负反馈放大电路的组态 串联反馈应采用电压源激励 串联反馈，输入信号、反馈信号及净输入信号在输入回路中以电压形式比较，有 并联反馈应采用电流源激励 并联反馈，输入信号、反馈信号及净输入信号在输入回路中以电流形式比较，有283.2.3 反馈放大电路闭环增益的一般表达式 A方框为无反馈的基本放大电路；F方框表示反馈网络；X表示一般信号量，可以是电压，也可以是电流。基本放大电路的开环增益 反向传输时的反馈系数1、方框图 293.2.3 反馈放大电路闭环增益的一般表达式2
11、、负反馈放大电路的一般表达式负反馈放大电路的闭环增益：接入负反馈后，放大电路的闭环增益Af为无反馈的开环增益A的1/(1+AF)。由于(1+AF)反映了反馈对放大电路性能的影响程度，负反馈放大电路性能改善的程度都与(1+AF)有关，因此，通常把(1+AF)称为反馈深度，而将AF成为环路增益，都是无量纲的。303.2.3 反馈放大电路闭环增益的一般表达式对反馈深度的分析： 当|1+AF|1时，|Af|1，一般满足|AF|10，即为深度负反馈时，Af1/F。此时，电路增益几乎与基本放大器的开环增益A无关，仅取决于反馈网络的反馈系数。 当反馈网络为无源网络时，反馈系数仅与网络元件参数有关，即F值基本
12、确定。因此，闭环增益Af比较稳定，一般设计反馈放大电路时，采用高增益放大器，然后加入深度负反馈来提高电路的稳定性。313.2.3 反馈放大电路闭环增益的一般表达式 当|1+AF|A|，即引入了反馈后提高了放大电路增益，这种反馈为正反馈。正反馈虽然可以提高增益，但使放大电路的性能不稳定，所以比较少用。 当|1+AF|=0时，|Af|=，即在没有输入信号时也有输出信号，此时产生了自激振荡，使放大电路不能正常工作。在负反馈放大电路中，自激振荡现象要设法消除。323.2.4 深度反馈条件下闭环电压增益的近似计算1、深度负反馈电路的特点(1) 闭环放大倍数Af只取决于反馈系数F，和基本放大电路的放大倍数
13、A无关。(2) 深度负反馈条件下有反馈量Xf近似等于输入量Xi，即XiXf。(3) 深度负反馈条件下，反馈环路内的参数可以认为理想。333.2.4 深度反馈条件下闭环电压增益的近似计算在串联反馈电路中，输入量和反馈量均为电压在并联反馈电路中，输入量和反馈量均为电流“虚短”“虚断”343.2.4 深度反馈条件下闭环电压增益的近似计算2、闭环电压增益的近似计算估算闭环电压增益的方法有两种：(1) 由Af=1/F，先求出反馈系数，然后再求出广义放大倍数，要得到电压增益，需要进行换算。(2) 利用负反馈的特点Xi=Xf，用电路中虚短、虚断的概念，估算闭环增益电压。353.2.4 深度反馈条件下闭环电压
14、增益的近似计算例题讲解：书例3-1、例3-2、例3-3、例3-4363.2.4 深度反馈条件下闭环电压增益的近似计算37深度反馈条件下闭环电压增益的近似计算383.2.4 深度反馈条件下闭环电压增益的近似计算393.2.5 负反馈对放大电路性能的影响1、提高闭环增益Af的稳定性 放大电路的闭环增益可能由于种种原因而发生变化，如环境温度的变化、电源电压的变化、器件的老化或更换等原因。负反馈对输出量有自动调节作用，使增益稳定 。闭环增益的相对变化量为开闭环增益的相对变化量为开环增益相对变化量的环增益相对变化量的403.2.5 负反馈对放大电路性能的影响某一放大电路的放大倍数A=1000，当引入负反
15、馈后放大倍数稳定性提高到原来的100倍，求：(1)反馈系数；(2)闭环放大倍数；(3)A变化10%时的闭环放大倍数及其相对变化量。解 1+AF=100反馈系数为F=(2) 闭环放大倍数为(3) A变化10%时，闭环放大倍数的相对变化量为此时的闭环放大倍数为(1) 413.2.5 负反馈对放大电路性能的影响2、减小非线性失真Aouiuo加反馈前加反馈前加反馈后加反馈后ufuiudAoF+ 改善改善uo423.2.5 负反馈对放大电路性能的影响3、改变放大电路的输入和输出电阻(1) 对输入电阻的影响 串联负反馈使电路的输入电阻增加：433.2.5 负反馈对放大电路性能的影响 并联负反馈使电路的输入
16、电阻减小：443.2.5 负反馈对放大电路性能的影响(2) 对输出电阻的影响 电压负反馈使放大电路输出电阻减小； 电流负反馈使放大电路输出电阻增大；A是放大电路输出端开路时基本放大电路的源增益。A是输出端短路时基本放大电路的源增益。453.2.6 放大电路中引入负反馈的一般原则（1）要稳定放大电路的静态工作点Q，应该引入直流负反馈。（2）要改善放大电路的动态性能（如增益的稳定性、稳定输出量、减小失真、扩展频带等），应该引入交流负反馈。 （3）要稳定输出电压，减小输出电阻，提高电路的带负载能力，应该引入电压负反馈。 （4）要稳定输出电流，增大输出电阻，应该引入电流负反馈。463.2.6 放大电路
17、中引入负反馈的一般原则 （5）要提高电路的输入电阻，减小电路向信号源索取的电流，应该引入串联负反馈。 （6）要减小电路的输入电阻，应该引入并联负反馈。 注意，在多级放大电路中，为了达到改善放大电路性能的目的，所引入的负反馈一般为级间反馈。473.3 集成运算放大器的主要参数及分析方法3.3.1 集成运算放大器的主要参数1输入失调电压Uio(或称输入补偿电压)理想的运算放大器，当输入为零时(指同向和反向输入端同时接地)，输出电压应该为零，由于工艺等原因造成元件参数不对称，输出并不为零。通常用失调电压来反映这种不对称程度。当输入端为加入一补偿电压Uio，可使输出电压为零，一般为几个毫伏。越小越好。
18、483.3.1 集成运算放大器的主要参数2、输入失调电流Iio(或称输入补偿电流)输入为零时，放大器两个输入端的静态基极电流之差，称为输入失调电流，即Iio= IB1-IB2Iio破坏放大器的平衡，一般是几十纳安。越小越好。3、输入偏置电流IB输入为零时，两个输入端静态电流的平均值称为输入偏置电流，即IB=(IB1+IB2)/2。一般为几百纳安，越小越好。493.3.1 集成运算放大器的主要参数4、开环差模电压放大倍数Auo(Ad)当运放未接反馈电路时其本身的差模直流电压放大倍数，即Auo愈高，所构成的运放电路愈稳定，运算精度也愈高。Auo一般为104107dB或80140dB.。5、最大输出
19、电压Uomax(或称输出峰一峰电压)输出不失真的最大输出电压值。503.3.1 集成运算放大器的主要参数6、最大共模输入电压Uicmax由于差动输入级对共模信号有抑制作用，因此运放的输出基本上不受其影响。抑制共模信号的作用是在一定的共模电压范围内才有效，如超出此范围，将使运放内部管子工作在不正常状态(处于饱和或截止)，抑制能力显著下降，甚至造成器件损坏。513.3.1 集成运算放大器的主要参数7、最大差模输入电压UidmaxUidmax是指两输入端之间所能承受的最大差模输入电压。超过这个电压值，输入级某侧晶体管将会出现反向击穿现象，其典型值为几伏到几十伏。集成运放开环差模电压放大倍数与开环共模
20、电压放大倍数之比就是集成运放的共模抑制比，CMR常用分贝表示。越大越好；8、共模抑制比CMR523.3.1 集成运算放大器的主要参数9、差模输入电阻Rid 和输出电阻RoRid表征两输入端对差摸信号呈现的输入电阻，其值为几百千欧至数兆欧。Rid越大对信号源的影响及所引起的动态误差越小。Ro是指开环状态下输出电阻，越小越好。533.3.2 理想集成运放及其分析方法集成运放理想化条件：开环差模电压放大倍数Auo=；开环输入电阻Rid=；开环输出电阻Ro=0；共模抑制比CMR=。543.3.2 理想集成运放及其分析方法理想运放分析法： 虚短对于工作在线性区的理想运放，U+-U-=Uo/Auo根据Au
21、o，而Uo只能为有限值，则有运放两个输入端对地的电压几乎相等，即U+U-(或Uid=U+-U-=0)二者不相连而电位又几乎相等，相当于虚短路，通常称为“虚短”； 553.3.2 理想集成运放及其分析方法 虚断根据差模输入电阻Rid的理想化条件，运放的输入电流Iid=Uid/rid0。运放的两个输入端没有电流流入，即I+=I-0 相当于断开一样，故通常称为“虚断” 。563.4 基本运算电路3.4.1 比例运算电路1、反相输入比例运算电路及反相器573.4.1 比例运算电路2、同相输入比例运算电路及电压跟随器 输入电压加在同相输入端，为保证运放工作在线性区，在输出端和反相输入端之间接反馈电阻Rf
22、构成深度电压串联负反馈，R为平衡电阻，R= RfR1。 583.4.1 比例运算电路比例系数取决于电阻Rf与R1阻值之比。同相比例运算电路中引入了电压串联负反馈，故可以进一步提高电路的输入电阻，降低输出电阻。若R1=或Rf=0，则uo=ui，此时电路构成电压跟随器。593.4.2 加减运算电路1、反相加法运算电路 两个输入信号ui1、ui2（实际应用中可以根据需要增减输入信号的数量），分别经电阻R1、R2加在反相输入端；为使运放工作在线性区，Rf引入深度电压并联负反馈；R为平衡电阻，R= RfR1R2。603.4.2 加减运算电路2、同相加法运算电路 为实现同相求和，可以将各输入电压加在运放的
23、同相输入端，为使运放工作在线性状态，电阻支路Rf引入深度电压串联负反馈。613.4.2 加减运算电路3、减法运算电路：如果输入信号由运放的两个输入端同时加入，则为减法运算电路，也称差值运算电路。623.4.3 积分和微分电路1、积分运算电路 积分电路可以完成对输入信号的积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正比。电容C引入电压并联负反馈，运放工作在线性区。 633.4.3 积分和微分电路643.4.3 积分和微分电路基本积分电路的积分波形653.4.3 积分和微分电路2、微分运算电路 微分是积分的逆运算，微分电路的输出电压是输入电压的微分。图中R引入电压并联负反馈使运放工作在线性区。 663.
24、4.4 对数与指数运算电路1、对数运算电路：反馈网络中采用电压和电流成对数关系的元件，则可实现对数运算。可使用二极管，实现对数运算电路，二极管作为反馈元件。673.4.4 对数与指数运算电路2、指数运算电路：是对数运算的逆运算，将指数运算电路中电阻与二极管对调即可得到指数运算电路。683.4.5 乘法和除法运算电路模拟乘法电路：用来实现两个模拟信号相乘作用的电子器件，简称为模拟乘法器。它有同相模拟乘法器和反相模拟乘法器，它们的输出电压与输入电压的函数关系分别为：693.4.5 乘法和除法运算电路应用举例：乘法运算：平方运算：正弦波倍频：压控增益：703.4.5 乘法和除法运算电路除法运算：71
25、3.4.5 乘法和除法运算电路开方运算：723.4.6 基本运算电路应用举例1、同相式电压源733.4.6 基本运算电路应用举例2、测量放大器743.5 有源滤波电路 滤波电路的功能是一种能使有用频率信号顺利通过，而同时抑制(或大为衰减)无用频率信号的电子装置，简称滤波器。滤波电路分类:滤波电路按所处理的信号是连续变化的还是离散的，可分为模拟滤波电路和数字滤波电路 ；按是否采用有源元件，可分为无源滤波电路和有源滤波电路。按幅频特性所表示的通过或阻止信号频率的不同，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。753.5 有源滤波电路低通、高通、带通、带阻763.5 有源滤波电路一阶低通滤波器77习题3.1、3.2、3.1278
