第3章集运算放大器

1、第 3 章集成运算放大器第第3章章 集成运算放大器集成运算放大器第第1节节 集成运算放大器概述集成运算放大器概述第第2节节 集成运算放大器基本应用电路集成运算放大器基本应用电路第第3节节 集成运放应用电路分析集成运放应用电路分析第第4节节 集成运放电路中的负反馈集成运放电路中的负反馈第第5节节 正弦波振荡器和信号发生器正弦波振荡器和信号发生器第第6节节 集成运算放大器使用注意问题集成运算放大器使用注意问题第第7节节 集成运放实际运用举例集成运放实际运用举例第3章 重点 理想运算放大器的特点 运算放大器的运算功能 负反馈的概念、负反馈类型的判断、负反馈对放大器性能的影响 比较器 正弦波振荡器 u

2、o-uee+ucct3t4t5t1t2is输出级输出级输入级输入级中间级中间级 u反相端反相端与与uo反相反相 u同相端同相端与与uo同相同相3.1.1基基本组成本组成3.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述理想运放：理想运放： ri kcmrr ro 0ao uu+ uo_+ + u+u-u0 ri 高高:几十几十k 几百几百k ，甚至达，甚至达到到1012 kcmrr 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 a o 很大很大: 104以上以上 107运放符号：运放符号： u u+ uo a0 uo=au(u+-u-)运放的特点和符号运放的特点和符号线性区线性区ao很大，运放的线性范

3、围很大，运放的线性范围很很小，小，必须加必须加负反馈负反馈才能使其工作于才能使其工作于线性区线性区uiuo+uom-uom 3.1.3理想运放的分析方法（在线性区理想运放的分析方法（在线性区）饱和区uo= uomri , ,i ii i 0, 0,同相和反相输入两端间可视为同相和反相输入两端间可视为断开断开虚断虚断虚短虚短- -+ + uu同相和反相输入端间可视为短路（电压）同相和反相输入端间可视为短路（电压）uuauuo- -+ +- -= =03.1.2运放的传输曲线运放的传输曲线1、理想运算放大器的特点是什么？、理想运算放大器的特点是什么？2、什么是虚断和虚短？应用时，有什么条件？、什么

4、是虚断和虚短？应用时，有什么条件？习题：习题：p170 3.8.1思考题思考题理想运放：理想运放： ri kcmrr ro 0ao ri ,i,ii i 0, 0,同相和反相输入两端间可视为同相和反相输入两端间可视为断断开（电流）开（电流）虚断虚断虚短虚短- -+ + uu同相和反相输入端间可视为短路（电压）同相和反相输入端间可视为短路（电压）_+ + u+u-u0uuauuo- -+ +- -= =0理想运放、虚短、虚断的概念理想运放、虚短、虚断的概念3.2 集成运算放大器基本应用电路集成运算放大器基本应用电路(1) 反相比例运算反相比例运算_+ + rfr1r2uiuoiiiffoirur

5、u-=10uu= = - -+ +ii if虚短虚短虚断虚断反相器反相器r1=rf uo= ui1f10ufrruua- -= = =1.比例运算电路比例运算电路3.2.1 基本运算电路基本运算电路_+ + rfr1r2uiuo平衡电阻，使输入端平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。对地的静态电阻相等。平衡电阻平衡电阻r r2 2作用作用 平衡电阻平衡电阻r2= r1 /rf_+ + rfr1r2uiuou- u+= ui虚短；虚短；i1 if 虚断虚断1if+oruruu= =- -= i1if =变形变形ifi1+12ou)rr1(u+ += =iurrru434+=+(2) 同相比例运算

6、同相比例运算r+1fou)r1(u+ += =ri1fu)r1( + += =iouuuu= = = =+ +- -ri1fou)r1(u+ += =_+ + r1r2uiuorf_+ + r2uiuo_+ + uiuo电压跟随器电压跟随器uo_+ + rfr11r12ui2r2ui1ii1ii2if)(2121110ififurrurru+-=0=-+uufiiiii+21虚短虚短虚断虚断)u（uui2i10+ +- -= =r 11 = r 12 = r f = r 反相求和运算反相求和运算2.加法运算电路加法运算电路此电路如果以此电路如果以u+为为输入输入 ，则输出为：，则输出为：+=u

7、rruf)1 (10u+ ui1 、ui2？22221211222122iiurrrurrru+=+r1rf+u i1+_uor21r22ui2-)urrrurrr)(rr1(u2i1211111i1211121f+=o根据叠加原理根据叠加原理同相求和运算同相求和运算_+ + rfr1r2ui2uor3ui1叠加原理叠加原理1123231232312111)1 ()1 (ififoifoifourrurrrrruurrrrruurru-+=+=-=当r1=r2，r3=rf时)121(iifouurru-=当r1=r2=r3=rf时12iiouuu-=3.减法运算电路减法运算电路（差动放大器）（

8、差动放大器）uor/2r/2+arr-+a-+arrr1ui1ui2uo1uo2ab+图示电路，证明：图示电路，证明：)(21 (2121iiouurru-+=例：例：+a_+arrr1ui1ui2u01u02ab+迭加求解法迭加求解法0101011211(1)iirruuuuurr=+=+-根据电路的对称性022111(1)iirruuurr=+-ui1单独作用011(1)1iruur =+ui2单独作用0121iruur = -)uu(r/2ru0102o- -= =uor/2r/2+arru01u02)(21 (2121iiouurru-+=ui0时：时：i11fourru- -= =u

9、iu-uo=+uom u+ 0 时时,uo1 0 , d2 导通导通, d1 截止截止, uo = 0 ; ui 0, d2 截止截止, d1导通，此时导通，此时:tuooifourru1-=+uiuor1rfr2d1d2auo1显然，只要运放的输显然，只要运放的输出电压大于二极管的出电压大于二极管的正向电压，正向电压，d1 和和 d2 中中总有一个导通，另一总有一个导通，另一个截止，这个电路就个截止，这个电路就能正常整流。能正常整流。 这个电路所要求的最小输入电压峰值为：这个电路所要求的最小输入电压峰值为：ud/au ud 为二极管的正向电压为二极管的正向电压au=rf/r1+uiuor1r

10、fr2d1d2auo1如果我们希望获得正半波如果我们希望获得正半波的输入信号，怎么办？的输入信号，怎么办？二极管反向二极管反向+uiuor1rfr2d1d2思考题：思考题： iouu iouu iouu iouu低通低通高通高通带通带通带阻带阻理想滤波器 五、有源滤波器五、有源滤波器rcriu ou + + = = j1rj1uuiorcj11 + += =0j11 + += =rc10= = iouu0 10.707 0截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差。、带负载能力差。2、无放大作用。、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。一阶无源低通滤波

11、器一阶无源低通滤波器iucj1rcj1u + + + + = =+=iurcj11rcjrruufio+=11)1 (1rr1rfc+-+iu ou 此电路改进：此电路改进：1、带负载能力强差。、带负载能力强差。2、有放大作用。、有放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。f1rru+o+ += =（1）u iouu00 0=？一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器 iouu00rr1rfc+-+iu ou crpid校正电路校正电路uo=?uuio=u i+uorr2crc二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器1、工作在线性放大区的运算放大器电路有什么共同点？、工作在线性放大区

12、的运算放大器电路有什么共同点？2、为什么在分析运算电路时可用叠加定理？、为什么在分析运算电路时可用叠加定理？3、电压比较器是运算放大器的非线性应用？比较器有什么用、电压比较器是运算放大器的非线性应用？比较器有什么用途？途？4、什么是有源滤波？、什么是有源滤波？习题：习题：p176 3.8.23，3.8.20，思考题思考题凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈反馈开环开环/闭环闭环反馈框图：反馈框图：若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信

13、号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈+一、基本概念一、基本概念反馈电路的三个环节：反馈电路的三个环节：放大：放大：dooxxa = =迭加：迭加：fidxxx- -= =反馈：反馈：ofxxf= =基本放大基本放大电路电路aooxixdx反馈回电路反馈回电路ffx+3.4 集成运放电路中的负反馈集成运放电路中的负反馈ofxxf=fidxxx-=dooxxa = = + += = =fa1axxaooiofaf闭环放大倍数闭环放大倍数ao开环放大倍数开环放大倍数dx反馈回电路反馈回电路ffx+基本放大基本放大电路电路ao

14、oxix反馈框图：反馈框图：负负反反馈馈交流反馈交流反馈直流反馈直流反馈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稳定静态工作点稳定静态工作点二、负反馈放大器的分类二、负反馈放大器的分类不同类型的反馈对电路的作用不同。判别：不同类型的反馈对电路的作用不同。判别：有无、正负、交直流、电压有无、正负、交直流、电压/电流、串联电流、串联/并联反馈并联反馈（1 1）有无反馈）有无反馈电路输出端的信号（电压或电流）的电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部是否引回到输入端。一部分或全部是否引回到输入端。+uiuo uz负反馈的分析

15、方法负反馈的分析方法电路输出端的信号引回到输入端是交流电路输出端的信号引回到输入端是交流还是直流。（可交直流）还是直流。（可交直流）cerl+（2 2）交流）交流/ /直流反馈直流反馈运放电路中反馈引入反相输入端运放电路中反馈引入反相输入端负反馈负反馈 引入同相输入端引入同相输入端正反馈正反馈_+ + ui2uoui1+uorr2r1uiur（3 3）正）正/ /负反馈负反馈电压反馈：反馈信号正比电压反馈：反馈信号正比u uo o，令令r rl l=0=0反馈不存在反馈不存在电流反馈电流反馈: : 反馈信号正比反馈信号正比i io o，令令r rl l=0=0反馈存在反馈存在电电压压电电流流4

16、 4）电压）电压/ /电流反馈电流反馈串联串联并联并联ud =ui- ufid =ii-if参考：参考：u+ =u_= uf参考：参考：u+ =u_= 05 5）串联）串联/ /并联反馈并联反馈_+ + rfr1uiuoifuf_+ + rlr1uiuoufio电压串联负反馈电流串联负反馈负反馈类型判别负反馈类型判别_+ + rfr1r2uiuo_+ + rlr1r2uiuorl电压并联负反馈电流并联负反馈ififio负反馈类型判别负反馈类型判别_+ + rlr1r2uirr_+ + rr1r2uirlr判断！例：判断例：判断rf是否负反馈，若是，判断反馈类型。是否负反馈，若是，判断反馈类型。

17、uoufubeuc1ub2uc2ufube=ui-ufuc1ub2uc2uo+c1rb1rc1rb21rb22rc2re2re1cec3c2+ecuoui+t1t2rf+例：判断例：判断rf是否负反馈，若是，判断反馈类型。是否负反馈，若是，判断反馈类型。电流反馈电流反馈并联反馈并联反馈ie2ufifibuc1ub2uc1ub2ib2ie2uouiiibifufre2rfre1rc1rc2+uccie2+（1）提高放大倍数的稳定性）提高放大倍数的稳定性负反馈使放大倍数下降。负反馈使放大倍数下降。+ += =fa1aaoof+ += =fa11aadaadoooff在深度负反馈的情况下，放大倍数只

18、与反馈网络有关。在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。反馈深度反馈深度 + +fa1ofao11深度负反馈时，即深度负反馈时，即= =f1af三、三、 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响= =aouiuo加反馈前ufaouifuduo加反馈后（2）负反馈改善波形的失真）负反馈改善波形的失真1)串联反馈串联反馈输入电阻输入电阻 2)并联反馈并联反馈输入电阻输入电阻 （4） 负反馈对通频带的影响负反馈对通频带的影响展宽频带展宽频带3)电流反馈电流反馈输出电阻输出电阻 4)电压反馈电压反馈输出电阻输出电阻 fa（3）负反馈对输入、输出电阻的影响）负反馈对输入、输出电阻的影响一

19、、正弦波振荡器一、正弦波振荡器1、自激振荡原理、自激振荡原理如果：如果：ifxx = =去掉去掉,xi 仍有信号输出仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号反馈信号代替了放大电路的输入信号基本放大基本放大电路电路aooxixdx反馈回电路反馈回电路ffx+基本放大基本放大电路电路aodx ox 反馈电路反馈电路ffx 3.5 正弦波振荡器和信号发生器正弦波振荡器和信号发生器2、自激振荡的条件：、自激振荡的条件：1)(f)(a= = （1）振幅条件：）振幅条件：1af= =（2）相位条件：）相位条件： = = + + n2fan是整数是整数相位条件意味着振荡电路必须是正反馈，相位条件意味着

20、振荡电路必须是正反馈，振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。fidofdooxxxxfxxax + += = = =基本放大基本放大电路电路aodx ox 反馈电路反馈电路ffx ix +自激振荡条件的推导：自激振荡条件的推导：uiuf_+ + r2uorcrcr131frr1a12= =+ += =af = 112r2r = =0a= = ,0f= = 满足相位条件满足相位条件：因为：因为： = = + + n2fa必须必须基本放大基本放大电路电路aodx ox 反馈电路反馈电路ffx 文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路rcrc0ufuf频率特性图

21、频率特性图+90 90 fff0iouu 310= = 0cr )cr1cr( j)ccrr1(1uuof - - + + + += =01cr= =时相移为时相移为0 31f= =所以只有在所以只有在f0 处处f为实数，为实数，0f= = rc1 0= =振荡频率振荡频率输出频率的调整：输出频率的调整：_+ + rfuorccrk2k1r1r1r2r2r3r3电子琴的振荡电子琴的振荡电路电路：电路电路：_+ + rf1uor1ccrd1d1rf2r28r27r26r25r24r23r22r21电路结构：电路结构：下行的迟滞比较器的下行的迟滞比较器的输出经积分电路再输入到此比较输出经积分电路再

22、输入到此比较器的输入端。器的输入端。1、 方波发生器方波发生器上下限：上下限：112thomruurr=+112tlomruurr= -+rr1r2c+ucuo二、非正弦波信号发生器二、非正弦波信号发生器工作原理：工作原理：(a )设设 uo = + uom此时，输出给此时，输出给c充电充电!uthuc0t则：则：u+=uth+rr1r2c+ucuo一旦一旦 uc uth , 就有就有 u- u+ uo 立即由立即由uom 变成变成uom ! uthuc0t0tuouom-uom在在 uc uth 时，时，u- u+ , uo 保持保持 + uom 不变；不变；c 经输出端放电，经输出端放电，

23、u+huctu+l(b)当当uo = -uom 时，时，u+=utluc达到达到utl时，时，uo上翻。上翻。+rr1r2c+ucuo 当当uo 重新回到重新回到uom 以后，电路又进入另一以后，电路又进入另一个周期性的变化：个周期性的变化：u+huc0tu+luomuo0t- uom周期与频率的计算：周期与频率的计算：tu+huc0tu+luomuo0t- uom)21ln(221rrrct+=tf1=+rr1r2c+ucuo思考题：思考题： 点点b是电位器是电位器rw 的中点，点的中点，点a 和点和点c 是是b的上方和下方的某点的上方和下方的某点 。试定性画。试定性画出点电位器可动端分别处

24、于出点电位器可动端分别处于 a、b、c 三点时的三点时的 uo uc 相对应的波形图。相对应的波形图。+rwr1r2c+ucuo-d1d2abc2、 三角波发生器三角波发生器矩形波经积分电路便可产生三角波，但是矩形波经积分电路便可产生三角波，但是此电路要求前后电路的时间常数配合好，不此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。能让积分器饱和。+rr1r2c+uc_uo-+rr2c反向积分电路反向积分电路上行的迟滞上行的迟滞比较器比较器omhurru21=+omlurru21-=+a1a2uouo1r02r01rcr2r10uo1tuomuom0uotu+hu+l+a1a2uouo1r02r01rcr2r1周期和频率的计算：周期和频率的计算：tuou+hu+ltomtomurrdturc212/021=-214rrcrt