南京工业大学电工电子学Cch8运算放大器

1、集成电路集成电路：相对于分立元件而言，即把整个电路中相对于分立元件而言，即把整个电路中的元器件及各元件间的连接制作在一块半导体芯片上，的元器件及各元件间的连接制作在一块半导体芯片上，构成具有特定功能的电子电路。构成具有特定功能的电子电路。集成电路集成电路1.按功能分：按功能分：数字集成电路：寄存器、计数器数字集成电路：寄存器、计数器模拟集成电路：集成运算放大器模拟集成电路：集成运算放大器2.按集成度分：按集成度分：SSI、MSI、LSI、VLSI组成：组成：由四个基本部分组成由四个基本部分组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路u-u+uo集成运放的组成集成运放的组成+Aouo

2、u +u-。 。+UCCUEE运放外形：运放外形：8 1圆壳式圆壳式双列直插式双列直插式123456782反相输入端，输出与输入反相反相输入端，输出与输入反相3同相输入端，输出与输入同相同相输入端，输出与输入同相4负电源端负电源端7正电源端正电源端6输出端输出端1和和5外接调零电位器外接调零电位器8空端空端2、集成运放的电压传输特性、集成运放的电压传输特性指开环应用时输出电压与输入电压的关系曲线：指开环应用时输出电压与输入电压的关系曲线：+Uo(sat)-Uo(sat)ud = u+u- uo线性区线性区负饱和区负饱和区正饱和区正饱和区可见，集成运放可见，集成运放有两个工作区：有两个工作区：线

3、性区、饱和区线性区、饱和区工作在线性区时：工作在线性区时：)(uuAuoo工作在饱和区时：工作在饱和区时：ooUuuu时， ooUuuu时， Uo+、Uo-的绝对值分别小于正负电源值的绝对值分别小于正负电源值Uo +Uo -ud = u+u- uouo+u +u-。 。 “虚短虚短”：差模输入电压约等差模输入电压约等于于 0，即，即 u+= u “虚断虚断”：输入电流约等于输入电流约等于 0，即即 i+= i 0ooooAuuuuuuA 可以认为集成运放的两个输入端电位相等，象短接可以认为集成运放的两个输入端电位相等，象短接一样，称为一样，称为“虚短虚短”。0idirui 两个输入端的电流视为

4、两个输入端的电流视为0，好像输入端与运放断开，好像输入端与运放断开 一样，称为一样，称为“虚断虚断”。反馈：反馈：将放大电路输出端信号将放大电路输出端信号( (电压或电流电压或电流) )的一部的一部分或全部，通过一定的电路（反馈网络）送回到输分或全部，通过一定的电路（反馈网络）送回到输入端与外加给定输入信号相叠加（相加或相减），入端与外加给定输入信号相叠加（相加或相减），进而用所得的叠加信号（净输入）再控制输出的一进而用所得的叠加信号（净输入）再控制输出的一种过程。种过程。直流反馈：直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈反馈只对直流分量起作用，反馈 元件只能传递直流信号。元件只能传递直流信号。

5、负反馈：负反馈：反馈信号削弱净输入信号，使放大反馈信号削弱净输入信号，使放大 倍数降低。倍数降低。在振荡器中引入正反馈在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。用以产生波形。交流反馈：交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈反馈只对交流分量起作用，反馈 元件只能传递交流信号。元件只能传递交流信号。 在放大电路中，出现正反馈将使放大器在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。产生自激振荡，使放大器不能正常工作。 正反馈：正反馈：反馈信号增强净输入信号，反馈信号增强净输入信号， 使放大倍数提高。使放大倍数提高。引入交引入交流负反流负反馈的目馈的目的：的：改善放改善放大电路大电路

6、的性能的性能引入直引入直流负反流负反馈的目馈的目的：的：稳定静稳定静态工作态工作点。点。反馈放大电路的三个环节：反馈放大电路的三个环节：基本放大电路基本放大电路dooXXAofXXF 比较环节比较环节fidXXX反馈反馈电路电路F FfXiX反馈电路反馈电路+输出信号输出信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号反馈系数反馈系数净输入信号净输入信号dXoX基本放大基本放大电路电路Ao放大倍数放大倍数2、负反馈放大电路的一般表达式、负反馈放大电路的一般表达式正反馈正反馈负反馈负反馈 引入反馈后，反馈放大电路的放大倍数称为闭环放引入反馈后，反馈放大电路的放大倍数称为闭环放大倍数，用大倍数，用Af表示，则

7、反馈放大电路的基本关系式：表示，则反馈放大电路的基本关系式：oodoooddofdoiofFAAXXFAXFXXAXXXXXA11. 引入负反馈后，净输入信号引入负反馈后，净输入信号Xd减小，从而使闭环放减小，从而使闭环放大倍数下降，即大倍数下降，即ofAA oooAFAA111oFA 越大，越大， 越小，反馈越越小，反馈越强烈。强烈。oFA1fA若若1FAo称为称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：闭环放大倍数闭环放大倍数A Af f取决于反馈系数取决于反馈系数F F，与开环放大倍数，与开环放大倍数A Ao o无无关。关。反馈深度反馈深度FAAAoof1FAo1FAf1 反映了负反馈的强弱

8、程度。反映了负反馈的强弱程度。1. 1. 负反馈的类型负反馈的类型1) 根据反馈所采样的信号不同，可以分为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。电压反馈和电流反馈。 电流负反馈电流负反馈具有具有稳定输出电流稳定输出电流、增大输、增大输出电阻的作用。出电阻的作用。 电压负反馈电压负反馈具有具有稳定输出电压稳定输出电压、减小输、减小输出电阻的作用。出电阻的作用。如果反馈信号取自输出电压，叫如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈电流反馈。2)2) 根据反馈信号在输入端与输入信号比较根据反馈信号在输入端与输入信号比

9、较形式的不同，可以分为串联反馈和并联形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈。反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输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，称为入信号以电压形式作比较，称为串联反馈串联反馈。反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输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，称为入信号以电流形式作比较，称为并联反馈并联反馈。串联反馈使电路的输入电阻增大，串联反馈使电路的输入电阻增大，并联反馈使电路的输入电阻减小。并联反馈使电路的输入电阻减小。2、反馈的判别、反馈的判别分析步骤：分析步骤：2) 2) 判别是否负反馈？判别是否负反馈？1) 1

10、) 找出反馈网络（一般是电阻、电容）。找出反馈网络（一般是电阻、电容）。3) 3) 是负反馈！判断是何种类型的负反馈？是负反馈！判断是何种类型的负反馈？2、反馈的判别、反馈的判别分析方法：分析方法：1) 1) 反馈极性的判别：反馈极性的判别：瞬时极性法瞬时极性法a、先假设输入信号的瞬时极性，并用符号、先假设输入信号的瞬时极性，并用符号 、 表示；表示；b、沿反馈环路逐步判定并标出有关各点信号的极性，、沿反馈环路逐步判定并标出有关各点信号的极性， 确定反馈信号的瞬间极性；确定反馈信号的瞬间极性；c、根据反馈信号对输入信号的作用判定正负反馈。、根据反馈信号对输入信号的作用判定正负反馈。如果反馈信号

11、使输入信号加强则为正反馈；如果反馈信号使输入信号加强则为正反馈；如果反馈信号使输入信号减弱则为负反馈。如果反馈信号使输入信号减弱则为负反馈。在单级集成运放放大电路中，当反馈信号引到同相端在单级集成运放放大电路中，当反馈信号引到同相端时为时为正反馈正反馈，引到反相端时为，引到反相端时为负反馈负反馈。2、反馈的判别、反馈的判别方法方法分析方法：分析方法：2) 2) 反馈方式的判别：反馈方式的判别：a、在输出回路：根据反馈信号的、在输出回路：根据反馈信号的采样采样判定是判定是电流电流反馈反馈 还是还是电压电压反馈。反馈。将采样输出端将采样输出端短路短路（令（令uo0），若），若反馈信号消反馈信号消失

12、失则为则为电压反馈电压反馈，否则为电流反馈。，否则为电流反馈。将采样输出端将采样输出端开路开路（令（令io0），若），若反馈信号消反馈信号消失失则为则为电流反馈电流反馈，否则为电压反馈。，否则为电压反馈。2、反馈的判别、反馈的判别方法方法分析方法：分析方法：2) 2) 反馈方式的判别：反馈方式的判别：b、在输入回路：判定是、在输入回路：判定是并联并联反馈还是反馈还是串联串联反馈。反馈。若反馈信号和输入信号在输入端以若反馈信号和输入信号在输入端以电压电压加减形式加减形式出现，则为出现，则为串联反馈串联反馈；若以；若以电流电流加减形式出现则加减形式出现则为为并联反馈并联反馈。根据电路结构：若反馈信

13、号和输入信号接在放大根据电路结构：若反馈信号和输入信号接在放大器器同一点同一点则为则为并联反馈并联反馈，否则为串联反馈。，否则为串联反馈。例例1： 1) 1) 判定反馈元件判定反馈元件（电阻和电容）（电阻和电容） (1(1）连接在输入与输出之间的元件。）连接在输入与输出之间的元件。 (2(2）输入回路与输出回路所共有的元件。）输入回路与输出回路所共有的元件。电阻电阻 Rf连接输入回连接输入回路和输出回路，所以路和输出回路，所以Rf是反馈元件。是反馈元件。uo+uf+uiudR1R2RfRL+ 2) 2) 判定反馈极性判定反馈极性 瞬时极性法瞬时极性法反馈信号为正，加在反馈信号为正，加在反相输入

14、端，使得净反相输入端，使得净输入减小，为输入减小，为负反馈负反馈。 3) 3) 判定反馈类型判定反馈类型输出端短路输出端短路u uf f消失，则消失，则为为电压电压反馈；反馈；在输入端以电压加减形在输入端以电压加减形式出现（或电路结构）式出现（或电路结构）可见为可见为串联串联反馈反馈反馈类型：反馈类型：电压电压串联串联负反馈负反馈判断反馈类型判断反馈类型 4 4）反馈过程分析：反馈过程分析：当当u ui i一定时，负载变化一定时，负载变化LRoufuoudu可见，通过反馈的引入，可见，通过反馈的引入，使得输出电压得到稳定使得输出电压得到稳定5 5）电路分析计算：电路分析计算：11RRuuAfi

15、ouf由由“虚断虚断”：offiuRRR uuu11 ,由由“虚短虚短”：fuuuuo+uf+uiudR1R2RfRL+uo+uf+uiudR1R2RfRL+Rio 1) 1) 判定反馈元件判定反馈元件（电阻和电容）（电阻和电容） (1(1）连接在输入与输出之间的元件。）连接在输入与输出之间的元件。 (2(2）输入回路与输出回路所共有的元件）输入回路与输出回路所共有的元件 2) 2) 判定反馈极性判定反馈极性 瞬时极性法瞬时极性法 3) 3) 判定反馈类型判定反馈类型电阻电阻 Rf连接输入回路和连接输入回路和输出回路，所以输出回路，所以Rf是反是反馈元件，馈元件，与与R1组成反馈组成反馈网络。

16、网络。反馈信号为正，加在反反馈信号为正，加在反相输入端，使得净输入相输入端，使得净输入减小，为减小，为负反馈负反馈。输出端短路输出端短路u uf f不消失，不消失，则为则为电流电流反馈；或者计反馈；或者计算算u uf f的值（正比与的值（正比与i io o）在输入端以电压加减形在输入端以电压加减形式出现（或电路结构）式出现（或电路结构）可见为可见为串联串联反馈反馈反馈类型：反馈类型：电流电流串联串联负反馈负反馈4 4）反馈过程分析：反馈过程分析：当当u ui i一定时，负载变化一定时，负载变化LRoifuoidu可见，通过反馈的引入，可见，通过反馈的引入，使得输出电流得到稳定使得输出电流得到稳

17、定5 5）电路分析计算：电路分析计算：ioufuuA由由“虚断虚断”：offiiRRRRR uuu11 ,由由“虚短虚短”：fuuufLouRiLfRRRRRR11uo+uf+uiudR1R2RfRL+Rio例例3例例4总结总结基本放大基本放大电路电路AodXoX反馈反馈电路电路FfXiX+dooXXAofXXFfidXXX 反馈电路的基本方程反馈电路的基本方程反馈系数反馈系数净输入信号净输入信号基本放大器基本放大器的放大倍数的放大倍数闭环放大倍数闭环放大倍数fA开环放大倍数开环放大倍数oAdooXXAofXXF fidXXX FAAXXAooiof1AAdAFAAdff11dfXX、同相，所

18、以同相，所以AF是正实数是正实数负反馈时，负反馈时，。AFAAf 1中，中，dfofdoXXXXXXAF 则有：则有：AAf AF11。Auiufud加反馈前加反馈前加反馈后加反馈后uoui小小大大小小大大小小大大 负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。因此只能减小失真，而不能完全消除失真。 uoAF引入负反馈使电路的通频带宽度增加：引入负反馈使电路的通频带宽度增加：oofBFAB)1( fAu无负反馈无负反馈有负反馈有负反馈在同样的在同样的I Ib b下下，Ui= Ube + Uf Ube， rif 提高提高。i

19、ifrFAr)1(0 1 1）串联负反馈）串联负反馈bbebiiIUIUr 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：biifIUr uiubeib+uf+使电路的输入电阻提高使电路的输入电阻提高FArrifi01 ifbbeiIUr 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：ibeifIUr 在同样的在同样的Ube下，下，Ii= Ib + If Ib， rif 降低降低。2 2）并联负反馈）并联负反馈 使电路的输入电阻降低使电路的输入电阻降低iiibube+oofrFAr)1(0 FArroof01 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出

20、特性，故输出电阻降低。即有恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。即有恒流输出特性，故输出电阻提高。1 1）电压负反馈使电路的输出电阻降低）电压负反馈使电路的输出电阻降低2 2）电流负反馈使电路的输出电阻提高）电流负反馈使电路的输出电阻提高0 ii11Ruuii FFRuui0 fii 1iFuRRu101RRuuAFiouf 平衡电阻，保证输入端对平衡电阻，保证输入端对地的静态电阻相等地的静态电阻相等R2=R1/Rf 虚短虚短 u- = u+ = 0 称称“虚地虚地” 反相反相 输入运算的重要特点输

21、入运算的重要特点1RRuuAFiouf iFouRRu1 uo+.uiR2RFu+u_。 R1.。 。 + 例：电路如下图所示，已知例：电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：求：1、Auf 和和R2 ； 2、若、若 R1不变，要求不变，要求Au f为为 10，则，则RF和和R2应为应为 多少？多少？RF+.uiuoR2u+u_。 R1解：解：1、 Au f = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 /RF = 10*50 （10+50） = 8.3 k 2、 Au f = RF R1 = RF 10 = 10 RF = -Auf R1 = -(-10

22、) 10 = 100 k R2 = R1 /RF = 10*100 （10+100）=9.1 k oFuRRRu 11 uu0 iiuu iFuRRu)1(10 11RRuuAFiouf R2=R1/Rfuiuo+.u+u_。 URLR1R2+.uoR2RFu+u_。ui。 R1 此电路是电压此电路是电压 串联负反馈，输串联负反馈，输 入电阻高，输出入电阻高，输出 电阻低，在电路电阻低，在电路 中的作用与分立中的作用与分立 元件的射极输出元件的射极输出 器相同，但是电器相同，但是电 压跟随性能更好。压跟随性能更好。)(1 (221112121iiiiiiiiFouRRRuRRRRRu )(22

23、11iiFiiFouRRuRRu2323iuRRRu 11Riuuu uu1111 RRRuuuFioi 1123231)1(iFi FouRRuRRRRRu 平衡条件：平衡条件：R2/R3=R1/RF1123231)1(iFi FouRRuRRRRRu 如果取如果取 R1 = R2 ， R3 = RF )(121iiFouuRRu 则：则： 如果取如果取 R1 = R2 = R3 = RF 12iiouuu 则：则：输出与两个输入信号的输出与两个输入信号的差值差值成正比。成正比。+.ui2ui1uoR3RFu+u-。 R1。R211iF ouRRu o oouuu uRRuF o)1(123

24、231)1(i FuRRRRR +.ui2ui1uoR3RFu+u-。 R1。R2要求电阻必须对称，但是输入电阻不高。要求电阻必须对称，但是输入电阻不高。可采用同相输入减法器可采用同相输入减法器+.ui1ui2uo1R4R2R1。R3+.uoR1。R2。同相输入减法运算同相输入减法运算第一级为同相输入比例运算第一级为同相输入比例运算1121)1 (iouRRu第二级为减法运算第二级为减法运算)(1 ( )1 (1221121221iioiouuRRuRRuRRudtduCRucFi 1dtduCoF dtuCRuiFo 11dtduCicFf 111RuRuuiiicu则则若输入信号电压为恒定

25、直流量，若输入信号电压为恒定直流量， 即即 ui= Ui时时，则，则 dtUCRuiFo110U iiu0Ui iuuot0-UOM+UOMt0uiFiOMCRUUt10 积分饱和积分饱和线性积分时间线性积分时间线性积分时间线性积分时间输出电压随时输出电压随时间线性变化间线性变化tCRUFi1t0uiuot0-UOM+UOM输入为方波，输输入为方波，输出为三角波。因出为三角波。因此，积分电路除此，积分电路除了具有运算功能了具有运算功能外，还可用于波外，还可用于波形转换。形转换。fii 1FoiRudtduC 1dtduCRuiFo1 uot0t0ui如果如果则则2. 有源高通滤波器有源高通滤波器电路使电路使频率大于频率大于 的信号通过的信号通过 ，而而小于小于 的信号的信号被阻止被阻止3. 带通滤波器和带阻滤波器带通滤波器和带阻滤波器带通滤波器使带通滤波器使通频带