电工学简明教程第11章运算放大器

1、第第 11 章章 运算放大器运算放大器第第 11 章运算放大器章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍运算放大器的简单介绍11.2放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈11.3运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用11.4运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用11.5运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用11.6使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题第第 11 章运算放大器章运算放大器分立电路分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。是由各种单个元件连接起来的电子电路。 集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低

2、、可靠性高、集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。价格低。集成电路分类集成电路分类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连是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟第第 11 章运算放大器章运算放大器集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。合放大器。用于模拟运算、信

3、号处理、信号测量、波形转换、用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。自动控制等领域。本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。电路中的负反馈。11.1运算放大器的简单介绍运算放大器的简单介绍11.1.1集成运放的组成集成运放的组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级输入端输入端输出端输出端偏置偏置电路电路输入级输入级 差分放大器差分放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路偏置电路

4、 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成运算放大器的符号运算放大器的符号反相反相输入端输入端uO+uu +同相同相输入端输入端信号传信号传输方向输方向输出端输出端+Auo理想理想运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数11.1.2主要参数主要参数1最大输出电压最大输出电压 UOPP2开环电压开环电压 Auo3输入失调电压输入失调电压 UIO4输入失调电流输入失调电流 IIO5输入偏置电流输入偏置电流 IIB6共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM11.1.3理想运算放大器及其分析依据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

5、般将它看成是理想的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：运算放大器。理想化的主要条件：1开环电压放大倍数开环电压放大倍数Auo 2开环输入电阻开环输入电阻rid 3开环输出电阻开环输出电阻ro 04共模抑制比共模抑制比KCMR 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，而由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。11.1.3理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及

6、其分析依据实际运放电压传输特性实际运放电压传输特性表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为线称为传输特性传输特性。uO uuOUo(sat)Uo(sat)UimUim线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 若若Auo = 106 Uo(sat) = 15 V则则 UIM = 0.015 mV运放要工作在线性运放要工作在线性区必须有负反馈。区必须有负反馈。uOu+uuO = Auo(u+ u )理想运放电压传输特性理想运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据uO uuOUo(sat)Uo(sat

7、)UimUim线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 因为理想运放因为理想运放Auo 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 所以，当所以，当 u+ u 时，时，uO = +Uo(sat)u+ u 时，时， uO = +Uo(sat)u+ u uO = Uo(sat)依然成立依然成立u+ = uuO 发生跃变发生跃变11.2放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈凡是将放大电路凡是将放大电路( (或某个系统或某个系统) )输出信号的一部分或输出信号的一部分或全部经某种电路全部经某种电路( (反馈网络反馈网络) )引回到输入端，称为反馈。引回到输入端，称为反馈。11.2.1反馈的基本概念反馈的基本

8、概念如果反馈信号使净输入信号增加，称为如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈正反馈。如。如果反馈信号使净输入信号减小，称为果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈负反馈。无负反馈放大无负反馈放大电路方框图电路方框图AxIxO11.2.1反馈的基本概念反馈的基本概念带有负反馈放带有负反馈放大大电路的方框图电路的方框图AxIxOFxF+xD基本放大电路基本放大电路反馈电路反馈电路比较环节比较环节xI 输入信号输入信号xO 输出信号输出信号xF 反馈信号反馈信号xD 净输入信号净输入信号净输入信号净输入信号 xD = xI xF反馈信号使净输入信号减小，则为反馈信号使净输入信号减小，则为负负反馈。反

9、馈。反馈信号使净输入信号增大，则为反馈信号使净输入信号增大，则为正正反馈。反馈。11.2.2负反馈与正反馈的判别负反馈与正反馈的判别瞬时极性法瞬时极性法是判别正、负反馈的基本方法：是判别正、负反馈的基本方法：设接地参考点的电位为零。某点在某瞬时的电位高设接地参考点的电位为零。某点在某瞬时的电位高于零电位者，则其瞬时极性为正于零电位者，则其瞬时极性为正( (用用“ “ ” ”表示表示) )；反；反之为负之为负( (用用“ “ ” ”表示表示) )。11.2.3负反馈的类型负反馈的类型AF+xIxOxFxD根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出端的连接根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出端的连接

10、方式不同，负反馈有以下四种类型。方式不同，负反馈有以下四种类型。在输出端在输出端反馈量取自输出电压为电压反馈，反馈量取自输出电压为电压反馈，取自输出电流为电流反馈；取自输出电流为电流反馈；在输入端在输入端反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。负反馈的类型有：负反馈的类型有：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。11.2.3负反馈的类型负反

11、馈的类型ui+R1R2uORF+RLuD+uF+ 设某一瞬时设某一瞬时 uI 为正，则此时为正，则此时 uO也为正，同时反馈电压也为正，同时反馈电压 uF 也为正。也为正。净输入信号净输入信号ud = ui uf小于输入信号，即小于输入信号，即 uF 的存在使净的存在使净输入信号减小，所以为输入信号减小，所以为负负反馈。反馈。反馈电压反馈电压取自输出电压，并与之成取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。正比，故为电压反馈。uF 与与 uI 在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。联反馈。判别图示电路的反馈类型判别图示电路的反馈类型1串联电压

12、负反馈串联电压负反馈 首先用电位的首先用电位的瞬时极性瞬时极性判别反判别反馈的正、负。馈的正、负。1FOF1RuuRR 1串联电压负反馈串联电压负反馈AF+uFuDuIuO 串联电压负反馈方框图串联电压负反馈方框图uI+R1R2uORF+RLuD+uF+ 反馈电压反馈电压1FOF1RuuRR uOR1R2RF+uI+RL iIiDiF-设某一瞬时设某一瞬时 uO 为正，则此为正，则此时时 uO 为负，各电流实际方向如为负，各电流实际方向如图所示。图所示。净输入电流净输入电流iD = iI iF小于输入电流，即小于输入电流，即 iF 的存在使净的存在使净输入电流减小，所以为负反馈。输入电流减小，

13、所以为负反馈。反馈电流反馈电流取自输出电压，并与之取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。成正比，故为电压反馈。iF 与与 iI 在输入端以电流形式作比较，两者并联，故为并在输入端以电流形式作比较，两者并联，故为并联反馈。联反馈。判别图示电路的反馈类型判别图示电路的反馈类型 2并联电压负反馈并联电压负反馈 首先用电位的瞬时极性判别首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。反馈的正、负。OOFFFuuuiRR 2并联电压负反馈并联电压负反馈AF+uIuOiFiDiI 并联电压负反馈方框图并联电压负反馈方框图uOR1R2RF+uI+RLiDiF iI-反馈电流反馈电流OOFFFuuuiRR iD =

14、 iI iF为负反馈；为负反馈；反馈电压反馈电压uF = RiO与输出电流成比，故为电流反馈；与输出电流成比，故为电流反馈；判别图示电路的反馈类型判别图示电路的反馈类型 3串联电流负反馈串联电流负反馈 AF+uFuDuIiO 串联电流负反馈方框图串联电流负反馈方框图uF 与与 uI 在输入端以电压形式作比较在输入端以电压形式作比较，两者串联两者串联，故为串联故为串联反馈。反馈。R2uOR+RLuD+ uF+iOuI+图中图中iD = iI iF判别图示电路的反馈类型判别图示电路的反馈类型 4并联电流负反馈并联电流负反馈 并联电流负反馈方框图并联电流负反馈方框图AF+uIiOiDiIiFiFRF

15、iRuRRuI+RL iOR1iIiDR2-FOF()RiiRR 如何判别电路中反馈类型小结如何判别电路中反馈类型小结( (1) )反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻靠近从负载电阻靠近“地地”端引出的，是电流反馈；端引出的，是电流反馈；( (2) )输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；( (3) )反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。( (也可将输出端短路，若反馈量为零，则为电压也

16、可将输出端短路，若反馈量为零，则为电压反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。) ) 例例 1 判别图示电路从判别图示电路从 A2 输出端引入输出端引入 A1 输入端的反馈类输入端的反馈类型。型。uOuI+ uO1uD+RL RuF+A1A2 解解 反馈电路从反馈电路从 A2 的输出端引出，故为电压反馈；的输出端引出，故为电压反馈；反馈电压反馈电压 uF 和和 uI 输入电压分别加在的输入电压分别加在的 同相和反相两个输同相和反相两个输入端，故为串联反馈；入端，故为串联反馈；设为设为 uI 正，则正，则 uO1 为负，为负， uO 为正。为正。反馈电压反馈电压

17、uF 使净输入电压使净输入电压 uD = uI uF 减小，故为负反馈；减小，故为负反馈；串联电压负反馈。串联电压负反馈。uOuI+ RuO1iI+RL -A1A2iDiF a 例例 2 判别图示电路从判别图示电路从 A2 输出端引入输出端引入 A1 输入端的反馈类型。输入端的反馈类型。 解解 反馈电路从反馈电路从 RL 靠近靠近“地地”端引出，为电流反馈；端引出，为电流反馈；反馈电流反馈电流 iF 和和 iI 输入电流加在输入电流加在 A1 的同一个输入端，故为的同一个输入端，故为并联反馈；并联反馈；设为设为 uI 正，则正，则 uO1 为正，为正， uO 为负。反馈电流实际方向如为负。反馈

18、电流实际方向如图所示，净输入电流图所示，净输入电流 iD = iI iF减小，故为负反馈；减小，故为负反馈；并联电流负反馈。并联电流负反馈。11.2.4负反馈对放大电路工作的影响负反馈对放大电路工作的影响1 1提高放大电路的稳定性提高放大电路的稳定性 AF+xIxDxOxF开环放大倍数开环放大倍数DOxxA 反馈系数反馈系数OFxxF 引入负反馈后净输入信号引入负反馈后净输入信号xD = xI xF引入负反馈后闭环放大倍数引入负反馈后闭环放大倍数AFAxxA 1IOF对上式求导对上式求导AAAFAAd11dFF 可见，引入负反馈后，放大倍数降低了，而放大倍数的可见，引入负反馈后，放大倍数降低了

19、，而放大倍数的稳定性却提高了。稳定性却提高了。uF负反馈负反馈改善了波形失真改善了波形失真2改善非线性失真改善非线性失真加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FufAuuIuO+uDuO大大小小略大略大略小略小略小略小略大略大uIAu接近正弦波接近正弦波3对放大电路输入电阻和输出电阻的影响对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对四种负反馈对 ri 和和 ro 的影响的影响串联电压串联电压串联电流串联电流并联电压并联电压并联电流并联电流riro减低减低增高增高增高增高增高增高增高增高减低减低减低减低减低减低思考题：为了分别实现：思考题：为了分别实现： ( (a) )稳定输出电压；稳定输出电压

20、；( (b) )稳定输出电流；稳定输出电流； ( (c) )提高输入电阻；提高输入电阻；( (d) )降低输出电阻。降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？应引入哪种类型的负反馈？* 11.2.5分立元件放大电路中的负反馈分立元件放大电路中的负反馈RE 电阻无旁路电容的电阻无旁路电容的分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路交流通道交流通道RE 为反馈元件为反馈元件，由由瞬时极性瞬时极性法法知知 ube、ui、 uf 三者同相三者同相ube = ui uf 其有效值其有效值 Ube UR 时，时，uO = Uo(sat)uI UR 时，时，uO = +Uo(sat)uI = UR 时，时，uO 发生

21、跃变发生跃变uOR1R2uI+UR+uOoUo(sat)Uo(sat)uRuI+当当 UR = 0 时，即输入电压和零电平比较，称为过零时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。比较器。电压传电压传输特性输特性 11.4.2电压比较器电压比较器uOOUo(sat)Uo(sat)uO若图中若图中 ui 为正弦波，为正弦波，画出画出 uO 的波形。的波形。OiutR1R2ui+UR+uOOtUo(sat)Uo(sat)uI在输出端与地之间接一个双向稳压管在输出端与地之间接一个双向稳压管 ，即可把输出电，即可把输出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。压限制在某一特定值，以和接在数字电

22、路的电平匹配。电压传输特性电压传输特性11.4.2电压比较器电压比较器Uo(sat)Uo(sat)UZUZuORR1R2+DZuI+uO限幅电压比较器限幅电压比较器OuI 例例 1 图中所示为运放组成的过温保护电路，图中所示为运放组成的过温保护电路，R 是热敏是热敏电阻，温度升高阻值变小。电阻，温度升高阻值变小。KA 是继电器，温度升高，超过规是继电器，温度升高，超过规定值，定值，KA 动作，自动切断电源。分析其工作原理。动作，自动切断电源。分析其工作原理。温度超过规定值，温度超过规定值，uI UR，uO = +UOM，T导通。导通。KA 动作，切动作，切断电源。断电源。温度未超过规定值，温度

23、未超过规定值，uI UR，uO = UOM，T 截止。截止。 KA 不动作不动作。R1R2URRR4+UCCTR3+uIuO KA电压传电压传输特性输特性uOOUo(sat)Uo(sat) 例例 2 电路如图所示，电路如图所示，ui 是一正弦电压，画出是一正弦电压，画出 uO 的波形。的波形。OiutUo(sat)Uo(sat)R1R2uiuO+CDRLR 解解 运放为同相输入过零电压比较器。运放为同相输入过零电压比较器。uOOtOtOtUo(sat)Uo(sat)各电压波形如右图所示。各电压波形如右图所示。OuOuIuOuOu11.5运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应

24、用1自激振荡的条件自激振荡的条件11.5.1RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路电路中无外加输入电压，而在输出端有一定频率和幅度的电路中无外加输入电压，而在输出端有一定频率和幅度的信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。S当当 S 合于合于 1 时，时，开环电压放大倍数开环电压放大倍数diuu doUUA 则输出电压保持不变。则输出电压保持不变。反馈系数反馈系数又又所以自激振荡的条件是所以自激振荡的条件是：difuuu ofUUF dfUU 1ofdo UUUUAF2F+ +uf- -若若当当 S 合于合于 2 时，时，Auduiuo1+ +- -+ +- -

25、+ +- -11.5.1RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路( (1) ) 相位条件相位条件：即即( (2) ) 幅度条件：幅度条件：即即 = A + F = 2n ( (n = 0，1，2， ) )自激振荡的条件：自激振荡的条件：1ofdo UUUUAF if同相，为正反馈；同相，为正反馈；与输入电压与输入电压反馈电压反馈电压UUdfUU 1ofdo UUUUAF反馈电压反馈电压与输入电压的大小相等；与输入电压的大小相等；幅度特性幅度特性Uom=f(Ufm)反馈特性反馈特性Ufm =FUomUimUom1Ufm1Uom2A自激振荡的建立过程自激振荡的建立过程2振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定振

26、荡建立时应满足：振荡建立时应满足：即即dfUU 1 AFSAuduiuo12FUfmUomO微小的扰动起始信号微小的扰动起始信号不断通过放大不断通过放大 反馈反馈 再再放大放大 再反馈，使再反馈，使 Uom 不断增大，一直到达交不断增大，一直到达交点点 A 时，稳定下来。时，稳定下来。振荡稳定振荡稳定不能振荡不能振荡1 AF1 AF+ +- -+ +- -+ +- -+ +uf- -( (2) )选频电路选频电路同相比例运算电路同相比例运算电路选频电路选频电路其电压放大倍数为其电压放大倍数为( (1) )放大电路放大电路由集成运放构成的同相由集成运放构成的同相比例运算电路。比例运算电路。由由

27、RC 串并联电路组成，串并联电路组成，它也是正反馈电路。它也是正反馈电路。1F1RRA uo+RFR1u+3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路ui+CRRC3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路oiUUF RCff 210若要与同相，上式分母若要与同相，上式分母的虚部应为零的虚部应为零oUiU31oi UUF1Fio1RRUUAu 这时这时同相比例运算的电压放大倍数为同相比例运算的电压放大倍数为可见，当可见，当 RF = 2R1 时，时，| |Au| |= 3 | |AuF| |= 1即即j2213()CCRXRX220CRX12CRXfC uo+RFR1u+ui+CRRCuo3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路在特定频率在特定频率ui 和和 uo 同相，即同相，即 R