第3章集成运算放大器

1、第3章集成运算放大器3.13.23.33.4的结构、特性和分析依据在模拟运算方面的应用放大电路中的负反馈(了解)在信号处理方面的应用3.4.2电压比较器3.5信号产生电路3.13. 13.1.1集成集成集成的结构、特性和分析依据的结构和参数是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。1.集成的内部电路结构框图中间级 电压放大器输入级 差动放大器输出级 射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路 由镜像恒流源等电路组成偏置电路输出级中间级输入级mA741的原理电路图2. 集成p+UCCT12T8T9T13T14lk反相输入T1T2R7+CT15T18输出同相T3T4R5R8R9输入uooT16RT7

2、10T17T6T10nT5T19T11T20jR11R12R1R3R2R4-UEEm输入级偏置电路中间级输出级3.1mA741的引脚排列集成的电路符号空脚调零电位器输出端实理际想开环信号传输方向+UCC电压放大倍数反相输入端u输出端uiuo+ u+同相输入端调零反相同相输入ui = u u+ui = u+ uUEE电位器 输入或8765mA7411234¥A+3.13.集成的主要参数的性能指标用以下参数来表示，的参数繁多。（1）开环电压放大倍数 Auo；( Auo > 104 )线性工作状态下的差模电压放大倍数（2） 开环差模输入电阻 rid；（3） 开环输出电阻 ro；（4）

3、 最大输出电压 UOM；( rid > 105 W ) ( ro < 102 W )(UOM = UCC (12 )V )3.13.1.2集成的理想化模型的理想化模型是一组理想化的参数，是将实际等效为理想的条件。1. 开环电压放大倍数 Auo ® ¥2. 开环差模输入电阻 rid ® ¥3. 开环输出电阻 ro ® 03.13.1.31.集成的电压传输特性和分析依据的电压传输特性u+定义：u = f ( u )，其中 u= u uuiuo+oii uuuo非线性区oUOMUOM实际运放理想运放线性区Uim0uu0UimiiUOMUO

4、M在开环条件下，的线性区非常窄，Uim为mV量级。+¥+3.12.工作性区的分析依据性区符合运算关系（1）“虚断路”原则= uiiirid对于理想有 ii » 0r® ¥id+uiuo相当于两输入端之间断路。（2）“虚短路”原则¥u+uiuou = u- u=u+-ioAuou» 0对于理想即 u+ » uA® ¥，uiuo相当于两输入端之间短路。ii+¥rid+3.1RF（3） “虚地”的概念当同相输入端接地时，¥+R1ii由“虚断路”原则 i = 0，有 u+u= 0u_+iiRu

5、_ » u+ = 0uo2由“虚短路”原则u+结论：反相输入端为“虚地”。RF注意当反相输入端接地时，¥+R1ii因为存在负反馈信号，同相输入端 不是“虚地”！+u_R2uouiu+工作性状态的必要条件：必须加上深度负反馈。3.13.工作在非线性区的分析依据非线性区：当输入信号变化时，输出信号并不随之变化。ui > Uim 时，uo = + UOM+uiu < U时，u= UuiimoOMoUOM = UCC (12 )Vuo分析依据：“虚断路”原则仍然成立。非线性区UOM对于理想有i » 0i线性区相当于两输入端之间 断路。注意: “虚短路”原则不成

6、立！UimuUim0iUOMii¥+3.23.23.2.1在模拟运算方面的应用比例运算电路ifRF1. 反相比例运算电路加上深度负反馈i1id¥auiid » 0由虚断路+uR1+o对a点列KCL方程» ii = i+ i1dffR2uii= - uoi =由虚地,1fR1RF代入方程i1= if得输出与输入的关系1. 输出电压与输入电压反相；2. 比例系数为 RF / R1。结论:3.21. 反相比例运算电路ifRFuo = - RF uii1i¥R1可得闭环电压放大倍数daui+uoR1+R2平衡电阻的概念若取R1 = RF在静态时，从的两

7、个输入端向外看去所接的电阻应相等。电路成为反相器放大倍数uo = uiAuf = 1平衡电阻R= R /R21F3.2例: 反相比例运算电路如图，设:解: 由给定条件RF >> R4，可忽略RF在输出回路RF >>R4 ，求Auf。ifRF对R4 的分流作用iid1¥aRui+uo¢ =4得uouR1+R3 + R4=i oR3u¢uR= -o RF由虚地2i1,if+R1R4uo'代入i1 = ifæö= uoRR有： AF3= -1 +çè÷ufuRR4 øi13.22

8、. 同相比例运算电路由虚断路id = 0，有u+ = uiR1 R1 + RFRF由分压关系 u = u =uo-由虚短路 u+ = u-fuf +¥uuRR1 R1 + RF+ido1u = u =得uui+ifou+R2æöRFuo =1 +故有ç÷øu+R1èæö= uoRF=1 +闭环电压放大倍数çè÷øAufuiR1平衡电阻R2 = R1 / RF3.23. 同相跟随器由虚短路可得u+ = u¥+uoui电压放大倍数Auf = 1具有射极输出器的

9、所有优点同相跟随器的特点1. 输出电压uo 与输入电压ui同相且相等，故称为同相跟随器或电压跟随器，而且性能更加优良。2. 同相跟随器的输入电阻很高（约为电阻），几乎不从信号源吸取电流；3. 输出电阻很低，带负载能力强。的开环输入3.2RF4. 差动比例运算电路利用叠进行分析R1¥ui1 单独作用时，输出分量为R+u'' u+o+uo¢= -FR1ui1R2R3ui2 单独作用时，输出分量为æRF öæRF öR3¢= ç1 +÷ u+ = ç1 +÷RRuoui2 时

10、，将涉及电路中 所有电阻参数，故 调整比较。+ RRèøèø1123ui1 和 ui2 共同作用时，输出为u = u¢ + u¢ =ooo平衡电阻R2/R3 = R1/RF在改变比例系数反相加法运算电路加深度负反馈, 由虚断路id » 0对a点列KCL方程i1ifRFui1R1i2id¥aui2+uoR2+ i » ii+ i = i12dff= ui1= ui2i = - uoR3由虚地i,i,12fRRR12F代入方程i1 + i2 = if得输出与输入的关系平衡电阻R3 = R1/ R2 / RF3

11、.5例：(1) 求输出uo1与输入ui的关系式； (2) 求uo与ui的关系式。RF1RF2R1¥ui1R3¥A1 +u+A2 +uoo1R2ui2R4= - RF u解： uo1i1R1æRF2 öæRF2 öRF2RF2RF1uo = ç1 +÷ ui2-uo1 = ç1 +÷ ui2+×ui1RRRRRèøèø33331练习：求输出与输入之间的关系式。Rf1Rf2R11¥R12¥uo1+ui+R22+uOR23RF1=

12、-u Riuo111æ RF2öRF2RF1= -Ruo1 - uo1= çR+ 1÷ ×Ruouièø121211练习:两级反相输入减法运算电路Rf1Rf2R12R11¥ui2R13¥ui1+uouo1+R22+R23RL= Rf1uo1Rf2Rf2uuo = ui2 uo1i1R11R12R13RRf1+Rf2uf2uuo = i2i1RR12R13113.2小结：线性应用的分析方法1. 反相输入利用虚地原则，导出 ui、uo与电流的关系， 再代入KCL方程，导出 uo与 ui 的关系2. 同相输入利

13、用虚断路原则，导出 ui与u+的关系，uo与u-的关系再代入方程 u+= u- ，导出uo与ui的关系3. 差动输入利用叠，分别求反相输入的输出分量 uo'和同相输入的输出分量 u"o在输出端叠加 uo= uo' + u"o例：测量放大器电路如图，推导 uo 与输入的运算关系式。解：第一级由A1和A2组成同相并联差动运算电路， 有很好的对称性，第¥RFuRu+i1o1A+1R1A¥ A +A 为减法运算电路。RP3由虚短路3u+BouA = u1 = ui1 uB = u2 = ui2¥R1A2 +uo2u+RFRi2RPR1

14、+ RP + R1(uo2 - uo1 )uB - uA = ui2 - ui1 =uo = RF (uo2 - uo1 )RæöR2R()F1u=1 +u- uçè÷øoi2i1调整R, 可改变电路RRPP的电压放大倍数。3.33.3放大电路中的负反馈3.3.1反馈的基本概念1. 什么是反馈将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。xi 总输入信号xd 净输入信号xo 输出信号xf 反馈信号放大电路xixdxoAxf反馈网络反馈框图x 既可以是电压，也可以是电流。2. 开环和闭环开环：信号只有正向传输闭环：信号既有正向传输

15、，也有反向传输，即存在反馈。±F3. 正反馈和负反馈正反馈负反馈xd = xi + xfxd = xi xf加强了输入信号削弱了输入信号4. 负反馈放大器的一般分析xoxixdxoA =开环放大倍数Axd xfxf反馈系数F =xo闭环放大倍数的一般表达式= xoxo xd + xfxo / xd=Afxixd /dAF 称为环路增益1+ AF 称为反馈深度±F4. 负反馈放大器的一般分析xixdxoA = xo开环放大倍数AxdF = xfxf反馈系数xo闭环放大倍数的一般表达式AF 称为环路增益1+ AF 称为反馈深度深度负反馈时的闭环放大倍数当 1+ AF >&

16、gt;1 时，（即深度负反馈）=A» A »Af1 + AFAF±F3.3.4负反馈对放大电路性能的影响负反馈降低了放大倍数，但也带来放大器性能的。1.提高放大器放大倍数的稳定性负反馈的引入稳定了放大器的输出信号，在输入信号不变的情况下，提高了放大倍数的稳定性。通常用相对变化率 dAf和 dA 衡量放大倍数的稳定性。AfA=A对闭环放大倍数中的 A求导：Af1 + AFdAf1(1 + AF )21× 1 ×A1× Af=1 + AFA 1 + AF1 + AFAdA 11 + AFdAf =1× dA整理得相对变化率减小为

17、1 + AFAAf闭环放大倍数的稳定性比开环时提高了(1+ AF)倍。2. 扩展通频带定性解释为： 当输出信号减小，放大器的幅频特性AufAuAu0无负反馈反馈信号也随之减小，净输入信号相对增大，使放大器输出信号0.707Au0uf00.707Auf0有负反馈Af0fHffH的下降程度减小，放大倍数相应提高。3. 减小非线性失真设 ui 为正弦波，开环放大器发生非线性失真。加入负反馈以后，放大倍数下降，使输出信号进入非线性区的部分无负反馈uiuoA加入负反馈减少，从而削弱了非线性失真。失真的效果取决于失真的严重程度和反馈深度的大小。uiuudouiAufuf结论：负反馈了波形失真。F4. 负反

18、馈对输入电阻的影响（1）串联负反馈提高输入电阻ii+uiAriud= udxoxfxf由 AF =x×x=xr开环ii+idodufF得 u = AF u ，代入fd= ui = ud + uf闭环r=ifiiiiiiid（2）并联负反馈降低输入电阻+uiifriAur =由 i = AF ii开环fdiidF= uiui=r闭环ifi+ iiidf5. 负反馈对输出电阻的影响（1）电压负反馈降低输出电阻rof < ro定性解释：电压负反馈稳定了输出电压，使放大器更趋向于恒压源，因而输出电阻减小。rof > ro（2）电流负反馈提高输出电阻定性解释：电流负反馈稳定了输出电

19、流，使放大器更趋向于恒流源，因而输出电阻增大。3.43.4.2在信号处理方面的应用电压比较器1. 电压比较器的概念功能将模拟输入信号ui与某参考电压UR 进行比较。由高电平®低电平当二者相等时, uo 产生跃变由低电平®高电平据此来输入信号的大小和极性。应用用于波形产生和变换、模数转换及越限等场合分析方法利用理想的工作状态的电压传输特性uo= f ( ui )。大多处于开环状态或正反馈状态工作在开环状态工作在非线性区的依据uo非线性区oUO(sat)+ou- u+-UO(sat)= +U0(sat)= -U0(sat)> u-< u-= u-时，u0uo当 u+

20、u+ u+非线性区由于工作在非线性区uo ¹ Auo (u+ - u- )uo发生跃变虚短不再成立虚断依然成立所以u+r +iduidu反相输入电压比较器将任一输入端加上输入信号。而另一输入电压比较器,如图示。端加入参考电压，即可ui为输入电压， UR为参考电压R1+= +U0(sat)当 u+ > u-时，u0+ui+u+u= -Uu< uR2URo+-o0(sat)uo当ui >UR时， uo = Uo(sat)ui = UR时， uo 发生跃变UO(sat)uRuoiu <U 时， u= +UUiRoo(sat)O(sat)反相输入电压比较器当UR=0时

21、，即输入电压和零电平比较，称为若图中ui为正弦波，画出uo的波形。过零比较器。R1+ui+ui+uoR2tououoUO(sat)UO(sat)uitoUO(sat)oUO(sat)反相输入电压比较器当UR=2V时若图中ui为正弦波，画出uo的波形。R1+ui2+ui+uoR2tURuoUUO(sat)O(stuioUO(sat)UO(s2VVouoat)oat)反相输入电压比较器当UR= 2V时若图中ui为正弦波，画出uo的波形。R1+u+uii+uR2otUo-2VRuouoUO(sat)电压传输特性UO(sat)toUO(sat)uio 2VUO(sat)反相输入电压比较器在输出端与地之

22、间接一个双向稳压管 ，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。uoR1+ui+RUO(sat) U+ZuR2DoZuioUZUO(sat)限幅电压比较器双向稳压管DZ和限流电阻R双向稳压管DZ+UZ-+DZ-+UZ-+UZ-+UD-uIV20-2同相输入电压比较器tT2T+R1R-+uO±UZuIu0V60R2VDZt tuoUO(sat)UZ-6uioUZUO(sat)3. 电压比较器的分析方法（1） 输出电压跃变的条件满足u+= u 时对应的输入电压 ui 即是电压比较器的门限电平UT。对于过零比较器对于电压比较器（2）电压传输特性门限电平 UT = 0门限电平 UT =