第11章运算放大器ppt课件

1、第第 11 章章 运算放大器运算放大器11.1 运算放大器简单介绍运算放大器简单介绍11.3 运算放大器在信号方面的应用运算放大器在信号方面的应用11.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈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 集成功率放大器集成功率放大器11.7 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 11 章章 运算放大运算放大器器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

2、性和两种兼容数字和模拟数字和模拟用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。换、自动控制等领域。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接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。耦合放大器。第第 11 11 章章 运算放大运算放大器器本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信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，并介绍号运算、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。放大电路中的负反馈。输出端输出端 11.1.1 11.1.1 集成运放的组成集成运放的组成输入级输入级 差动放大

3、器差动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 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成11.1 运算放大器简单介绍运算放大器简单介绍偏置偏置电路电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级输入端输入端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理想运放开环理想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 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 Auo

4、3. 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 UICM理想的运算放大器。理想化的主要条件：理想的运算放大器。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 2. 开环输入电阻开环输入电阻3. 开环输出电阻开环输出电阻4. 共模抑制比共模抑制比 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，11.1.2 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 ouA idr0or CMRRK在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是在分析运算

5、放大器的电路时，一般将它看成是而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此而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。后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。实际运放电压传输特性实际运放电压传输特性 11.1.2 11.1.2 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)(oo uuAuu 表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的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传输特性。曲线称为传输特性。uo uuO线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 假设假设 Auo = 106 UO(sat) = 15

6、 V那么那么 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+u理想运放电压传输特性理想运放电压传输特性 11.1.2 11.1.2 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 uuo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开环电压放大倍数开环电压放大倍数 ouA所以，当所以，当 uu uu(sat)oOUu (sat)oOUu 时，时， uuuo 发生跃变发生跃变uou+u)(oo uuAuu 11.1.2 11.1.2 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)(oo uuAuu0

7、)(oo uAuuu运放工作在线性区的依据运放工作在线性区的依据 相当于两输入端之间短路，但又未真正短路，故相当于两输入端之间短路，但又未真正短路，故称称 “虚短路虚短路” 。 相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称称 “ “虚断路虚断路”。2. id 0 1. u+ u，而，而 uo 是有限值，是有限值，运放开环输入电阻运放开环输入电阻 ouA idrid 由于运放由于运放故从式故从式，可知，可知uou+urid 11.1.2 11.1.2 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)(oo uuAuuuo+uu +运放工作在非线性区

8、的依据运放工作在非线性区的依据2. id 0 1. u+ u由于运放工作在非线性区由于运放工作在非线性区rididuo uuO不再成立不再成立非线性区非线性区 非线性区非线性区 所以所以当当 uu uuo(sat)oUu (sat)ooUu 时，时， uuUo 发生跃变发生跃变依然成立依然成立前往前往11.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈11.2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。如果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。如果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。AoXiX无负反馈放大无负反馈放大电路方框

9、图电路方框图基本放大电路基本放大电路反馈电路反馈电路11.2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念fidXXX F+fXdXAoXiX带有负反馈放大带有负反馈放大电路的方框图电路的方框图比较环节比较环节 输入信号输入信号 净输入信号净输入信号 反馈信号反馈信号 输出信号输出信号dXiXfXoX净输入信号净输入信号若三者同相，若三者同相，fidXXX 可见可见idXX ，电路为负反馈。，电路为负反馈。那那么么11.2.2 负反馈的类型负反馈的类型 根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出端的连接方式不同，负反馈有以下四种类型。端的连接方式不同，负反馈有以下四种类型

10、。负反馈的类型有：负反馈的类型有：AF+dXoXfXiX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；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；在输入端在输入端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。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。在输出端在输出端11.2.2 负反馈的类型负反馈的类型ui+R1R2uoR

11、F+RLud+uf+ fiduuu 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 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，所以为负反馈。输入信号减小，所以为负反馈。01F1fuRRRu 反馈电压反馈电压取自输出电压，并与之成正比，取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。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，故为串联在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反响。反响。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。1. 串联电压负反馈串联电压负反馈ui+R1R2uoRF+RLud+uf+ AF+ufuduiuo 串联电压负反馈方框图串联电压负反馈方框图FoFofRuRuui uoR1R2RF+ui+RL iiidif-fidiii 设某一瞬时设某一瞬时 ui 为正，则此时为正，则此时 uo 为负，各电流实际方向如图示。为负，各电流实际方向如图示。 净输入电流净输入电流小于输入电流，即小于输入电流，即 if 的存在使的存在使净输入电流减小，所以为负反馈。净输入电流减小，所以为负反馈。反馈电流反馈电流取自输出电

13、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，故为并联在输入端以电流形式作比较，两者并联，故为并联反响。反响。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。2. 并联电压负反馈并联电压负反馈AF+uiuoifidiiuoR1R2RF+ui+RLidif ii- 并联电压负反馈方框图并联电压负反馈方框图ofRiu fiduuu 为负反馈；为负反馈； uf 与与 ui 在输入端以电压形式作在输入端以电压形

14、式作反馈电压反馈电压与输出电流成比，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比较，两者串联，故为串联反馈。比较，两者串联，故为串联反馈。R2uoR+RLud+ uf+ioui+fidiii oFf)(iRRRi 图中图中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+uiioidiiififRFiRuRRui+RL ioR1iiidR2-如何判别电路中反馈类型小结如何

15、判别电路中反馈类型小结(1) (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“地端引出的，是电流反馈；地端引出的，是电流反馈； (2) (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) (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，则为电压反馈；也可将输出端短路，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。若反馈量

16、不为零，则为电流反馈。) ) 例例1 1 判别图示电路从判别图示电路从 A2 A2 输出端引入输出端引入 A1 A1 输入端的反馈类型。输入端的反馈类型。uoui+ uo1ud+RL Ruf+A1A2 解解 反馈电路从反馈电路从 A2 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同相和反相两个输输入电压分别加在的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，那么正，那么 uo1为负，为负， uo 为正。为正。反馈电压反馈电压 uf 使净输入电压使净输入电压 ud = ui uf减小，故为负

17、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 2 判别图示电路从判别图示电路从 A2 A2 输出端引入输出端引入 A1 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 RL 接近接近“地端引出，为电流反地端引出，为电流反馈；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 的的 同一个输入端，同一个输入端，故为并联反馈；故为并联反馈； 设为设为 ui 正，那么正，那么 uo1 为正，为正， uo 为负。反馈电流实际方为负。反馈电流实际方向如图所示，向如图所示，净输入

18、电流净输入电流 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。1.提高放大电路的稳定性提高放大电路的稳定性 11.2.3 11.2.3 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doXXA ofXXF fidXXX AFAXXA 1iofAAAFAAd11dff AF+dXoXfXiX开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数引入负反馈后净输入信号引入负反馈后净输入信号引入负反馈后闭环放大倍数引入负反馈后闭环放大倍数对上式求导对上式求导 可见，引入负反馈后，放大倍数降低了，可见，引入负反馈后，放大倍数降低了，而放大倍数的稳定性却提高了。而放大倍

19、数的稳定性却提高了。uf2.改善非线性失真改善非线性失真参与参与负反馈负反馈无负反馈无负反馈FufAuuiuo+uduo大大小小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； (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

20、。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？前往前往1.反相输入反相输入fiii 0 uu1i1iiRuRuui FFRuRuuioof i1ouRRuF 1iofRRuuAFu FRRR/12 11.3.1 比例运算比例运算由运放工作在线性区的依据由运放工作在线性区的依据可列出可列出由此得出由此得出闭环电压闭环电压放大倍数放大倍数平衡电阻平衡电阻iouu 1iof uuAuFRR 1假设假设那么那么ifR1R2uoRFiiui+2.同相输入同相输入fiii iuuu 1i1iRuRui FFRuuRuuioiof i1o)1(uRRuF 1iof1RRuuAFu 11.3

21、.1 比例运算比例运算由运放工作在线性区的依据由运放工作在线性区的依据可列出可列出由此得出由此得出闭环电压闭环电压放大倍数放大倍数0 FR1iof uuAu 1R假设假设那那么么或或ifR1R2uoRFiiui+11i1i1Rui FiiRuiiio21f )(i212i111ouRRuRRuFF 11.3.2 加法运算加法运算由图可列出由图可列出由上列各式可得由上列各式可得当当12i2i2Rui 11211RRR 时，则上式为时，则上式为)(i2i11ouuRRuF FRRRR/12112 平衡电阻平衡电阻uoifR12R2RFii2ui2+R11ii1ui1+i2323uRRRu 11.3

22、.3 减法运算减法运算 如果两个输入端都有信号如果两个输入端都有信号由于由于 uu，故上列两式可得，故上列两式可得i11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF 由图可列出由图可列出输入，则为差分输入。输入，则为差分输入。i1i1iRuu ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+)(oi111i1uuRRRuF 11.3.3 减法运算减法运算当当21RR 时，时，)(i1i21ouuRRuF FRRRR/12112 平衡电阻平衡电阻i11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF 3RRF 和和1RRF i1i2ouuu 则上式为则上式为当当时，则得时，则得 可见，输出电压与两个输

23、入电压的差值成正比，可见，输出电压与两个输入电压的差值成正比，故可进行减法运算。故可进行减法运算。ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+ 例例 3 3 图中，图中，321RRR ,id1ic1i1uuu ,id2ic2i2uuu ic2ic1uu id2id1uu 其中其中是共模分量，是共模分量，是差模分量。是差模分量。假设假设，试问，试问 RF 多大时输出电压不含共多大时输出电压不含共ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+模分量？模分量？i11Fi23231Fo)1(uRRuRRRRRu )()()1(id1ic11Fid2ic23231FuuRRuuRRRRR ic21F3

24、231F)1(uRRRRRRR )()1(id21Fid23231FuRRuRRRRR 解解 欲使欲使 uo不含共模分量不含共模分量 uic2，必须满足下列条件，必须满足下列条件:0)1(1F3231F RRRRRRR0)1(1F3231F RRRRRRR)()1(id21Fid21231FouRRuRRRRRu ,321RRR 1FRR id22u id1ic1i1mV)28(mV10uuu id2ic2i2mV)28(mV6uuu mV42id2o uu 解解 因因经整理后得经整理后得。此时输出电压。此时输出电压例如例如那么那么11.3.4 积分运算积分运算0 u1ifiRuii tuCR

25、tiCuuF d1d1i1fFco 用电容代替反相比例运算电路中的用电容代替反相比例运算电路中的RFRF，就成为积分运算电路。，就成为积分运算电路。ifR1R2uoRFiiui+ifuC+CF 由于反相输入，由于反相输入，故故 上式表明输出电压正比于输入电压的积分，式中的上式表明输出电压正比于输入电压的积分，式中的负号表示两者反相。负号表示两者反相。R1 CF 称为积分时间常数。称为积分时间常数。11.3.4 积分运算积分运算tuCRuF d1i1otCRUuF1io o(sat)U uoR1R2CFui+uC+ifii当当 ui 为阶跃电压时，那么为阶跃电压时，那么uo 随时间线性增长，随时

26、间线性增长，uoOtuiOt最后达到负饱和值。最后达到负饱和值。11.3.5 微分运算微分运算tuCtuCiddddi1c1i ifoiRiRuFF tuCRuFddi1o uoRFR2C1ui+uC+ifii微分运算是积分的逆运算，将积微分运算是积分的逆运算，将积由图可列出由图可列出故故即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。分电路反相输入端的电阻与反馈电容分电路反相输入端的电阻与反馈电容位置对调，就成为微分电路。位置对调，就成为微分电路。11.3.5 微分运算微分运算tuCRuFddi1o uoRFR2C1ui+uC+ifiiUi tuoOt

27、uiO留意：由于此电路工作时稳定性不高，留意：由于此电路工作时稳定性不高， 故实际中很少应用。故实际中很少应用。 当当 ui 为阶跃电压时为阶跃电压时 uo 为尖脉冲电压。为尖脉冲电压。前往前往11.4.1 有源滤波器有源滤波器 所谓滤波器就是一种选频电路。它能选出有用的所谓滤波器就是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号。信号，而抑制无用的信号。 由电阻、电容、电感等元件组成的滤波电路称为由电阻、电容、电感等元件组成的滤波电路称为无源滤波器。而由无源滤波器。而由 R、L、C 及运放构成的滤波器，及运放构成的滤波器，由于运放工作时要外加电源，所以称为有源滤波器。由于运放工作时要外加

28、电源，所以称为有源滤波器。 有源滤波器相对于无源滤波器，具有体积小、重量有源滤波器相对于无源滤波器，具有体积小、重量轻、具有良好的选择性，还可使所处理的信号不衰减甚轻、具有良好的选择性，还可使所处理的信号不衰减甚至还能放大。其缺点是放大器工作时要提供电源、在大至还能放大。其缺点是放大器工作时要提供电源、在大信号工作时，运放可能会产生失真等。信号工作时，运放可能会产生失真等。1. 有源低通滤波器有源低通滤波器11.4.1 有源滤波器有源滤波器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icj1j1UCRCUU URRUF)1(1ouoRFR1Cui+uC+R设图中设图中

29、 ui 为某一频率的正弦量为某一频率的正弦量由由 RC 电路得出电路得出RCU j1i 由同相比例运算关系得出由同相比例运算关系得出1.有源低通滤波器有源低通滤波器011ioj11j11 RRRCRRUUFFRC10 故故称为截止角频率称为截止角频率式中式中假设假设 为变量，则该电路的传递函数为变量，则该电路的传递函数0fo01ioj1j11)j ()j ()j ( uFARRUUT20fo)(1)j ( uAT0arctan)( 其模为其模为幅角为幅角为1. 有源低通滤波器有源低通滤波器0 fo)j (uAT 2)j (fouAT 0 0)j ( T 低通滤波器具有使低通滤波器具有使低频信号

30、易通过，而抑低频信号易通过，而抑制高频信号的作用。制高频信号的作用。时，时，时，时，时，时，O 0 )j ( TfouAfo21uA频率特性频率特性2.有源高通滤波器有源高通滤波器RC10 RCUUCRRU j11j1ii 011ioj11j111 RRRCRRUUFF URRUF)1(1oRFR1Cui+Ruo由由 RC 电路得出电路得出由同相比例运算关系得出由同相比例运算关系得出故故称为截止角频率称为截止角频率式中式中2.有源高通滤波器有源高通滤波器0fo01ioj1j11)j ()j ()j ( uFARRUUT20fo)(1)j ( uAT 0arctan)( 0 fo)j (uAT

31、2)j (fouAT 0 0)j ( T其模为其模为幅角为幅角为假设假设 为变量，则该电路的传递函为变量，则该电路的传递函数数时，时，时，时，时，时， 高通滤波器具有使高高通滤波器具有使高频信号易通过，而抑制低频信号易通过，而抑制低频信号的作用。频信号的作用。频率特性频率特性O 0 )j ( TfouAfo21uA 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。判别输入信号的大小和极性。 电压比较器用于自动控制、波形变换、模数转电压比较器用于自动控

32、制、波形变换、模数转换及越限报警等。换及越限报警等。 11.4.2 11.4.2 电压比较器电压比较器 集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正反馈的工作状态，即工作在非线性区。反馈的工作状态，即工作在非线性区。 将运放任一输入端加上输入信号，而另一输入端加入将运放任一输入端加上输入信号，而另一输入端加入参考电压，即可构成电压比较器，如下图。参考电压，即可构成电压比较器，如下图。电压传电压传输特性输特性 11.4.2 11.4.2 电压比较器电压比较器Ui 为输入电压，为输入电压， UR 为参考电压为参考电压当当 ui UR 时，时， uo = Uo(s

33、at)ui UR 时，时， uo = +Uo(sat)ui = UR 时，时， uo 发生跃变发生跃变uoiuOuoR1R2ui+UR+uR+ 当当 UR = 0 时，即输入电压和零电平比较，称为时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。过零比较器。电压传电压传输特性输特性uoiuOuo 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+uoOt 在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把输在输出端与地之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出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。匹配。电压传输特性电压传输特性uoRR1R2+DZui+uoiuO限幅电压比较器限幅电压比较器 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 是热敏电是热敏电阻，温度升高阻值变小。阻，温度升高阻值变小。KA 是继电器，温度升高，超过规定是继电器，温度升高，超过规定值，值，KA 动作，自动切断