第5章集成运算放大器

1、1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好；2. 二极管多用三极管的发射结代替；二极管多用三极管的发射结代替；3. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替， 电位器需外接；电位器需外接；4. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。和变压器均需外接。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大器。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大器。输入级输入级 差动放大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

2、出器或互补对称功率放大器中间级中间级 电压放大器电压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tu0当放大器的输入电压当放大器的输入电压 ui = 0 时，其输出电压时，其输出电压uO 往往会随着时间往往会随着时间变化，而不是保持变化，而不是保持常数，称这种现象常数，称这种现象为放大器的为放大器的 。oRCui1uo2RPREEET1T2ui2RCRBRBuo1uo+VCC长尾长尾电路电路RP：调零电位器调零电位器RE：共模负反馈电阻共模负反馈电阻EE：负电源，提供静态偏置负电源，提供静态偏置 和电阻和电阻RE上的直流压降上的直流压降Tuo=VC1VC2 = 0IB1

3、IC1VC1IB2IC2VC2设设零漂为温漂零漂为温漂RCui1uo2RET1T2ui2RCRBRBuo1uo+VCCui1= ui2 = udRPVEEa . 差模信号差模信号ui1= ui2 = ucb . 共模信号共模信号c . 任意信号任意信号ud = (ui1 ui2)1 2uc = (ui1+ ui2)12RCuo+VCCT1RRT2RBRBRCVEERPREuiui1ui2uo2uo1对称对称 uo1= uo2 ui1= ui2 = ui12uo= uo1 uo2 = 2uo1 Ad= = = Ad1uo ui2uo12ui1= RB + rbe+ (1+ )RP /2 RL R

4、B + rbe RLRL = RC / RL2 ri = 2RB+ rbe+(1+ )RP /2ro= 2RC 2RB +rbe RLie1ie2（2）单端输入单端输出方式单端输入单端输出方式（1）双端输入双端输出方式双端输入双端输出方式双端输入双端输入双端输出双端输出单端输入单端输入单端输出单端输出RC+VCCT1T2RBRBRCREuiui1ui2uo2uo1EERP 由于由于RE的耦合作用，可的耦合作用，可以将单端输入的信号转变以将单端输入的信号转变成双端输入的信号。成双端输入的信号。ud1 ud2 ui12RE 越大，越接近差模输入方式越大，越接近差模输入方式uc1 uc2 ui12R

5、L = RC /RL ri = 2RB+ rbe+(1+ )RP /2ro= RC 2RB + rbe RC+VCCT1T2RBRBRCREuiui1ui2uo2uo1EERPud1 ud2 ui12Ad= = = Ad1uo1 uiuo12ui112 + 2 RB + rbe RLRL= 2RB + rbe+ (1+ )RP /2 RL+AC= uoc ucRB + rbe+ (1+ )2RE= RCRC+VCCT1T2RBRBRCREuiui1ui2uo2uo1EERP RC(1+ )2RERC2REKCMRR= ACAdKCMR= 20 log | | (dB)ACAd（3）单端输入双端

6、输出方式单端输入双端输出方式（4）双端输入单端输出方式双端输入单端输出方式uiuo u+ u输出端输出端反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端A信号传信号传输方向输方向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实际运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数 ui = u u+或或 ui = u+ u uuO+u+671011 92313 58+15V15VRPRCFC3C1反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端调零调零电位器电位器校正网络校正网络正电源正电源负电源负电源输出端输出端uO6uu+7823145+15V15VRP A7411. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Auo；

7、( Auo 105 )2. 开环差模输入电阻开环差模输入电阻 rid； ( rid 105 )3. 开环输出电阻开环输出电阻 ro； ( ro 105 )6. 通频带通频带 BW1. 通用型运放通用型运放 从从1969年以来，共发展了四代。年以来，共发展了四代。2. 专用型运放专用型运放 分为低功耗、高输入阻抗、高精度等类型。分为低功耗、高输入阻抗、高精度等类型。1. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Auo 2. 开环差模输入电阻开环差模输入电阻 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 KCMRR 5. 通频带通频带 BW 运放的理想化模型是一组理想化的参

8、数，是运放的理想化模型是一组理想化的参数，是将实际运放等效为理想运放的条件。将实际运放等效为理想运放的条件。等效为理想运放，将使分析和计算大大简化。等效为理想运放，将使分析和计算大大简化。将实际运放将实际运放UOMUOMUOMUOMUimUim实际运放实际运放理想运放理想运放 uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uoui0ui uo+uiuo0+iiui对于理想运放对于理想运放rid相当于两输入端之间相当于两输入端之间短路短路uiii = rid对于理想运放对于理想运放 u u+相当于两输入端之间相当于两输入端之间断路断路uo有有 ii 0Auo ui 0rid“虚短路

9、虚短路”原则原则(2)“虚断路虚断路”原则原则(1)+uiuo+ui = u u+ = Auouo 当反相输入端接地当反相输入端接地时时, 因为存在负反馈信号因为存在负反馈信号, 同同相输入端相输入端 (3) “虚地虚地”的概念的概念由由“虚断路虚断路”原则原则 ii = 0 , 有有 u+=0 u_ u+ = 0当同相输入端接地时，当同相输入端接地时，由由“虚短路虚短路”原则原则注意注意R1RFR2R1RFR2uouiuoui“虚断路虚断路”原则原则uiiirid=对于理想运放对于理想运放相当于两输入端之间相当于两输入端之间 断路断路运放工作在运放工作在工作状态的必要条件：工作状态的必要条件

10、：+iiuiriduo+ 注意注意: “虚短路虚短路”原则原则 有有 ii 0riduoi1ifidRFR1R2由虚断路由虚断路 id 0由虚地由虚地uii1 = R1 uoif = RFi1 if加上深度负反馈加上深度负反馈 uo = ui RF R1故有：故有：uiR150k uouiRF =100k R2A 3-17 运算电路如右图所示。运算电路如右图所示。 1. 求：求：(1) uo与与 ui 的关系式；的关系式； (2)平衡电阻平衡电阻 R2 的阻值。的阻值。 在图示电路中，要使运算关系为在图示电路中，要使运算关系为 uo= 10 ui， 而保持而保持 R1 的阻值不变。的阻值不变。

11、 求：电阻求：电阻RF 和和R2 的阻值。的阻值。解：解： (1) uo= 2ui(2) R2 = 33.3 k 解：解： RF = 500 k ， R2 = 45.45 k uoi1ifRFR1R2虚地：虚地：ui1 = iR1R3R4设设: RFR4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uououo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFuiRFRR uo = 1+ u+RFR1 1uf = 1+ ui RF R1 1 虚断路虚断路id 0虚短路虚短路u+ = ui uf = uo

12、R1R1 + RF 故有：故有： u u+uiuouoR1uiRF =100k R2A 2. 在图示电路中，欲使运算关系为在图示电路中，欲使运算关系为 uo= 4 ui ， 同时保持同时保持RF 的阻值不变。的阻值不变。 求：电阻求：电阻R1和和R2的阻值。的阻值。3-18 运算电路如右图所示，运算电路如右图所示，R1 =20k 。 1. 求：求：(1) uo与与 ui 的关系式；的关系式； (2)平衡电阻平衡电阻 R2 的阻值。的阻值。 解：解： (1) uo= 6ui(2) R2 = 16.7 k 解：解： R1 = 33.3 k ，R2 = 25 k uiuouo = uiRFR若接入电

13、阻若接入电阻 R、RF，运算关系不变，运算关系不变uoRFR1R2R3ui1i2uuo=uo+uo= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3ui2ui1uoui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3ifRPRFR1R2R3ui1ui2ui3RF R1 uO = 1+ R + + R21R23ui3ui1R22ui2其中其中 R = R21 R22 R23 Ruo代入代入 u+= uu- = uf = uoR1R

14、1+ RFu+= R21R23 ui3ui1R22ui2 + + R21R23R22 + + + 1111R可得可得由弥尔曼定理由弥尔曼定理RFRR1R21R22R23uoRFR1R2R3 uo = 1 + ui2RFR1R2 + R3R3 - - ui1RFR1ui1ui2差动比例运算差动比例运算是减法运算电是减法运算电路的一种形式路的一种形式uiCFuo由虚断和虚地由虚断和虚地uiiC = i1 = R1i1iCuC duC dt iC = CF uo = uC可得可得R1R2uo = R1 CFui dt1R1uiCFuououi若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出波形为R2i1i

15、CuCuo = R1 CFui dt1uoC1 duidt uo = RF C1 uoui由于微分和积分互为逆运算，由于微分和积分互为逆运算，将电容与电阻位置对调即可。将电容与电阻位置对调即可。输出与输入输出与输入的关系式为的关系式为若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出波形为uiRFR1 1低频功率放大器的基本要求低频功率放大器的基本要求（1 1）具有足够大的输出功率。）具有足够大的输出功率。（2 2）效率要高。）效率要高。（3 3）非线性失真要小。）非线性失真要小。（4 4）散热性能好。）散热性能好。（1）以晶体管的静态工作点位置分类）以晶体管的静态工作点位置分类 图5-21 功率放大

16、器的3种工作状态（2）以功率放大器输出端特点分类）以功率放大器输出端特点分类 有输出变压器功放电路。有输出变压器功放电路。 无输出变压器功放电路无输出变压器功放电路（又称（又称OTL功放电路）。功放电路）。 无输出电容器功放电路无输出电容器功放电路（又称（又称OCL功放电路）。功放电路）。 桥接无输出变压器功放电路桥接无输出变压器功放电路（又称（又称BTL功放电路）。功放电路）。 （3）功率管的安全使用知识）功率管的安全使用知识 避免发生集电结的击穿。避免发生集电结的击穿。 避免集电结过热，集电极的功率损耗应避免集电结过热，集电极的功率损耗应低于最大容许值低于最大容许值PCM。 功率管在工作时

17、不能进入二次击穿区。功率管在工作时不能进入二次击穿区。图5-28 TDA2030的外引线排列图5-29 TDA2030接成OCL功放电路5.3.1 5.3.1 任务分析任务分析图图5-30 5-30 汽车倒车警示电路框图汽车倒车警示电路框图图图5-31 5-31 汽车倒车警示器电路汽车倒车警示器电路1电源电路电源电路2语音产生电路语音产生电路3功率放大电路功率放大电路4元件的选择元件的选择5.4.1 LM3865.4.1 LM386集成功率放大器的应用电路集成功率放大器的应用电路1引脚及参数引脚及参数图图5-33 LM3865-33 LM386内部电路内部电路2内部电路内部电路图5-33 LM

18、386内部电路3 3用用LM386LM386组成组成OTLOTL应用电路应用电路图5-34 用LM386组成OTL电路4 4用用LM386LM386组成组成BTLBTL电路电路图5-35 用LM386组成BTL电路5.4.2 5.4.2 功率放大器的散热问题功率放大器的散热问题1 1功率器件热性能的主要参数功率器件热性能的主要参数2 2功率器件热设计功率器件热设计3 3散热器的选取散热器的选取图5-36 散热器的几种形状1输入信号的选用输入信号的选用2调零调零3消振消振图5-37 调零电路正反馈正反馈xd = xi + xf负反馈负反馈xd = xi xfAFxoxixdxf xi 总输入信号

19、总输入信号xd 净输入信号净输入信号xf 反馈信号反馈信号xo 输出信号输出信号 A 1+ AF xo / xdxd xfxd xdA= xo / xdF= xf / xoAFxoxixdxf 闭环放大倍数闭环放大倍数:开环放大倍数开环放大倍数:反馈系数反馈系数: xo xiAf xoxd+xf1+ AF 反馈深度反馈深度当当 1+ AF 1 时，时，Af AFA F 1AF 环路增益环路增益（即深度负反馈）（即深度负反馈）第第3章章 3.5AFiouoRLAF在放大器输入端在放大器输入端, , 信号以电流出现信号以电流出现, , if与与id相并联相并联, ,为并联反馈；为并联反馈； id=

20、 ii if ii ，为负反馈。为负反馈。净输入电流净输入电流在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相串联相串联 , , xf与与 io成正比，为电流反馈；成正比，为电流反馈；信号信号 x 均以电流均以电流 i 的形式出现的形式出现xoxixdxfidiiif第第3章章 3.5AFRL框图框图例图例图RL+iouoR2R1RFRiiidif第第3章章 3.5idiiifiououiRA1A2A3uouf电压并联负反馈电压并联负反馈(级间级间)电压串联负反馈电压串联负反馈(级间级间)电压并联负反馈电压并联负反馈(本级本级)if第第3章章 3.5多级放大器用瞬时极性法判别反馈的正负。多级放大器用

21、瞬时极性法判别反馈的正负。xf 与与uo成正比成正比 是电压反馈是电压反馈xf 与与io成正比成正比是电流反馈是电流反馈RL R F R1udufuiuoR2ioufui R1R2uduoRL第第3章章 3.5将输出端负载两端短路，将输出端负载两端短路，若反馈消失为电压反馈，若反馈消失为电压反馈，否则为电流反馈。否则为电流反馈。xi 与与 xf 串联为串联反馈，串联为串联反馈， xf 必以电压形式出现必以电压形式出现xi 与与 xf 并联为并联反馈，并联为并联反馈， xf 必以电流形式出现必以电流形式出现uiuoiiidifRLR1RFR2第第3章章 3.52. 集成运放的理想化模型及分析依据

22、集成运放的理想化模型及分析依据3. 集成运放在模拟运算方面的应用集成运放在模拟运算方面的应用5. 电压比较器电压比较器4. 负反馈类型的判别及其对放大器性能的影响负反馈类型的判别及其对放大器性能的影响6. RC桥式正弦波振荡器桥式正弦波振荡器7. 方波发生器方波发生器1. 差动放大器在结构和性能方面的特点差动放大器在结构和性能方面的特点第第3章章 小结小结3-1 选择题选择题：正弦波振荡器是用来产生一定频率和幅度的正：正弦波振荡器是用来产生一定频率和幅度的正 弦波信号的装置，它能够输出正弦波信号是因为弦波信号的装置，它能够输出正弦波信号是因为 。(c) 有外加输入信号。有外加输入信号。(b)

23、满足了自激振荡条件；满足了自激振荡条件；(a) 先施加输入信号激励振荡起来，然后去掉输入信号；先施加输入信号激励振荡起来，然后去掉输入信号；b3-2 差动放大电路能够放大差动放大电路能够放大 信号，抑制信号，抑制 信号信号 (a) 差模差模 (b) 共模共模 (c) 任意任意3-3 运算放大器的输出电压与反相输入端加入的信运算放大器的输出电压与反相输入端加入的信 ， 与同相输入端加入的信号与同相输入端加入的信号 。 (a) 同相同相 (b) 反相反相 (c) 无关无关ab ba3-4 积分电路如图积分电路如图1所示，其输出积分波形如图所示，其输出积分波形如图2中曲线中曲线1，若，若 只将电路中

24、电容只将电路中电容C 的容量增加，其余条件不变，则该电路的容量增加，其余条件不变，则该电路 的积分曲线将变为的积分曲线将变为 。(a) 曲线曲线2 (b) 曲线曲线3(c) 曲线曲线4 auotuOMU0M03124图图 2+R1uiCu0R图图 13-6 RC 桥式正弦波振荡器的振荡频率桥式正弦波振荡器的振荡频率 f0 与电阻与电阻R 成成 ， 与电容与电容C 成成 。 (a) 正比，反比正比，反比 (b) 反比，正比反比，正比 (c) 正比，正比正比，正比 (d) 反比，反比反比，反比3-5 正弦波振荡器的输出为具有一定正弦波振荡器的输出为具有一定 和和 的正弦波。的正弦波。 (a) 频率

25、、周期频率、周期 (b) 频率、幅度频率、幅度 (c) 周期、相位周期、相位 (d) 幅度、相位幅度、相位3-7 串联电压负反馈对放大电路输入电阻影响的是串联电压负反馈对放大电路输入电阻影响的是 ， 对放大电路输出电阻的影响是对放大电路输出电阻的影响是 。 (a) 增大增大, 减小减小 (b) 减小减小, 增大增大 (c) 减小减小, 减小减小 (d) 增大增大, 增大增大3-8 并联电流负反馈对放大电路输入电阻影响的是并联电流负反馈对放大电路输入电阻影响的是 ， 对放大电路输出电阻的影响是对放大电路输出电阻的影响是 。 (a) 增大增大, 减小减小 (b) 减小减小, 增大增大 (c) 减小

26、减小, 减小减小 (d) 增大增大, 增大增大 bdab3-9 理想运算放大器的理想运算放大器的“虚断路虚断路”是指是指 ， “虚地虚地”是指是指 ， “虚短路虚短路”是指是指 。3-10 理想运放的主要参数有理想运放的主要参数有 。3-11 闭环放大倍数闭环放大倍数 Af 与开闭环放大倍数与开闭环放大倍数 A 及反馈系数及反馈系数 F 的的 关系为关系为 。流入运放的电流为零流入运放的电流为零u+= u同相输入端接地时，反相输入端可看作地电位同相输入端接地时，反相输入端可看作地电位AU0 、r i 、 r o 、 KCMRR Af = A/(1+AF)3-12 为了稳定输出电流为了稳定输出电

27、流, 提高提高 输入电阻，应在放大电路输入电阻，应在放大电路 中引入中引入 反馈。反馈。电流串联负电流串联负3-13 右图电路中所引入的反馈右图电路中所引入的反馈 类型为类型为 。电压并联负反馈电压并联负反馈 RFR1R2R3R4RL+uoui R1uoui1RFR3A ui2R23-19 运算电路如右图所示。运算电路如右图所示。1. 设设R1=R2 =R3 =RF =100k 。求：求：uo与与 ui1 和和 ui2 的关系式。的关系式。3. 在图示电路中，若要使其满足在图示电路中，若要使其满足uo= 10 ( ui1 ui2)，且，且 R1 =15 k 。 求：电阻求：电阻RF 、R2和和

28、R3的阻值。的阻值。解：解： uo= ui2 ui1解：解： RF = 150 k ， R2 = 15 k ， R3 = 150 k 2. 在图示电路中，若欲使其满足在图示电路中，若欲使其满足 uo= 6ui2 5ui1， RF =100k 。 求：电阻求：电阻R1 、R2 和和 R3 的阻值。的阻值。解：解： R1 = 20 k ， R2 = 16.7 k ， R3 开路开路uoR1ui1RF =100k R3A ui2R23-20 运算电路如右图所示，运算电路如右图所示， 设电阻值为设电阻值为R1 = R2 =10k 。1. 求：求：uo与与ui1 和和ui2 的关系的关系 式及平衡电阻式

29、及平衡电阻R3的阻值。的阻值。2. 运算电路如图所示，若电运算电路如图所示，若电 阻值为阻值为R1=R2 = RF =100k 。 3. 在图示电路中在图示电路中, 若要使其满足若要使其满足uo = 5 ( ui1+ ui2) 。求：电阻求：电阻R1、R2 和和R3 的阻值。的阻值。 解：解：uo= 10( ui2 + ui1)，R3 = 4.76 k 解：解： R1 = R2 = 20 k ， R3 = 9.1 k 解：解： uo= ( ui2 + ui1)， R3 = 33.3 k 求：求：uo与与ui1 和和ui2 的关系式及平衡电阻的关系式及平衡电阻R3的阻值。的阻值。3-21 求输出

30、求输出uo与各输入信号之间的关系式与各输入信号之间的关系式uo= uo+uo = 1 + ui3RFR1 R2R3+R4 R4uoRFR1R2R3ui1 i3uR4ui2uO = - - ui1 + ui2) RFR1 1RFR2uO = 1+ u+RFR1 R2= 1 + ui3 - - ui1+ ui2 RFR1 R2R3+R4R4RF R1 RFR2R1 R2 RF = R3 R4解：利用叠加原理进行分析解：利用叠加原理进行分析3-22 若运算关系式为若运算关系式为 u0 = 10ui1dt 20ui2dt ，画出对应，画出对应 的运放电路，并按反馈电容的运放电路，并按反馈电容CF =

31、1F，选配电路中的电阻。，选配电路中的电阻。 +R1ui1CFuoR2ui2RP解：解： R1CF1= 10R1 =110 1 10 6= 100 k R2CF1= 20R2 = 50 k RP = R1 R2 = 100 50 = 33.3 k 3-24 运算电路及参数如图所示。运算电路及参数如图所示。求：求：(1) uo1 与与 ui 的关系式；的关系式； (2) uo与与 ui 的关系式；的关系式； (3) 平衡电阻平衡电阻R2 和和R4 的阻值。的阻值。 50k 100k R3uiCF =10 FRF =100k R4R2R1A1 A2 uo1uo解：解：(1) uo1 = 2ui(2

32、) uo = uo1 dt = 2ui dt(3) R2 = 33.3 k ， R4 = 100 k 3-25 电路如图所示，求输出电流电路如图所示，求输出电流 io 与输入电流与输入电流 iS 之间关系式。之间关系式。解：根据线性区的分析依据解：根据线性区的分析依据+R1uSuoR2R2iR2iSioi1有有 uo u = uo u+u = u+ ， i+ = i = 0 iS = i1uo u = iSR1 iR2 = iouo u+ = ioR2 iSR1 = ioR2 io = iSR1R23-26 (习题习题3-8) 求求：输出输出电压与电压与输入输入电压电压的关系式。的关系式。解：

33、解：i1 R1 + i2 R2 = uiuo uiA1R1i2i1A2R1R1R2R1R2由虚断路由虚断路 A1 输出端输出端 R1与与R1 流过同一电流流过同一电流 i1 A2 输出端输出端 R2与与R2 流过同一电流流过同一电流 i2 又由虚短路又由虚短路uo = i1(R1+R1) + i2 (R2+R2) = 2 ( i1R1+ i2R2) uo = 2 ui3-27 电路可以提高反相比例运算电路的电路可以提高反相比例运算电路的输入输入电阻。电阻。 求求：电路：电路输入输入电阻电阻 r i = ui /ii 的表达式。的表达式。uo uiR1A2A1iiR3R2R4RF2R1i2i1R

34、Fuo2解：解：uo = - - ui RFR1 1RF2R1 uo2 = - - uoRFR1= uiRF2R1= 2 uiii = i1 - - i2 = uo2 - - uiuiR1 1R2 ri = = ( ) - -1uiii R2R1 1 1 1 r i = R2 - - R1 R1 R23-28 (习题习题3-14) 求求：电压放大倍数：电压放大倍数 Auf 的表达式。的表达式。 uiR1A1i3R2RF3i1iiRF1uo解：解：RF2i2KCL ii = i1 = i2 + i3uA = - - = + uA- - uouiR1 1RF3uARF1RF2uAuA = - - ui R1 1RF1代入代入 Auf = = - - (1+ + ) uOuiR1 1RF3RF1RF1RF3RF2= - - (RF1+ RF3 + )R