ch5集成运算放大器

1、集成运算放大器第五章： 反馈的极性和类型判断，理想运放虚短、虚反馈的极性和类型判断，理想运放虚短、虚断的概念。断的概念。二、集成运放的输入级二、集成运放的输入级差动放大电路差动放大电路 集成运放电路主要采用直接耦合方式，因此需要解决零点漂移的问题。 差动放大电路作为多级放大电路的输入级，能够抑制零点漂移。双端输入: ui = ui1 - ui2 单端输入: ui = ui1 ， ui2 =0双端输出: uo = uo1 - uo2 单端输出:uo = uo1 ， uo2 =01、输入和输出方式、输入和输出方式2、输入信号、输入信号差模信号： ui1 =- ui2 uid = ui1 - ui2

2、 ui1 = 1/2uid ui2 = -1/2uid共模信号：ui1 = ui2 =uic uic = 1/2( ui1 + ui2 )比较输入：ui1 = 1/2uid+uic ui2 = -1/2uid+uic、抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理uo= (u uC1 u uC1 ) (u uC2 u uC2 ) = 0静态时，静态时，ui1 = ui2 = 0当温度升高时当温度升高时IC u uc c （两管变化量相等）（两管变化量相等）u uo o = u = uo o1 1 - - u uo o2 2差模信号：差模信号： ui1 =ui2+4、共模抑制比、共模抑制比A Ad d=

3、=u uo o/ /u uidid=2=2u uo1o1/2/2u ui1i1=A1=A1共模信号：共模信号： ui1 = ui2+ u uo o = u = uo o1 1- -u uo o2 2=0=0u uo o1 1 = = u uo o2 2A Ac c= =u uo o/ /u uicic=0=0（Common - Mode Rejection Ratio)CdCMRRAAK ) (20)(分贝CdCMRRAAlgdBK 衡量差动放大电路放大差模信号和抑制衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。共模信号的能力。差模放大倍数差模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数 KCMRR越

4、大，说明差越大，说明差模放大倍数越大，抑制模放大倍数越大，抑制共模信号的能力越强。共模信号的能力越强。前一页前一页 后一页后一页返回返回共模抑制比共模抑制比U+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相三、集成运放的工作原理+Uo-Uoui = u+u- uo线性区线性区饱和区饱和区线性区线性区 输入电流约等于输入电流约等于 0 即即 i+= i 0 称称“虚断虚断” 差模输入电压约等于差模输入电压约等于 0 即即 u+= u 称称“虚短虚短”第二节放大电路中的负反馈第二节放大电路中的

5、负反馈一、反馈的基本概念一、反馈的基本概念二、放大电路中负反馈的类型二、放大电路中负反馈的类型三、负反馈对放大电路性能的改善三、负反馈对放大电路性能的改善反馈：反馈：将放大电路输出端的信号将放大电路输出端的信号( (电压或电流电压或电流) ) 的一部分或全部引回到输入端。的一部分或全部引回到输入端。+UCCREiUoU+UCCREiUoU+将输出电流将输出电流反馈到输入反馈到输入将输出电压将输出电压反馈到输入反馈到输入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doXXAoofXXF 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

6、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。负反馈：负反馈：反馈信号削弱净输入信号，反馈信号削弱净输入信号， 使放大倍数降低。使放大倍数降低。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。 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。1) 根据反馈所采样的信号

7、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形式的根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈信号与输

8、入信号串联，称为反馈信号与输入信号串联，称为串联反馈串联反馈。反馈信号与输入信号并联，称为反馈信号与输入信号并联，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。iiifibib= ii - if输入信号输入信号反馈信号反馈信号净输入信号净输入信号并联反馈并联反馈ube= ui - uf输入信号输入信号净输入信号净输入信号串联反馈串联反馈ufuiube+ + + +反馈信号反馈信号反馈信号与输入反馈信号与输入信号并联，即反馈信号并联，即反馈电流信号与输入信电流信号与输入信号电流比较号电流比较, ,称为

9、称为并联反馈。并联反馈。反馈信号与输入反馈信号与输入信号串联，即反馈信号串联，即反馈电压信号与输入信电压信号与输入信号电压比较的，称号电压比较的，称为串联反馈。为串联反馈。3)3)交流反馈与直流反馈交流反馈与直流反馈 在反馈网络中串接隔直电容，可以隔断在反馈网络中串接隔直电容，可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。直流，此时反馈只对交流起作用。 在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。可以使其只对直流起作用。 反馈只对交流信号起作用，称为交流反反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。反馈只对直流起作用，称为直流反馈。馈。反馈只对直流起作用，

10、称为直流反馈。有的反馈对交直流均起作用。有的反馈对交直流均起作用。RE直流反馈直流反馈RE交直流反馈交直流反馈+UCCREiUoU+UCCREiUoU+负负反反馈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、负反馈放大电路的分析、负反馈放大电路的分析分析步骤：分析步骤：3) 3) 判别是否负反馈？判别是否负反馈？1) 1) 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）。2) 2) 判别是交流反馈还是直流反馈？判别是交流反馈还是直流反馈？4) 4) 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

11、型的负反馈？例例1 1： 1) 1) 判反馈元件判反馈元件（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）为输入回路与输出回路所共有的元件。）为输入回路与输出回路所共有的元件。发射极电阻发射极电阻 RE为输为输入回路与输出回路所入回路与输出回路所共有，所以共有，所以RE是反馈是反馈元件。元件。+UCCREiUoU+例例1 1：2 2）判断是交流反馈还是直流反馈）判断是交流反馈还是直流反馈交、直流分量的信号交、直流分量的信号均可通过均可通过 RE，所以，所以RE引入的是交、直引入的是交、直流反馈。流反馈。 如果有发射极旁路电容，如果有

12、发射极旁路电容， RE中仅有直流分量中仅有直流分量的信号通过的信号通过 ，这时，这时RE引入的则是直流反馈。引入的则是直流反馈。E+UCCREiUoU+后一页后一页前一页前一页例例1 1： 3)3)判断反馈类型判断反馈类型 重点讨论交流反馈重点讨论交流反馈eIfUbeUfibeUUU 净输入信号：净输入信号： ui与与uf 串联，以电压形串联，以电压形 式比较式比较串联反馈串联反馈 ui正半周时，正半周时，uf也是正也是正半周，即两者同相半周，即两者同相fibeUUU 减小减小-负反馈负反馈EcEefRIRIU uf 正比于输出电流正比于输出电流电流反馈电流反馈 电流串联负反馈电流串联负反馈

13、+UCCREiUoU+ + 1 1）假设输入级基极瞬时极性为正，根据）假设输入级基极瞬时极性为正，根据集集电极电极瞬时极性瞬时极性与基极相反与基极相反、发射极发射极瞬时极性瞬时极性与与基极相同基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。的原则，标出相关各点的瞬时极性。+ + 输入与反馈极输入与反馈极性相同为负反馈性相同为负反馈 输入与反馈极输入与反馈极性相反为正反馈性相反为正反馈 输入与反馈极输入与反馈极性相反为负反馈性相反为负反馈 输入与反馈极输入与反馈极性相同为正反馈性相同为正反馈反反馈馈到到基基极极为为并并联联反反馈馈反反馈馈到到发发射射极极为为串串联联反反馈馈RLioiE 从集电极从集电极

14、引出为电压反馈引出为电压反馈 从发射极从发射极引出为电流反馈引出为电流反馈共发射极电路共发射极电路uoRL+共发射极电路：共发射极电路：集出为压，射出为流，集出为压，射出为流，基入为并，射入为串。基入为并，射入为串。例例1 1：判断图示电路中：判断图示电路中R RE1E1、R RE2 E2 的负反馈作用。的负反馈作用。RCRB1RB2RE1RE2CEC2C1+UCCuouiR RE2E2对交流不起作用，对交流不起作用，R RE1E1对交、直流均起作用对交、直流均起作用电流串联反馈电流串联反馈+例例2 2：判断：判断R Rf f是否负反馈，若是，判断是否负反馈，若是，判断反馈的类型。反馈的类型。

15、+C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+UCCuoui+T1T2Rf电压串联负反馈（交流反馈）电压串联负反馈（交流反馈） +C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1C3C2+UCCuoui+T2Rf 若若Rf与与T发射极相接如图所示，发射极相接如图所示， 引入的是何种类型的引入的是何种类型的反馈？反馈？T1 正反馈正反馈例例3 3：判断图示电路：判断图示电路R Rf f的反馈类型。的反馈类型。uouiRE2RfRE1RC1RC2+UCC电流并联负反馈（交、直流反馈）电流并联负反馈（交、直流反馈）+ +基本放大基本放大电路电路AdXoX反馈反馈电路电路FfXi

16、X+doXX AofXXF fidXXX 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AdoXXA ofXXF fidXXX AFAXXAiof 1AFAAf 1AAdAFAAdff 11。dfXX、同相，所以同相，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 若若1AF称为称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：反馈深度反馈深度AFAAf 1AF 1FAf1 Auiufud加反馈前加反馈前加反馈后加反馈

17、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，但不能完全消除失真。因此只能减小失真，但不能完全消除失真。 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。iifrFAr)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

18、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

19、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 要求静态时要求静态时 u+、 u- 对地电阻相同，对地电阻相同， 平衡平衡电阻电阻 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入运算的重要特点1RRuuAFiouf iFouRRu1uo+.uiR2RFu+u_。 R1.。 。 + 例：电路如下图所示，已知例：电路如下图所示，已知 R1=

20、10 k ，RF = 50 k 。 求：求：1、Auf ； 2、若、若 R1不变，要求不变，要求Au f为为 10，则，则RF 应为应为 多少？多少？RF+.uiuoR2u+u_。 R1解：解：1、 Au f = RF R1 = 50 10 = 52、 Au f = RF R1 = RF 10 = 10 RF = Auf R1 = 10 10 = 100 oFuRRRu 11 uu0 iiuu iFuRRu)1(10 11RRuuAFiouf uiuo+.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

21、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。FoiiiiRuRuRu22110 iFoiiiiRuuRuuRuu 22112323iuRRRu 11Riuuu uu1111 RRRuuuFioi 1123231)1(iFi FouRRuRRRRRu 1123231)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

22、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(123231)1(i FuRRRRR +.ui2ui1uoR3RFu+u-。 R1。R2dtduCRucFi 1dtduCoF dtuCRuiFo 11dtduCicFf 11Ruiicu若输入信号电压为恒定直流量，若输入信号电压为恒定直流量， 即即 ui= Ui时时，则，则tCRUdtUCRuFiiFo1110U iiuuot0-UOM+UOMt0ui积分饱和积分饱和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

23、化当电容当电容CF的初始电压为的初始电压为 uc(t0) 时，则有时，则有 0101tudtuCRucttiFo 1 010tudtuCRottiF tt 0 采用集成运算放大器组成的积分电路，由采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故于充电电流基本上是恒定的，故u0是时间是时间t的的一次函数，从而提高了它的线性度。一次函数，从而提高了它的线性度。 将比例运算和积分运算结合在一起，就组成将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例比例积分运算电路。积分运算电路。这种运算器又称这种运算器又称PI调节调节器，常用于控制系统中，以保证自控系统的稳器，常用于控制系统中，以保证自控

24、系统的稳定性和控制精度。定性和控制精度。)(dtiCiRFF111)(dtUCRuRRiFiF111)(cfFouiRu fii 1FoiRudtduC 1dtduCRuiFo1 uot0t0uifFoiRu CRfiii )(11dtduCRuii )(dtduCRuRRuiFiF110oFURRRU 11)( UU01011: jRRUUFi 则则)1(1cjcjRUUi RcjUi 1称称为为截截止止频频率率RC10 :式中(b) 幅频特性幅频特性,0时时当当 ,0时时当当 0ufA021ufA0 )(j T 0111 jRRUUFio 01j11)(j)(j)(j RRUUTFio0u

25、f0j1 A,时时当当 20uf0)(1)(j ATuf0)(jAT 2)(juf0AT 0)(j T衰衰减减很很快快时时当当)(j, 0 T 01011)(j)(j)(j jRRUUTFi (b) 幅频特性幅频特性0ufA021ufA0 )(j T 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 时信号时信号衰减得更快些，常将两节衰减得更快些，常将两节R-C滤波环节串滤波环节串接起来，组成接起来，组成二二阶有源低通滤波器。阶有源低通滤波器。二阶二阶+uiuoCRF。R1。RRC 幅频特性幅频特性0ufA021ufA0 )(j T 一阶一阶75 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 时信号时信号

26、衰减得更快些，常将两节衰减得更快些，常将两节R-C滤波环节串滤波环节串接起来，组成接起来，组成二二阶有源低通滤波器。阶有源低通滤波器。二阶二阶+.uiuoCRF。R1。.RRC 幅频特性幅频特性0ufA021ufA0 )(j T 一阶一阶2. 有源高通滤波器有源高通滤波器+.uiuoRRFu+u-。R1。CiUcjRRU 1RcjUi 11URRUF)(101根据同相比例运算电路得出根据同相比例运算电路得出 011011111jRRRcjRRUUFFi )(Rc10 0ufA021ufA0 )(j T 可见，电路使可见，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 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,0时时当当 01j11)(j)(j)(j RRUUTFio 0uf0j1 A,时时当当 20uf0)(1)(j ATuf0)(jAT 2)(juf0AT 0)(j T3. 带通滤波器和带阻滤波器带通滤波器和带阻滤波器0ufA021ufAL ufAH 低低通通高高通通)(00 高通低通带通