第10章集成运算放大器

1、第第 10 章章 集成运算放大器集成运算放大器10.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述10.2 反馈的基本概念反馈的基本概念10.3 理想运算放大器理想运算放大器10.4 基本运算电路基本运算电路10.5 电压比较器电压比较器10.6 RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路10.7 有源滤波器有源滤波器掌握理解10.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述(一一) 集成运算放大器的组成集成运算放大器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图图 10.1.1 集成运放的组成集成运放的组成返返 回回下一节下一节上一页上一页下一页下一页 集成运算放大器是一种具有很高放大倍

2、数的集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。泛的一种模拟集成电路。+UCCUEEuu+电路说明电路说明:输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放都采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。构成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻

3、低，带负载能力强，与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成一般由互补对称电路或射极输出器构成,ro 很小，带负载能力很很小，带负载能力很强。强。集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dBuo+Auou+u。 。+UCCUEE 图图 10.1.2 集成运放的图形符号集成运放的图形符号反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端uouu+ud+Ao+ 输入方式输入方式: 反相输入反相输入 同相输入同相输入 差分输入差分输入

4、F00781723456100 dB238 715 46uu+uo+UCCUEE图图 10.1.3 运放运放的外部接线和管脚图的外部接线和管脚图返返 回回下一节下一节上一页上一页下一页下一页关系式：关系式：ud=u+-u-uo=Aoud=Ao(u+-u-)1 2786 53 4A741(二二) 电压传输特性电压传输特性ud0uo+线性区线性区正饱和区正饱和区负饱和区负饱和区+UOMUOM当当 ud+ 时：时： uo = Ao ud = Ao(u+u)当当 ud (+) 时：时： uo = + UOM+UCC当当 ud () 时：时： uo =UOMUEE返返 回回下一节下一节上一页上一页下一页

5、下一页10.2 反馈的基本概念反馈的基本概念放大电路放大电路Ao反馈电路反馈电路F输入信号输入信号xi净输入净输入 信号信号xd输出信号输出信号xo xf反馈信号反馈信号比较环节比较环节 图图 10.2.1 反馈示意图反馈示意图开环放大倍数：开环放大倍数：Ao =xoxd 闭环放大倍数：闭环放大倍数：Af =xoxi 反馈系数：反馈系数：F =xfxo 返返 回回下一节下一节上一页上一页下一页下一页上一节上一节(一一) 反馈的分类反馈的分类:(1) 正反馈和负反馈：正反馈和负反馈：正反馈：正反馈： xf 与与 xi 作用相同，作用相同，使使 xd 增加；增加；负反馈：负反馈：xf 与与 xi

6、作用相反，使作用相反，使 xd 减小。减小。(2) 电压反馈和电流反馈：电压反馈和电流反馈： 电压反馈：电压反馈：xf uo(xo )电流反馈：电流反馈：xf io (xo)(3) 串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈串联反馈：串联反馈：xf 与与 xi 以串联的形式作用于净输入端；以串联的形式作用于净输入端；并联反馈：并联反馈：xf 与与 xi 以并联的形式作用于净输入端。以并联的形式作用于净输入端。返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页AoFxi xd xf xo 图图 10.2.1 反馈示意图反馈示意图(4) 直流反馈和交流反馈直流反馈和交流反馈 直流反馈：直流反馈：

7、xf 是静态直流分量；是静态直流分量； 交流反馈：交流反馈：xf 是动态交流分量。是动态交流分量。(二二) 反馈的判断方法反馈的判断方法1. 判断是否存在反馈？哪些是反馈元件？判断是否存在反馈？哪些是反馈元件？2. 是正反馈还是负反馈？是正反馈还是负反馈？ 对于负反馈：对于负反馈：3. 判断是交流负反馈还是直流负反馈？判断是交流负反馈还是直流负反馈？ 对于交流负反馈：对于交流负反馈：4. 判断交流负反馈的类型：判断交流负反馈的类型： 电压反馈？电流反馈？串联反馈？并联反馈？电压反馈？电流反馈？串联反馈？并联反馈？返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页注意：n当反馈信号接回到

8、信号输入端一侧，反馈信号与输入信号宜采用电流输入形式比较n当反馈信号接回到接地输入端一侧，反馈信号与输入信号宜采用电压输入形式比较例如例如：在图在图 10.2.2 (a) 所示电路中，所示电路中， ud+ uf +(1) 当无负反馈时，当无负反馈时， ud uiud uiuf当当 uo = 0时：时：(2) 当增加当增加 RF 和和 R1 后：后： uf = 0因此因此 ufuo 结论结论: RF 和和 R1 ：串联电压负反馈。：串联电压负反馈。Ao+uiuoR2RLR1RF(a) 串联电压负反馈串联电压负反馈图图 10.2.2 集成运放电路中的负反馈集成运放电路中的负反馈（注：与书中的电路有

9、所不同（注：与书中的电路有所不同) 返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页例如：例如：在图在图 10.2.3 所示电路中，所示电路中，RCRB1RB2REC2C1+UCC+ui+uo(1) 对直流信号对直流信号 UBE = UBUE = UBREIE(2) 对交流信号：对交流信号： ube= uiuf即即 ud = uiuf其中其中 uf = ReieieicuBE+uf 结论结论: RE：串联电流负反馈。：串联电流负反馈。返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页图图 10.2.3 放大电路中的反馈放大电路中的反馈反馈元件反馈元件: RE 1. 反馈电路直

10、接从输出端引出的，反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；是电压反馈；从负载电阻从负载电阻RL的靠近的靠近“地地”端引出的，端引出的，是电流反馈；是电流反馈； 2. 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，相和反相）上的，是串联反馈是串联反馈；加在同一个输入端；加在同一个输入端（同相或反相）上的，（同相或反相）上的，是并联反馈是并联反馈； 3. 对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，时，是负反馈；是负反馈；极性相反时，极性相反时，是正反馈是正反馈； 4. 对并联反馈，输入信号和反馈信号的极性相

11、同对并联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，时，是正反馈；是正反馈；极性相反时，极性相反时，是是负反馈。负反馈。运算放大器电路反馈类型的判别方法：瞬时极性法运算放大器电路反馈类型的判别方法：瞬时极性法返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页 ud+Ao+uiuoR2RLR1RF1. 1. 反馈电路直接从输出端引出的，反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；是电压反馈；从负载电阻从负载电阻R RL L的靠近的靠近“地地”端引出的，端引出的，是电流反馈；是电流反馈；电压反馈电压反馈2. 2. 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相

12、和反相）上的，反相）上的，是串联反馈；是串联反馈；加在同一个输入端（同相加在同一个输入端（同相或反相）上的，或反相）上的，是并联反馈；是并联反馈；并联反馈并联反馈 3. 3. 对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；是负反馈；极性相反时，极性相反时，是正反馈；是正反馈；4. 4. 对并联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，对并联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是正反馈；是正反馈；极性相反时，极性相反时，是负反馈。是负反馈。瞬时极性法瞬时极性法正反馈正反馈例例1：试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器A2

13、输出输出端引至端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。uf+uo1uiR+ uo+ RLA1A2解：解： 因反馈电路直接从运算放大器因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，的输出端引出，所以所以是电压反馈；是电压反馈； 因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以相输入端上，所以是串联反馈；是串联反馈；因输入信号和反馈因输入信号和反馈信号的极性相同，所以信号的极性相同，所以是是负反馈。负反馈。 串联电压负反馈串联电压负反馈 先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；返返

14、回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页例例2：试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出输出端引至端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。解：解： 因反馈电路是从运算放大器因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻的负载电阻RL的的靠近靠近“地地”端引出的，所以端引出的，所以是电流反馈；是电流反馈； 因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以所以是并联反馈是并联反馈; 因净输入电流因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差，等于输入电流和反馈电流之差，所以是所以是负反馈。负反馈。

15、 并联电流负反馈并联电流负反馈uo1uiR+ uo+ RLA1A2 iiifid返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页例例 3 试判断图示电路中试判断图示电路中 Rf 所形成的反馈。所形成的反馈。 解：解：串联电压正反馈串联电压正反馈返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页 先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号； 因反馈电路直接从运算放大器因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引的输出端引出，所以出，所以是电压反馈；是电压反馈； 因输入信号和反馈信号分别加在同相输入端和反因输入信号和反馈信号分别加在同相输入端和反相输入

16、端上，所以相输入端上，所以是串联反馈；是串联反馈；因输入信号和反馈因输入信号和反馈信号的极性相反，所以是信号的极性相反，所以是正反馈。正反馈。uo1+R11Rf1R12ui+R21Rf2R22uoRfA1A2CEB可通过下图判别可通过下图判别共发射极共发射极放大电路的反馈类型放大电路的反馈类型并联并联串联串联电压电压电流电流注意：以上方法对注意：以上方法对共集电极共集电极放大电路（即放大电路（即射极输出器）不适用射极输出器）不适用RCC2C1RB+ui+uo+UCC补充例题补充例题 1 判断图示电路的反馈类型。判断图示电路的反馈类型。if电压反馈电压反馈并联反馈并联反馈ii解解 ib 结论结论

17、: RB ：并联电压负反馈。：并联电压负反馈。返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页 （三）交流负反馈对放大电路性能的改善（三）交流负反馈对放大电路性能的改善Xd = Xi XfXoXi=XoXd +Xf=Xo/ Xd1 +Xf / Xd=Xo / Xd1 +XfXoXoXd反馈深度反馈深度 |Af | = |Ao |1+|F | |Ao |即：即：如果：如果： |F | |Ao |1 深度负反馈。深度负反馈。返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页AoFxi xd xf xo反馈示意图反馈示意图0fAA l直流负反馈能稳定静态工作点直流负反馈能稳定静态工

18、作点|Af | 1|F |对于深度负反馈：对于深度负反馈：(1) 提高了放大倍数的稳定性提高了放大倍数的稳定性 d |Af |Af | d |Ao|Ao| =11+|F | |Ao| 可见：可见： d |Af |Af | d |Ao|Ao |例如：例如：|F | = 0.009， |Ao| = 1 000 如果：如果：= 20% d |Ao|Ao|则：则：= 2% d |Ao|Ao|返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页(2) 加宽了通频带加宽了通频带O|A|f0.707 |Ao|Ao|Af|0.707 |Af| 图图 10.3.1 加宽通频带加宽通频带B0f1 f2Bff

19、3f4返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页(3) 改善了非线性失真：改善了非线性失真：AouiuoudAoFuiufuouo(a) 无负反馈时无负反馈时(b) 有负反馈时有负反馈时图图 10.3.2 改善非线性失真改善非线性失真返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页(4) 稳定了输出电压或电流稳定了输出电压或电流 电压负反馈：稳定电压负反馈：稳定 uo 电流负反馈：稳定电流负反馈：稳定 io(5) 改变了输入电阻或输出电阻改变了输入电阻或输出电阻 串联反馈：串联反馈：ri 并联反馈：并联反馈：ri 电压负反馈：电压负反馈：ro 电流负反馈：电流负反馈：

20、ro返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页10.3 理想运算放大器理想运算放大器 理想运放的主要条件：理想运放的主要条件：(1) 开环放大倍数：开环放大倍数：Ao(2) 开环输入电阻：开环输入电阻：ri(3) 开环输出电阻：开环输出电阻：ro0(4) 共模抑制比：共模抑制比：KCMRROuoud+UOMUOM图图 10.4.1 理想运放的电压理想运放的电压传输特性传输特性 传输特性：传输特性：当当 u+ u时：时：uo = + UOM当当 u+u时：时：uo =UOMuouu+ud+ 理想运放的图形符号理想运放的图形符号返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下

21、一页反馈电路反馈电路 引入深度负反馈时引入深度负反馈时理想运放的分析方法：理想运放的分析方法：uoud+图图 10.4.2 引入负反馈后的引入负反馈后的理想运放电路理想运放电路(1) AouoAoud = 0即即u+ = u 虚短路虚短路id(2) riudriid = 0虚断路虚断路(3) ro0uoL= uo输出电压不受负载的影响输出电压不受负载的影响返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页|Af | 1|F |对于深度负反馈：对于深度负反馈：uo+10.4 基本运算电路基本运算电路(一一) 比例运算电路比例运算电路(1) 反相比例运算电路反相比例运算电路R1uiRfR2

22、uu+u= u += 0虚地虚地i1ifi1 = ifuiR1= =uoRfuo =f1ui闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数 Af返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页图图 10.5.1 反相比例运算电路反相比例运算电路 id平衡电阻平衡电阻当当 Rf = R1 时：时： uo = ui反相器反相器静态时静态时: :uo+R1uiRfR2uu+平衡电阻平衡电阻: R2 = R1 / Rf返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页(2) 同相比例运算电路同相比例运算电路uo+R1R2uiRfuu+i1if图图 10.5.2 同相比例运算电路同相比例运算电路 u

23、= u + = uiif = i1uo u Rfuo=RfR1 ) u-(1 += =uR1uo=RfR1 ) ui(1 +uo= ui 条件条件 ？平衡电阻平衡电阻: R2 = R1 / Rfuo+ui图图 10.5.3 电压跟随器电压跟随器返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页例例 测量电阻的电路如图所示。其中测量电阻的电路如图所示。其中 ui = U = 10 V，输出端接有满量程为输出端接有满量程为 5 V 的电压表，被测电阻的电压表，被测电阻为为 Rx 。(1)试找出试找出 Rx 与电压表读数的关系；与电压表读数的关系； (2) 若所用运放为若所用运放为 CF74

24、1 型，为了扩大测量电阻的型，为了扩大测量电阻的范围，将电压表的量程选为范围，将电压表的量程选为 50 V 是否有意义？是否有意义？uo+R11MuiRx +U V + 05V解：解：(1)uo =x1uix=1uiuo=105 uo uo /Vx/1 2 3 4 51052105310541055105返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页(2) 查附录查附录(P459)可知：可知： CF741 型的最大输出电压为型的最大输出电压为15 V。因此，选用量程为因此，选用量程为 50 V 的电压表无意义。的电压表无意义。返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一

25、页图图10.5.5 加法运算电路加法运算电路 相当于开路相当于开路uo=f12ui2(二二) 加法运算电路加法运算电路uo+R12RfR2R11ui1ui2uo = uo + uo + 相当于开路相当于开路ui2+R12RfR2R11uo+R12RfR2R11ui1uo 虚地虚地uo =f11ui1虚地虚地uo = uo+ uo+ )f12=(f11ui1ui2 若若 R11 = R12 = R1，则：则：uo=f1(ui1 + ui2) 若若 R11 = R12 = Rf ，则：则： uo=(ui1 + ui2) 平衡电阻平衡电阻: : R2 = R11 / R12 / Rf返返 回回上一节

26、上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页uo+R12RfR2R11ui1ui2图图 10.5.5 加法运算电路加法运算电路 (三三) 减法运算电路减法运算电路R3uo+R1RfR2ui1ui2当当ui1单独作用时单独作用时:+R3uo +R1RfR2ui1R3uo+R1RfR2ui2uo=f1ui1 当当 ui2 单独作用时单独作用时:uo = (1+RfR1 ) u+RfR1 ) ui2= (1+?uu+u+ =R3R2+R3ui2返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页图图 10.5.6 减法运算电路减法运算电路 = (1+RfR1 ) R3R2+R3ui2则：则： u

27、o = uo + uo当当RfR1 ) = (1 +R3R2+R3ui2 ui1f1=f132时：时：uo=f1(ui2ui1)平衡电阻平衡电阻: : R2 / R3= R1 / Rf返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页R3uo+R1RfR2ui1ui2图图 10.5.6 减法运算电路减法运算电路 例例10.4.2 两级运算电路如图两级运算电路如图 10.5.2 所示。所示。(1) 试推试推导导 uo 与与 ui1、ui2、ui3 的运算关系；的运算关系；(2) 若若: R1= R2= Rf1= 30 k，R3 = R4 = R5 = R6 =Rf2 = 10 k，ui1

28、= 0.1 V，ui2= 0.2 V，ui3= 0.3 V，求，求 uo 的值。的值。uo +R2Rf1R3R1ui1ui2R6+R4Rf2R5ui3 + uo 解解 (1)uo =(f11ui1 +f12ui2 )第一级运算为加法运算：第一级运算为加法运算：返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页图图 10.5.7 例例10.5.2 的电路的电路 uo=Rf2R4 ) (1+R6R5+R6ui3= uo f24Rf2R4 ) (1+R6R5+R6ui3f11ui1 +f12ui2 )+f24(2)uo= ui3 + ui2 + ui1=(0.3 + 0.2 + 0.1) V

29、 = 0.6 V+R2Rf1R3R1ui1ui2R6+R4Rf2R5ui3 + uo uo 返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页图图 10.5.7 例例10.5.2 的电路的电路 (四四) 微分运算电路微分运算电路+ uCu= u+ = 0 (虚短虚短)uC = uiif = i1i1 = CduCdtif =uoRfuo =Rf Cduidt平衡电阻平衡电阻: : R2 = Rf0uit0uot(b) 波形波形返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页图图 10.5.8 微分运算电路及其微分运算电路及其阶跃响应波形阶跃响应波形 (a) 电路电路Ui= C

30、duidt微分时间常数微分时间常数uo+CuiRfuu+R2i1if 补充例题补充例题2 已知输入已知输入 ui 的波形如图所示，试画出的波形如图所示，试画出输出输出 uo 的波形。设的波形。设 5 Rf Ctp 。解解 uo =Rf Cduidttui0+Uitptuo0t1 t2uo+CuiRfR2返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页(五五) 积分运算积分运算uo+CuiR1uu+R2i1if+ uCu = u+ = 0uC = uuo =uoif = i1 i1 =uiR1if = CduCdt =Cduodtuo =ui dt1R1C积分时间常数积分时间常数平衡电阻平衡电阻: :0uit0uotUi t1R1CUOMR2 = R1返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页下一页下一页(b) 波形波形图图 10.5.8 积分运算电路及其积分运算电路及其阶跃响应波形阶跃响应波形 (a) 电路电路Ui电压比较器的功能：电压比较器的功能： 电压比较器用来比较两个输入信号的大电压比较器用来比较两个输入信号的大小，在输出端显示出比较的结果。小，在输出端显示出比较的结果。用途：用途： 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。测等技术领域，以及波