集成运算放大器及其应用

1、第第7 7章章 目录目录第第7 7章章 7 7 1 1集成运算放大器组成集成运算放大器组成集成运算放大器特性集成运算放大器特性集成运算放大器反馈问题集成运算放大器反馈问题集成运算放大器应用集成运算放大器应用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

2、均需外接。第第7 7章章 7 7 1 1集成运放是集成运放是电压放大倍数很高电压放大倍数很高的的直接耦合直接耦合多级放大器多级放大器。 1. 集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图输入级输入级 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第第7 7章章 7 7 1 1uiuou+u2. 集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号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第第7 7章章 7 7 1 1理想

3、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负反馈稳定放大器增益的原理是因为负反馈负反馈稳定放大器增益的原理是因为负反馈有自动调节作用。工作环境变化有自动调节作用。工作环境变化(如温度、如温度、湿度湿度)、器件更换或老化、电源电压不稳等、器件更换或老化、电源电压不稳等诸因素会导致基本放大器的放大倍数不稳定诸因素会导致基本放大器的放大倍数不稳定。第第7 7章章 7 7 2 2正反馈正反馈xd = xi + xf负反馈负反馈xd = xi xfA= xo / xdF= xf / xoAf = = xo xiA 1+ AFAFxoxixdxf 闭环放大

4、倍数闭环放大倍数xi 总输入信号总输入信号xd 净输入信号净输入信号xf 反馈信号反馈信号开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数xo 输出信号输出信号第第7 7章章 7 7 2 2正反馈：正反馈：反馈信号增强输入信号。反馈信号增强输入信号。负反馈：负反馈：反馈信号削弱输入信号。反馈信号削弱输入信号。电压反馈：电压反馈：反馈信号反馈信号xf取自输出电压取自输出电压uo，xf与与uo成正比。成正比。电流反馈：电流反馈：反馈信号反馈信号xf取自输出电流取自输出电流io，xf与与io成正比。成正比。串联反馈：串联反馈：反馈信号和输入信号以串联方式作用在基本放大电路的反馈信号和输入信号以串联方式作用在

5、基本放大电路的 净输入端净输入端。并联反馈：并联反馈：反馈信号和输入信号以并联方式作用在基本放大电路的反馈信号和输入信号以并联方式作用在基本放大电路的净输入端净输入端。第第7 7章章 7 7 2 2FAuiudufuoRLAFxoxixdxf在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相并联相并联, , xf与与uo成正比，为电压反馈；成正比，为电压反馈；信号信号 x均以电压均以电压 u 的形式出现的形式出现在放大器输入端在放大器输入端, ,信号以电压出现信号以电压出现, ,uf与与ud相串联相串联, ,为串联反馈；为串联反馈；ud= ui uf ui，为负反馈。，为负反馈。净输入电压净输入电压第

6、第7 7章章 7 7 2 2FA框图框图例图例图同相比例运算同相比例运算RLuiudufuoR2uiu oRLRFR1第第7 7章章 7 7 2 2uoidiiifRLAF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 = ii if ii ，为负反馈。，为负反馈。净输入电流净输入电流xoxixdxf在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相并联相并联, , xf与与uo成正比成正比, , 为电压反馈；为电压反馈；第第7 7章章 7 7 2 2AF框图框图例图例图反相比例运算反相比例运算RLuoidiiifui

7、uoRFRLR2R1第第7 7章章 7 7 2 2AFRLioAFud= ui uf ui ，为负反馈。为负反馈。净输入电净输入电压压, ,在放大器输入端在放大器输入端, ,信号以电压出现信号以电压出现, ,uf与与ud相串联相串联, ,为串联反馈；为串联反馈；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；xoxixdxfuiudufuo第第7 7章章 7 7 2 2AF框图框图例图例图电压控制电流源电压控制电流源RLuiudufuoio12RRRLuiuoiouduf第第7 7章章 7 7 2 2AFiouoRLAF在放大器输

8、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= 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7 7章章 7 7 2 2iAFiouiiidfRL框图框图例图例图oRL+iouoR2R1RFRiiidif第第7 7章章 7 7 2 2uiRRF1RF2RF3N1N2N3uOufRF1电压并联负反馈电压

9、并联负反馈(级间级间)RF2电压串联负反馈电压串联负反馈(级间级间)RF3电压并联负反馈电压并联负反馈(本级本级)if第第7 7章章 7 7 2 2ui uoN1N2uf+uoRF1R1R2RFR4R3R5R6RF2反馈类型：串联反馈类型：串联 电压电压 负反馈负反馈电流电流RLuf 与与uo成正比成正比io例例2：反馈类型的判别：反馈类型的判别第第7 7章章 7 7 2 2xf 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7 7章章 7 7 2 2xi 与与 xf 串联为串联

10、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xi 与与 xf 分别接在两个输入端为串联反馈分别接在两个输入端为串联反馈 xi 与与 xf 接在同一个输入端为并联反馈接在同一个输入端为并联反馈uiuoiiidifRLR1RFR2第第7 7章章 7 7 2 2+VCCRB1RCC1C2RSTRLuO uSRB2RE2+CERE1ui +第第7 7章章 7 7 2 2rbe RLRB1RB2 RE1 ib ibufuOuiubeicuf = RE1iC ，与输出电流成正比，是电流反馈。，与输出电流成正

11、比，是电流反馈。 ube= ui uf ， 是串联比较，且三者同相，是串联比较，且三者同相， uf 削弱了削弱了ube。 RE1引入了引入了第第7 7章章 7 7 2 2例例4：分析射极输出器的反馈类型：分析射极输出器的反馈类型+VCCRBC1C2RSTRLui REuS+uo uf = uo ，输出电压输出电压全部反馈到输入端。全部反馈到输入端。ube =ui uf，E是串联比较，是串联比较，且三者同相，且三者同相， uf 削弱了削弱了ube ，uf 第第7 7章章 7 7 2 2负反馈负反馈xd = xi xf闭环放大倍数闭环放大倍数xi = xd + xfAf = = xo xixoxd

12、 + xf=xoxdxoxfxo1+xd| Af |=|Ao|1+ |F|Ao| Af |1|F| Af | ri并联并联负反馈负反馈降低降低输入电阻输入电阻 rif ro电压电压负反馈负反馈降低降低输出电阻输出电阻 rof 0，即时，oOM当i0，即R4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uo第第7 7章章 7 7 4 4uouo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFRFRR1 12uiuo uo = 1+ u+RFR1 1uf = 1+ ui RF R1 12. 同相比例运算电

13、路同相比例运算电路虚断路虚断路id 0虚短路虚短路uiu =+uou = fR1R1 RF+uu =+故有：故有：第第7 7章章 7 7 4 4uiuo同相跟随器uo = uiRFR若接入电阻若接入电阻R、RF，运算关系不变，运算关系不变第第7 7章章 7 7 4 43. 差动比例运算电路差动比例运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析ui1i2uuo=uo+uo= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1第第7 7章章 7 7. .4 4uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3F1u

14、 o31. 反相加法运算电路反相加法运算电路Pui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3if7.4.2 第第7 7章章 7 7 4 42F211uo2. 同相加法运算电路同相加法运算电路23ui1ui2ui322RFR1 uO = 1+ + R + + + + R21R23ui3ui1R22ui2其中其中 R = R21 R22 R23 R 第第7 7章章 7 7 4 41. 差动比例运算电路差动比例运算电路uoRFR1R2R3 = 1+ ui2 uoRFR1R2 + R3R3- - ui1RFR17.4.3 减法运算电路减法运

15、算电路ui2ui1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第第7 7章章 7 7 4 4 11ui121 2. 两级反相输入减法运算电路两级反相输入减法运算电路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2第第7 7章章 7 7 4 4F2uo= ui1 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2ui1. 反相积分运算电路反相积分运算电路CFuo27.4.4 积分和微分运算电路积分和微分运算电路由虚断和虚地由虚断和虚地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt第第7 7章章 7 7

16、 4 4uuOi 2. 反相微分运算电路反相微分运算电路C1 duidtuo= RF C1 uouiF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第第7 7章章 7 7 4 4CF应用举例：应用举例：PID调节器调节器21uouiC1F输出与输入的输出与输入的关系式为关系式为第第7 7章章 7 7 4 4duiu = ( + ) + RFC1 + ouiRFR1R1CFC1CFdt1ui dt 应用举例：应用举例：求解微分方程求解微分方程uouiN

17、1N3N2dtduo5uo = 10ui10k 100k 100k 150k 50k 50k 0.1 F根据电路参数，所要根据电路参数，所要求解的微分方程为：求解的微分方程为：第第7 7章章 7 7 4 4uouu+ +实际特性理想运放符号 运放电压传输特性理想特性uou+uUOMUOM0当i0，即时，oOM当i0，即0UZ第第7 7章章 7 7 5 57.6.1 ：在无输入信号（xi=0）时，电路中的噪扰电压（如元件的热噪声、电路参数波动引起的电压、电流的变化、电源接通时引起的瞬变过程等）使放大器产生瞬间输出xo，经反馈网络反馈到输入端，得到瞬间输入xd，再经基本放大器放大，又在输出端产生新的输出信号xo，如此反复。在无反馈或负反馈情况下，输出