运算放大器知识介绍课件

第

11

章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍11.3运算放大器在信号运算方面的应用11.2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11.5运算放大器在波形产生方面的应用11.6使用运算放大器应注意的几个问题第11章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍11第

11

章运算放大器

分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟第11章运算放大器分立电路是由各种单个元件联接起来2

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。

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。第

11

章运算放大器

本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转集成运放是具3输出端

11.1.1集成运放的组成输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成11.1运算放大器简单介绍偏置电路输入级中间级输出级输入端输出端11.1.1集成运放的组成输入级—差动放4运算放大器的符号反相输入端uo+–+u–u+同相输入端信号传输方向输出端+–+Auo理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数运算放大器的符号反相uo+–+u–u+同相信号传输出端+–511.1.2主要参数1.最大输出电压UOPP

2.开环差模电压增益AuoAuo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围UICM超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB11.1.2主要参数1.最大输出电压UOPP2.6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

2.差模输入电阻3.开环输出电阻4.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，11.1.3理想运算放大器及其分析依据

在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。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7实际运放电压传输特性

11.1.3理想运算放大器及其分析依据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。uoOUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区

负饱和区

若Auo=106±UO(sat)=±15V则±UIM=±0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈。uou++–+u–实际运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分8理想运放电压传输特性

11.1.3理想运算放大器及其分析依据uooUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区

负饱和区

因为理想运放开环电压放大倍数

所以，当时，uou++–+u–理想运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分9

11.1.3理想运算放大器及其分析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，故称“虚短路”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”。2.id

01.u+u–，而uo是有限值，运放开环输入电阻id由于运放故从式，可知uou++–+u–rid11.1.3理想运算放大器及其分析依据运放工作在线性10

11.1.3理想运算放大器及其分析依据uo+–+u–u+运放工作在非线性区的依据2.id

01.u+u–由于运放工作在非线性区rididuoOUO(sat)–UO(sat)不再成立非线性区

非线性区

所以当时，Uo发生跃变依然成立返回11.1.3理想运算放大器及其分析依据uo+–+u–11

凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经某种电路(反馈网络)引回到输入端，称为反馈。11.2放大电路中的负反馈11.2.1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减小，称为负反馈。A无负反馈放大电路方框图凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经12基本放大电路反馈电路11.2.1反馈的基本概念F+–带有负反馈放大电路的方框图比较环节

—输入信号

—净输入信号—反馈信号—输出信号净输入信号若三者同相，可见，电路为负反馈。则A基本放大电路反馈电路11.2.1反馈的基本概念F+–带有1311.2.2负反馈的类型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。负反馈的类型有：AF+–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；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；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。在输出端11.2.2负反馈的类型根据反馈电路与1411.2.2负反馈的类型ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–净输入信号负反馈反馈电压电压反馈。uf与ui在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。判别图示电路的反馈类型

1.串联电压负反馈

11.2.2负反馈的类型ui+–R1R2uoRF+–+–151.串联电压负反馈ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–AF+–ufuduiuo串联电压负反馈方框图1.串联电压负反馈ui+–R1R2uoRF+–+–+RL16uoR1R2RF+–ui+–+–+RLiiidif-净输入电流负反馈反馈电流电压反馈并联反馈判别图示电路的反馈类型2.并联电压负反馈

uoR1R2RF+–ui+–+–+RLiiidif-净输172.并联电压负反馈AF+–uiuoifidiiuoR1R2RF+–ui+–+–+RLidifii-并联电压负反馈方框图2.并联电压负反馈AF+–uiuoifidiiuoR1R18负反馈；反馈电压电流反馈；判别图示电路的反馈类型3.串联电流负反馈

AF+–ufuduiio串联电流负反馈方框图串联反馈R2uoR+–+–+RLud+–uf+–ioui+–负反馈；反馈电压电流反馈；判别图示电路的反馈类型3.19图中判别图示电路的反馈类型4.并联电流负反馈

并联电流负反馈方框图AF+–uiioidiiififRFiRuRRui+–+–+RLioR1iiidR2-图中判别图示电路的反馈类型4.并联电流负反馈20如何判别电路中反馈类型小结(1)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“地”端引出的，是电流反馈；(2)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；(3)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；若反馈量不为零，则为电流反馈。)

如何判别电路中反馈类型小结(1)反馈电路直接从输出端引出的21[例1]判别图示电路从A2输出端引入A1输入端的反馈类型。uoui+–+–+uo1ud+–+–+RLRuf+–A1A2[解]反馈电路从A2的输出端引出，故为电压反馈；反馈电压uf和输入电压ui分别加在的同相和反相两个输入端，故为串联反馈；反馈电压uf使净输入电压ud=ui–uf减小，故为负反馈；串联电压负反馈[例1]判别图示电路从A2输出端引入A1输入端22uoui+–+Ruo1ii+–+RL-A1A2idifa[例2]判别图示电路从A2输出端引入A1输入端的反馈类型。[解]反馈电路从RL

靠近“地”端引出，为电流反馈；反馈电流if和输入电流ii加在A1的同一个输入端，故为并联反馈；

净输入电流id=ii–if减小，故为负反馈；并联电流负反馈uoui+–+Ruo1ii+–+RL-A1A2idif23例3：判断图示电路中的负反馈类型。解:RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；RE1对本级引入串联电流负反馈。RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例3：判断图示电路中的负反馈类型。解:RE2对交流不起作用24例3：判断图示电路中的负反馈类型。解：RE1、RF引入越级串联电压负反馈。－+－+

T2集电极的反馈到T1的发射极，提高了E1的交流电位，使Ube1减小，故为负反馈；反馈从T2的集电极引出，是电压反馈；反馈电压引入到T1的发射极，是串联反馈。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例3：判断图示电路中的负反馈类型。解：RE1、RF引入越级串25例4：如果RF不接在T2的集电极，而是接C2与RL之间，两者有何不同？解：因电容C2的隔直流作用，这时RE1、RF仅引入交流反馈。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo×例4：如果RF不接在T2的集电极，而是接C2与RL之间，26例5：如果RF的另一端不接在T1的发射极，而是接在它的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈？解：T2集电极的反馈到T1的基极，提高了B1的交流电位，使Ube1增大，故为正反馈；

这时RE1、RF引入越级正反馈。－+－+RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例5：如果RF的另一端不接在T1的发射极，而是接在它的基极271.降低放大倍数，提高稳定性

11.2.3负反馈对放大电路工作的影响AF+–开环放大倍数反馈系数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，放大倍数降低了，而放大倍数的稳定性却提高了。1.降低放大倍数，提高稳定性11.2.3负反馈对28例：|A|=300，|F|=0.01。例：|A|=300，|F|=0.01。29uf负反馈改善了波形失真2.改善非线性失真加入负反馈无负反馈FufAuuiuo+–uduo大小略大略小略小略大uiAu接近正弦波uf负反馈改善了波形失真2.改善非线性失真加入无负反馈Fuf303.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对ri和ro的影响riro减低增高增高增高增高减低减低减低串联电压串联电流并联电压并联电流思考题：为了分别实现：

(a)稳定输出电压；(b)稳定输出电流；

(c)提高输入电阻；(d)降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？返回3.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对ri和311.反相输入11.3.1比例运算11.3

运算放大器在信号运算方面的应用由运放工作在线性区的依据可列出由此得出闭环电压放大倍数平衡电阻若则ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+1.反相输入11.3.1比例运算11.3运算放大器在32(5)电压并联负反馈，输入、输出电阻低，

ri=R1。共模输入电压低。结论：(1)Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。(2)Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。(5)电压并联负反馈，输入、输出电阻低，332.同相输入11.3.1比例运算由运放工作在线性区的依据可列出由此得出闭环电压放大倍数若则或ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+2.同相输入11.3.1比例运算由运放工作在线性区的依据可34(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。结论：(1)Auf为正值，即uo与ui

极性相同。因为ui加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻35当R1=或

RF

=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：当R1=或RF=0时，uo=ui，36负载电流的大小与负载无关。例2:负载浮地的电压-电流的转换电路(1)能测量较小的电压；(2)输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+–++–iLi1RLuiR2R1+–++–负载电流的大小例2:负载浮地的电压-电流的转换电路(1)3711.3.2加法运算1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

11.3.2加法运算1.反相加法运算电路因虚短,382.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理同理，ui2单39方法2：平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡电阻：u+思考u+=?也可写出u–和u+的401.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–1.输入电阻低；同相加法运算电路的特点：反相加法运算电路4111.3.3减法运算如果两个输入端都有信号因为，故上列两式可得由图可列出输入，则为差分输入。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+11.3.3减法运算如果两个输入端都有信号4211.3.3减法运算当时，和则上式为当时，则得可见，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。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+11.3.3减法运算当时，和则上式为当时，则得43[例3]图中，其中是共模分量，是差模分量。如果，试问RF多大时输出电压不含共ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+模分量？[例3]图中，其中是共模分量，是差模分量。如果，试问R44[解]欲使uo不含共模分量uic2，必须满足下列条件:[解]欲使uo不含共模分量uic2，必须满足下列条件:45[解]因经整理后得。此时输出电压例如则[解]因经整理后得。此时输出电压例如则4611.3.4积分运算ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+ifuC+–CF由于反相输入，故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。R1CF

称为积分时间常数。11.3.4积分运算ifR1R2uoRFiiui+–+–+4711.3.4积分运算uoR1R2CFui+–+–uC+–+–+ifii当ui为阶跃电压时，则uo随时间线性增长，uoOtuiOt最后达到负饱和值。11.3.4积分运算uoR1R2CFui+–+–uC+–+48

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。ifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。uoCFuiR2R1++––++–RF将比例运算和积分运算结合在一起，就组成ifi1电路的4911.3.5微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+–+ifii故即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。11.3.5微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+5011.3.5微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+–+ifiiUituoOtuiO注意：由于此电路工作时稳定性不高，故实际中很少应用。当ui为阶跃电压时uo为尖脉冲电压。返回11.3.5微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+51uoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器ifiRiCuoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分运算电路5211.4.2电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：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。

运放工作在开环状态或引入正反馈。11.4.2电压比较器电压比较器的功能：用途：53理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo54电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环55uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURuitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat56ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo(sat)URuouiR2++57URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2+58输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ–UZ电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，UZ–UZ59过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O过零电压比较器利用电压比较器URuouiR2++–R1+60例1：图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。分析其工作原理。温度超过规定值，ui

>UR，uo=+UOM，T导通。KA动作，切断电源。温度未超过规定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不动作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo例1：图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电61电压传输特性uoOUO(sat)–UO(sat)例2:电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:运放为同相输入过零电压比较器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各电压波形如右图所示。R1R2uiuo+–+CDRLR电压传uoOUO(sat)–UO(sat)例2:电路如图所62

正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。常用的正弦波振荡器LC振荡电路:输出功率大、频率高。RC振荡电路:输出功率小、频率低。石英晶体振荡电路：频率稳定度高。11.5运算放大器在波形产生方面的应用11.5.1RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。常用631.自激振荡的条件11.5.1RC正弦波振荡电路电路中无外加输入电压，而在输出端有一定频率和幅度的信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。S当S合于1时，开环电压放大倍数则输出电压保持不变。反馈系数又所以自激振荡的条件是：Auduiuo12Fuf若当S合于2时，1.自激振荡的条件11.5.1RC正弦波振荡电路6411.5.1RC正弦波振荡电路(1)相位条件：反馈电压与输入电压同相,为正反馈；即(2)幅度条件：自激振荡的条件：反馈电压与输入电压的大小相等；11.5.1RC正弦波振荡电路(1)相位条件：与输入65幅度特性Uom=f(Ufm)反馈特性Ufm=FUomUimUom1Ufm1Uom2A自激振荡的建立过程2

振荡的建立和稳定振荡建立时应满足：即SAuduiuo12FufUfmUomO微小的扰动起始信号不断通过放大反馈再放大再反馈，使Uom不断增大，一直到达交点A时，稳定下来。振荡稳定不能振荡幅度特性Uom=f(Ufm)反馈特性Ufm=FUomUim66正弦波振荡电路的组成(1)放大电路:放大信号(2)反馈网络:必须是正反馈，反馈信号即是

放大电路的输入信号(3)选频网络:保证输出为单一频率的正弦波

即使电路只在某一特定频率下满

足自激振荡条件(4)稳幅环节:使电路能从AuF

>1，过渡到

AuF

=1，从而达到稳幅振荡。正弦波振荡电路的组成(1)放大电路:放大信号(2)67(2)选频电路同相比例运算电路选频电路其电压放大倍数为(1)放大电路由集成运放构成的同相比例运算电路。由RC串并联电路组成，它也是正反馈电路。uo+–+–+RFR1u+3

RC正弦波振荡电路ui+–CRRC(2)选频电路同相比例运算电路选频电路其电压放大倍数为(1)68uo+–+–+RFR1u+3

RC正弦波振荡电路ui+–CRRC若要与同相，上式分母的虚部应为零这时同相比例运算的电压放大倍数为可见，当时，即uo+–+–+RFR1u+3RC正弦波振荡电路ui+–69工作原理输出电压uo经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf

作为同相比例电路的输入信号ui。

①起振过程工作原理输出电压uo经正反馈（兼选频）网络分压后70uo+–+–+RFR1u+3

RC正弦波振荡电路ui+–CRRC在特定频率ui和uo同相，即RC串并联电路具有正反馈和选频作用，ui和uo为正弦波。时，，则电路将等幅振荡；若，则电路将不能振荡；若，则电路起振后，振幅越来越大至饱和；所以，振荡时应满足即RF>2R1RF=2R1起振时应满足若uo+–+–+RFR1u+3RC正弦波振荡电路ui+–71uo+–+–+RFR14

RC正弦波振荡电路稳幅措施CRRC(1)用热敏电阻稳幅起振时由于温度低，RT>2R1，振荡后温度增加RT减少到等于2R1。(2)用二极管稳幅RT用具有负温度系数的热敏电阻RT代替RF。5

振荡频率的改变由可知改变R、C或同时改变RC都可改变振荡频率。RF1RF2D1D2RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。uo+–+–+RFR14RC正弦波振荡电路稳幅措施CR7211.6使用运算放大器应注意的几个问题1.选用元件2.消振3.调零4.保护uoRFR1ui+–+R2D1D2(1)输入端保护11.6使用运算放大器应注意的几个问题1.选用元件2.7311.6使用运算放大器应注意的几个问题4.保护(2)输出端保护+–++U–URFR1ui+–+R2R3D2uo(3)电源保护11.6使用运算放大器应注意的几个问题4.保护(2)输出7411.6使用运算放大器应注意的几个问题5.扩大输出电流uoRFR1ui+–+R2RBD1–Ucc+UccD2RBT1T2在输出端加接一级互补对称电路扩大输出电流。11.6使用运算放大器应注意的几个问题5.扩大输出电流u75第

11

章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍11.3运算放大器在信号运算方面的应用11.2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11.5运算放大器在波形产生方面的应用11.6使用运算放大器应注意的几个问题第11章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍176第

11

章运算放大器

分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟第11章运算放大器分立电路是由各种单个元件联接起来77

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。

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。第

11

章运算放大器

本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转集成运放是具78输出端

11.1.1集成运放的组成输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成11.1运算放大器简单介绍偏置电路输入级中间级输出级输入端输出端11.1.1集成运放的组成输入级—差动放79运算放大器的符号反相输入端uo+–+u–u+同相输入端信号传输方向输出端+–+Auo理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数运算放大器的符号反相uo+–+u–u+同相信号传输出端+–8011.1.2主要参数1.最大输出电压UOPP

2.开环差模电压增益AuoAuo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围UICM超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB11.1.2主要参数1.最大输出电压UOPP2.81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

2.差模输入电阻3.开环输出电阻4.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，11.1.3理想运算放大器及其分析依据

在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。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82实际运放电压传输特性

11.1.3理想运算放大器及其分析依据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。uoOUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区

负饱和区

若Auo=106±UO(sat)=±15V则±UIM=±0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈。uou++–+u–实际运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分83理想运放电压传输特性

11.1.3理想运算放大器及其分析依据uooUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区

负饱和区

因为理想运放开环电压放大倍数

所以，当时，uou++–+u–理想运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分84

11.1.3理想运算放大器及其分析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，故称“虚短路”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”。2.id

01.u+u–，而uo是有限值，运放开环输入电阻id由于运放故从式，可知uou++–+u–rid11.1.3理想运算放大器及其分析依据运放工作在线性85

11.1.3理想运算放大器及其分析依据uo+–+u–u+运放工作在非线性区的依据2.id

01.u+u–由于运放工作在非线性区rididuoOUO(sat)–UO(sat)不再成立非线性区

非线性区

所以当时，Uo发生跃变依然成立返回11.1.3理想运算放大器及其分析依据uo+–+u–86

凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经某种电路(反馈网络)引回到输入端，称为反馈。11.2放大电路中的负反馈11.2.1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减小，称为负反馈。A无负反馈放大电路方框图凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经87基本放大电路反馈电路11.2.1反馈的基本概念F+–带有负反馈放大电路的方框图比较环节

—输入信号

—净输入信号—反馈信号—输出信号净输入信号若三者同相，可见，电路为负反馈。则A基本放大电路反馈电路11.2.1反馈的基本概念F+–带有8811.2.2负反馈的类型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。负反馈的类型有：AF+–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；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；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。在输出端11.2.2负反馈的类型根据反馈电路与8911.2.2负反馈的类型ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–净输入信号负反馈反馈电压电压反馈。uf与ui在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。判别图示电路的反馈类型

1.串联电压负反馈

11.2.2负反馈的类型ui+–R1R2uoRF+–+–901.串联电压负反馈ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–AF+–ufuduiuo串联电压负反馈方框图1.串联电压负反馈ui+–R1R2uoRF+–+–+RL91uoR1R2RF+–ui+–+–+RLiiidif-净输入电流负反馈反馈电流电压反馈并联反馈判别图示电路的反馈类型2.并联电压负反馈

uoR1R2RF+–ui+–+–+RLiiidif-净输922.并联电压负反馈AF+–uiuoifidiiuoR1R2RF+–ui+–+–+RLidifii-并联电压负反馈方框图2.并联电压负反馈AF+–uiuoifidiiuoR1R93负反馈；反馈电压电流反馈；判别图示电路的反馈类型3.串联电流负反馈

AF+–ufuduiio串联电流负反馈方框图串联反馈R2uoR+–+–+RLud+–uf+–ioui+–负反馈；反馈电压电流反馈；判别图示电路的反馈类型3.94图中判别图示电路的反馈类型4.并联电流负反馈

并联电流负反馈方框图AF+–uiioidiiififRFiRuRRui+–+–+RLioR1iiidR2-图中判别图示电路的反馈类型4.并联电流负反馈95如何判别电路中反馈类型小结(1)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“地”端引出的，是电流反馈；(2)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；(3)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；若反馈量不为零，则为电流反馈。)

如何判别电路中反馈类型小结(1)反馈电路直接从输出端引出的96[例1]判别图示电路从A2输出端引入A1输入端的反馈类型。uoui+–+–+uo1ud+–+–+RLRuf+–A1A2[解]反馈电路从A2的输出端引出，故为电压反馈；反馈电压uf和输入电压ui分别加在的同相和反相两个输入端，故为串联反馈；反馈电压uf使净输入电压ud=ui–uf减小，故为负反馈；串联电压负反馈[例1]判别图示电路从A2输出端引入A1输入端97uoui+–+Ruo1ii+–+RL-A1A2idifa[例2]判别图示电路从A2输出端引入A1输入端的反馈类型。[解]反馈电路从RL

靠近“地”端引出，为电流反馈；反馈电流if和输入电流ii加在A1的同一个输入端，故为并联反馈；

净输入电流id=ii–if减小，故为负反馈；并联电流负反馈uoui+–+Ruo1ii+–+RL-A1A2idif98例3：判断图示电路中的负反馈类型。解:RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；RE1对本级引入串联电流负反馈。RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例3：判断图示电路中的负反馈类型。解:RE2对交流不起作用99例3：判断图示电路中的负反馈类型。解：RE1、RF引入越级串联电压负反馈。－+－+

T2集电极的反馈到T1的发射极，提高了E1的交流电位，使Ube1减小，故为负反馈；反馈从T2的集电极引出，是电压反馈；反馈电压引入到T1的发射极，是串联反馈。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例3：判断图示电路中的负反馈类型。解：RE1、RF引入越级串100例4：如果RF不接在T2的集电极，而是接C2与RL之间，两者有何不同？解：因电容C2的隔直流作用，这时RE1、RF仅引入交流反馈。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo×例4：如果RF不接在T2的集电极，而是接C2与RL之间，101例5：如果RF的另一端不接在T1的发射极，而是接在它的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈？解：T2集电极的反馈到T1的基极，提高了B1的交流电位，使Ube1增大，故为正反馈；

这时RE1、RF引入越级正反馈。－+－+RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例5：如果RF的另一端不接在T1的发射极，而是接在它的基极1021.降低放大倍数，提高稳定性

11.2.3负反馈对放大电路工作的影响AF+–开环放大倍数反馈系数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，放大倍数降低了，而放大倍数的稳定性却提高了。1.降低放大倍数，提高稳定性11.2.3负反馈对103例：|A|=300，|F|=0.01。例：|A|=300，|F|=0.01。104uf负反馈改善了波形失真2.改善非线性失真加入负反馈无负反馈FufAuuiuo+–uduo大小略大略小略小略大uiAu接近正弦波uf负反馈改善了波形失真2.改善非线性失真加入无负反馈Fuf1053.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对ri和ro的影响riro减低增高增高增高增高减低减低减低串联电压串联电流并联电压并联电流思考题：为了分别实现：

(a)稳定输出电压；(b)稳定输出电流；

(c)提高输入电阻；(d)降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？返回3.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对ri和1061.反相输入11.3.1比例运算11.3

运算放大器在信号运算方面的应用由运放工作在线性区的依据可列出由此得出闭环电压放大倍数平衡电阻若则ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+1.反相输入11.3.1比例运算11.3运算放大器在107(5)电压并联负反馈，输入、输出电阻低，

ri=R1。共模输入电压低。结论：(1)Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。(2)Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。(5)电压并联负反馈，输入、输出电阻低，1082.同相输入11.3.1比例运算由运放工作在线性区的依据可列出由此得出闭环电压放大倍数若则或ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+2.同相输入11.3.1比例运算由运放工作在线性区的依据可109(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。结论：(1)Auf为正值，即uo与ui

极性相同。因为ui加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻110当R1=或

RF

=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：当R1=或RF=0时，uo=ui，111负载电流的大小与负载无关。例2:负载浮地的电压-电流的转换电路(1)能测量较小的电压；(2)输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+–++–iLi1RLuiR2R1+–++–负载电流的大小例2:负载浮地的电压-电流的转换电路(1)11211.3.2加法运算1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

11.3.2加法运算1.反相加法运算电路因虚短,1132.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理同理，ui2单114方法2：平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡电阻：u+思考u+=?也可写出u–和u+的1151.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–1.输入电阻低；同相加法运算电路的特点：反相加法运算电路11611.3.3减法运算如果两个输入端都有信号因为，故上列两式可得由图可列出输入，则为差分输入。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+11.3.3减法运算如果两个输入端都有信号11711.3.3减法运算当时，和则上式为当时，则得可见，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。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+11.3.3减法运算当时，和则上式为当时，则得118[例3]图中，其中是共模分量，是差模分量。如果，试问RF多大时输出电压不含共ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+模分量？[例3]图中，其中是共模分量，是差模分量。如果，试问R119[解]欲使uo不含共模分量uic2，必须满足下列条件:[解]欲使uo不含共模分量uic2，必须满足下列条件:120[解]因经整理后得。此时输出电压例如则[解]因经整理后得。此时输出电压例如则12111.3.4积分运算ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+ifuC+–CF由于反相输入，故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。R1CF

称为积分时间常数。11.3.4积分运算ifR1R2uoRFiiui+–+–+12211.3.4积分运算uoR1R2CFui+–+–uC+–+–+ifii当ui为阶跃电压时，则uo随时间线性增长，uoOtuiOt最后达到负饱和值。11.3.4积分运算uoR1R2CFui+–+–uC+–+123

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。ifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。uoCFuiR2R1++––++–RF将比例运算和积分运算结合在一起，就组成ifi1电路的12411.3.5微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+–+ifii故即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。11.3.5微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+12511.3.5微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+–+ifiiUituoOtuiO注意：由于此电路工作时稳定性不高，故实际中很少应用。当ui为阶跃电压时uo为尖脉冲电压。返回11.3.5微分运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+126uoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器ifiRiCuoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分运算电路12711.4.2电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：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。

运放工作在开环状态或引入正反馈。11.4.2电压比较器电压比较器的功能：用途：128理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo129电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环130uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURuitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat131ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui