第3章 负反馈和集成运放(一体化)

第三章集成运算放大器及反馈3.1集成运算放大器3.2放大电路中的反馈3.3集成运算放大器的应用图2-1自动励磁调节器局部电路框图自动化系统中需要的放大器一般都采用集成运放，要实现自动调节还必须在电路中引入反馈。第三章集成运算放大器及反馈目前大多数自动化系统中的放大器，都采用集成运算放大器，集成运放应用非常广泛，下图是自动励磁调节器中的综合放大单元，其中的A即集成运放。自动励磁调节器中的综合放大单元A微机励磁调节器中的模拟信号直流采样电路图图中的A是集成运算放大器A/D式模拟量输入通道框图采样保持器的基本电路变电站综合自动化系统中各子系统的典型硬件结构图第三章负反馈和集成运放3.1概述3.2放大电路中的反馈进入3.3集成运放的线性运用进入3.1集成运算放大器3.1.1集成运算放大器简介3.1.2集成运放的组成及表示符号进入3.1.3集成运放的主要参数进入学习目标：认识集成运放符号，知道同相输入、反相输入时的输出输入关系，知道集成运放功能及使用方法。3.1.1集成运算放大器简介一、什么是集成电路：利用集成工艺，将电路的所有元件及联接导线集成在同一块硅片上，封装在管壳内，成为一个具有特定功能的完整电路即集成电路。

二、集成电路的分类：按其功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路又称线性集成电路，集成运算放大器（简称集成运放）是模拟集成电路中品种最多、应用最广泛的一类组件。（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。常用有源负载代替大电阻。（4）只能制作几十pF以下的小电容，如需大电容，只能外接。（5）不能制造电感，如需电感，只能外接。三、集成电路的工艺特点：*二.通用型集成运放F007原理图AB电流源输入级中间级输出级*3.1.2集成运放的组成及表示符号集成运放是高增益、多级、直接耦合放大电路。集成运放常见外形图集成运放管脚排列图示例三、集成运算放大器符号和特点＋－u-u+uo国际符号：中国的部颁标准符号：V+∞+－反相输入端u-+同相输入端u输出端ou集成运放的特点：电压增益高输入电阻大输出电阻小共模抑制比高仿真μA741的典型连接图仿真1.连接电路如图。3.反相输入端（为什么叫反相输入端？观察反相输入时，输出与输入的关系）2.调零。（学会调零）（1）调零是什么意思？（2）为何要调零？（3）如何调零？2、3短接接地，即输入0，测输出并调节电位器使输出电压等于0。

U-分别输入0V、0.5V和1V电压，U+接地，测输出电压UO

。（观察结论：输出电压比输入电压大即电路有放大功能，输出电压与输入电压极性相反-说明从这个端输入时输出与输入反相。仿真1.连接电路如图。3.反相输入端2.调零。

U+分别输入0V、0.5V和1V电压，U-接地，测输出电压UO

。（观察结论：输出电压比输入电压大即电路有放大功能，输出电压与输入电压极性相同说明从这个端输入时输出与输入同相。4.同相输入端（为什么叫同相输入端？观察同相输入时，输出与输入的关系）

1.开环差模电压放大倍数

Aod

：

无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。

2.差模输入电阻rid

：

双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。

3.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。3.1.3集成运算放大器的主要参数特殊集成运算放大器反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。特殊运放有高输入阻抗型、高精度低漂移型、高速型、低功耗型、大功率型等等。3.2.1反馈的概念3.2.2反馈的分类和性质进入3.2.3交流负反馈对放大器性能的影响进入3.2放大电路中的反馈输入量：ui、u+反馈——将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。3.2.1反馈的概念输出量：uo正向传输——信号从输入端到输出端的传输正向传输反向传输uu+f1o－i+RRUiRfUoU+U+反向传输——信号从输出端到输入端的传输（反馈）反馈元件：Rf开环与闭环的概念电路中只有正向传输，没有反向传输，称为开环状态。电路中既有正向传输，又有反馈称为闭环状态。uu+f1o－i+RRuu－o++i信号的正向传输信号的正向传输反馈（反向传输）图3-6

反馈放大器方框图和例图(a)闭环放大器方框图(b)反馈放大器示例基本放大电路A反馈网络F开环放大倍数：+–反馈系数：输出信号原输入信号反馈信号净输入信号反馈放大电路的方框图反馈放大器闭环放大倍数：3.2.2反馈的分类和性质＊一、交流反馈和直流反馈二、反馈极性---负反馈与正反馈负反馈——净输入量减小。正反馈——使净输入量增加。*负反馈类型有四种组态:串联电压负反馈、并联电压负反馈、

串联电流负反馈、并联电流负反馈。+－A∞+LRRfifid1i1Ruoiu串联电压负反馈并联电压负反馈并联电流负反馈串联电流负反馈3.2.3负反馈对放大电路性能的影响

提高增益的稳定性减少非线性失真扩展频带改变输入电阻和输出电阻交流负反馈降低放大倍数直流负反馈稳定静态工作点使放大器的性能得以改善：3.3集成运算放大器的应用3.3.1集成运算放大器应用基础3.3.2基本运算电路进入3.3.1集成运放应用基础一、运算放大器的理想指标开环电压增益Aod=∞;差模输入电阻Rid=∞;输出电阻Ro=0;共模抑制比KCMR=∞;UIO、

IIO、αUIO、αIIO均为零;输入偏置电流IIB=0;-3BdB带宽fH=∞;1.集成运放的传输特性设：电源电压±VCC=±12V。运放的Aod=104则：│Ui│≤1mV时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，当Aod→∞时，线性区→00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui二、理想运放的工作特点仿真1)集成运放的非线性工作区理想运放工作在非线性区时的重要特点：+10V-10V+Uom-Uom0uoui（1）Ii+=Ii-=0（虚断）（仿真测试）（2）若U+＞U-

则UO=+UOPP；若U+＜U-

则UO=-UOMPP；

若U+=U-

则UO=0工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！ui=u+-u-2.集成运放的二种工作状态仿真2)集成运放非线性工作状态的应用若ui＞UREF

则UO=+UOPP；

若ui

＜UREF

则UO=-UOPP；若ui

=UREF

则UO=0应用举例：(1)单限比较器比较器电路可用于图中的电压检测部分图中的C1和C2均组成比较器(2)滞回比较器若uI＞UT+

则UO=-UOPP；

若uI

＜UT-

则UO=+UOPP；应用举例：电平检测励磁调节器中的电源监视电路，电源电压偏离5±0.5V时发出故障信号。A2和A3组成的滞回比较器（1）Ii+=Ii-=0（虚断）

（因为Rid≈∞）（2）u+=u-

（虚短）

（因为Au≈∞）2.集成运放的二种工作状态运放工作在线性区的重要特点：2）集成运放的线性工作区为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈，集成运放工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。uu+－A∞+RIIRu－u+ffoi11Ii-Ii+仿真3.3.2集成运放的线性应用---信号运算电路一、比例运算电路1、反相比例运算电路（反相放大器）i1=if

（虚断）利用运放线性工作的特点有：

u－=u+=0（虚地）Rf引入了深度负反馈使电路工作在线性状态。输入端电阻平衡要求：R2=R1//Rf虚地点u+

=0uu+－A∞+RiiRuu－+ffoi11R2则：或：虚地点u+

=0uu+－A∞+RiiRuu－+ffoi11R2可见：输出信号与输入信号大小成比例，相位相反。R2=R1//Rf特例：当Rf=R1时，uo=-ui-----反号器（反相器）仿真例：如下图电路，R1=10k,Rf=20k,ui

=-1V。求:uo

、R0。（取R0=6.8KΩ）*采用T型反馈网络的反相比例电路目的：在高比例系数时，避免R1阻值太小，使输入电阻太小。2、同相比例运算电路（同相放大器）u-=u+=ui（虚短）i1=if（虚断）其中：Rf引入深度负反馈，平衡电阻R=R1//Rfuu+－A∞+o－uu+fiRf1RRi++i1利用运放线性工作的特点有：即所以：2、同相比例运算电路其中：Rf引入深度负反馈，平衡电阻R=R1//Rf可见：输出信号与输入信号大小成比例，相位相同。特例：当R1=∞或Rf=0时uo=ui---电压跟随器uu+－A∞+o－uu+fiRf1RRi++i1仿真Au=1电压跟随器此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能更好。ui=uo采样保持器的基本电路应用举例：微机励磁调节器中的模拟信号直流采样电路图A2为电压跟随器A为电压跟随器若R1=R2=Rf

平衡电阻R0=R1//R2//Rfi1+i2=if二、反相求和电路（加法运算电路）输出信号等于输入信号按一定比例求和。仿真上图是一个反相求和电路，与基本电路相比较，此电路增加了一些辅助环节。它将反馈电压、竞比电压、补偿电压等等调节、限制信号，进行求和并放大（综合放大），实现自动调节并提高调节的灵敏度。其中VD5、VD6是输入端的限幅保护，VT1、VT2接成互补对称功放电路，使信号得到功率放大，提高带负载的能力。综合放大单元的输出电压作为移相触发单元的控制电压。电力系统的自动励磁装置中的综合放大单元应用举例：4位D/A转换器原理图变电站综合自动化系统中各子系统的典型硬件结构图三、减法运算电路ui1单独作用

ui2单独作用根据叠加原理

综合：则有：输出信号等于输入信号按一定比例相减。1、差动输入比例运算实现减法运算2、利用加法运算和反相比例运算实现减法运算

[例3-2]如图3-16所示放大电路中，运放Uopp=12V，R1=9.1KΩ，R2=100KΩ，R3=10KΩ，R4=R6=25KΩ，R5=R7=200KΩ。（1）若ui1=0.5V，ui2=0.1V，求uo=?（2）若ui1=0.5V，ui2=0.3V，求uo=?（3）若ui1=0.5V，ui2=-0.3V，求uo=？解：第一步：先认识电路。电路中A1组成电压跟随器，A2组成同相输入比例运算电路，A3组成减法运算电路。第二步：对各部分电路应用公式。第二步：对各部分电路应用公式。

（1）（2）>Uopp=12V，所以应取uo=Uopp=12V。<-Uopp=-12V，所以应取uo=-Uopp=-12V。（3）1、积分电路

四、积分与微分电路实现了对输入信号的积分运算应用举例：输入方波，输出三角波。实现了波形变换。tui0tuo0Ui为常数时，与时间成正比2、微分电路u-=u+=0实现了对输入信号的微分运算。自动准同步装置中，通过检测线性整步电压斜率判别频差大小的电路应用举例：此电路包含了比例、微分及求和运算。图1-2自动准同步装置ZZQ-5中鉴别频差方向的逻辑电路框图

R1

∞

－

+

Δ

+

C

R

R4

∞

－

+

Δ

+

o

1M

1μF

xR1

∞

－

+

Δ

+

R

R4

∞

－

+

Δ

+