电子电工第7章

第八章

运算放大器及其应用

第一节集成运算放大器

第二节负反馈放大器第三节运算放大器的应用

返回主目录学习目标1、掌握理想运算放大器的条件和分析依据2、理解负反馈的概念3、了解负反馈类型及其对放大器性能的影响4、理解集成运算放大器的线性应用和非线性应用第一节集成运算放大器

一、集成运算放大器的组成

集成运算放大器的内部包括四个部分：输入级、输出级、中间级和偏置电路。

输入级输出级中间级偏置电路输入信号输出信号图8-1集成运算放大器组成框图集成运算放大器各级的作用输入级：要求输入电阻高，能够抑制零点漂移和干扰信号。采用差动放大电路，它有同相和反相两个输入端。中间级：电压放大，要求电压放大倍数高，一般由共射放大电路组成。输出级：与负载相接，要求其输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器组成。偏置电路的作用：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。一般由各种恒流源组成。二、集成运放的图形符号及外形图8-2集成运算放大器的图形符号一般符号简化符号圆壳式双列直插式图8-3集成运放外形图

双列直插式管脚号的识别：管脚朝外，缺口向左，从左下脚开始为1，逆时针排列。比如LM358是8管脚的双集成运放，各管脚号及功能如图7-4所示。

图8-4LM358管脚功能图（1）开环电压放大倍数Auo

指运放在无外加反馈情况下的空载电压放大倍数（差模输入），一般约为104~107，即80~140dB（20Lg|Auo|）。（2）差模输入电阻rid

指运放在差模输入时的开环输入电阻，一般在几十千欧~几十兆欧范围。ri

越大，性能越好。（3）开环输出电阻ro

指运放无外加反馈回路时的输出电阻，开环输出电阻ro越小，带负载能力越强。一般约为20~200Ω。（4）共模抑制比KCMR

用来综合衡量运放的放大和抗零漂、抗共模干扰的能力，KCMR越大，抗共模干扰能力越强。一般在65~75dB之间。三、集成运算放大器的主要参数

（5）输入失调电压Uio

实际运算放大器，当输入电压u＋

=u－=0时，输出电压uO

≠0，将其折合到输入端就是输入失调电压。它在数值上等于输出电压为零时两输入端之间应施加的直流补偿电压。Uio的大小反应了输入级差动放大电路的不对称程度，显然其值越小越好，一般为几毫伏，高质量的在1mV以下。（6）输入失调电流Io

输入失调电流是输入信号为零时，两个输入端静态电流之差。Iio一般为纳安级，其值越小越好。

（7）最大输出电压UoPP

指运放在空载情况下，最大不失真输出电压的峰—峰值。四、理想运算放大器的条件及分析依据1．理想化条件(三高一低)

开环电压放大倍数Auo→∞；差模输入电阻rid→∞；开环输出电阻ro→0；共模抑制比KCMR→∞

。

在分析运算放大器时，一般可将它看成是一个理想运算放大器。理想运算放大器的图形符号如图8-5a

所示，图中的“∞”表示电压放大倍数Auo→∞。图8-5b为运算放大器的传输特性曲线。实际运算放大器的特性曲线分为线性区和饱和区，理想化特性曲线无线性区。当运算放大器工作在线性区时，

uo=Auo(u+

－u－)（8-1）当运算放大器工作在饱和区时，

（8-2）u+

＞u－时uo＝＋Uo（sat）u+

＜u－时uo＝－Uo（sat）图8-5运算放大器传输特性理想运放图形符号传输特性运算放大器工作在线性区的两个推论：“虚短”、“虚断”1）由于Auo→∞，而输出电压是有限电压，从式（8-1）可知u+－u－＝uo／Auo≈0，即

u＋≈u－

（8-3）上式说明同相输入端和反相输入端之间相当于短路。由于不是真正的短路，故称“虚短”。2）由于运算放大器的差模电阻rid→∞，而输入电压ui＝u+-u－是有限值，两个输入端电流i

+=i－=ui／rid

，即

i+=i－≈0

（8-4）上式说明同相输入端和反相输入端之间相当于断路。由于不是真正的断路，故称“虚断”。2.分析依据

F007运算放大器如图7-2所示，正负电源电压为±15V，开环电压放大倍数Auo=2×105，输出最大电压为±13V。分别加入下列输入电压，求输出电压及极性。（1）u+=15，u－=－10;（2）u+=－5，u－=10;（3）u+=0V，u－=5mV;（4）u+=5mV，u－=0V。

由式（8-1）得

V=±65可见，当两个输入端之间的电压绝对值小于65，输出与输入满足式（8-1），否则输出就满足式（8-2），因此有（1）uo=

Auo(u+－u－)=2×105（2）uo=

Auo(u+－u－

)=2×105（3）uo=

－13V（4）uo=

+13V例8-1解第二节负反馈放大器一、反馈的基本概念负反馈的作用：稳定静态工作点、稳定放大倍数、改变输入、输出电阻、拓展通频带、减小非线性失真等。反馈：凡是将放大电路输出信号Xo（电压或电流）的一部分或全部通过某种电路（反馈电路）引回到输入端，就称为反馈。正反馈：若引回的反馈信号削弱输入信号而使放大电路的放大倍数降低，则称这种反馈为负反馈。正反馈：若反馈信号增强输入信号，则为正反馈。

图8-6分别为无负反馈的基本放大电路和带有负反馈的放大电路的方框图。负反馈的放大电路包含基本放大电路和反馈电路两部分。输入信号Xi与反馈信号Xf在“”处叠加后产生净输入信号Xd=Xi－Xf

。基本放大电路（开环）的放大倍数A=Xo/Xd，反馈电路的反馈系数F=Xf

/Xo，带有负反馈的放大电路（闭环）的放大倍数Af=Xo/Xi

。图8-6反馈放大电路方框图二、反馈类型的判别方法（1）有无反馈的判别

在放大电路的输出端与输入端之间有电路连接，就有反馈，否则就没有反馈。例如图8-15所示电路就有反馈，而图8-22所示电路就无反馈。（2）交、直流反馈的判断直流通道中所具有的反馈称为直流反馈。在交流通道中所具有的反馈称为交流反馈。例如图6-14中，由于电容C的导交作用使Re上只有直流反馈信号，并且使净输入UBE减少，所以是直流负反馈。直流负反馈的目的是稳定静态工作点。图6-16中的Re既在直流通道上也在交流通道上，所以交、直流反馈都有。交流负反馈的目的是改善放大电路的性能。（3）正、负反馈的判断

用瞬时极性法，在放大器输入端设输入信号的极性

“＋”或“－”，再依次按相关点的相位变化推出各点对地交流瞬时极性，最后根据反馈回输入端（或输入回路）的反馈信号瞬时极性，使净输入信号减少的是负反馈，否则是正反馈。例如图8-7a中净输入ud=ui－uf

，图8-7b中净输入id=ii－if

，它们都是负反馈。晶体管的净输入是ube或ib。集成运放的净输入是u＋－u－或i－及i＋。图8-7正负反馈及串并联反馈的判别串联反馈框图并联反馈框图（5）电流、电压反馈的判断

图8-8所示电路中，反馈信号取自输出电压，且X

f∝u0，是电压反馈；若反馈信号取自输出电流，且Xf

∝io，是电流反馈。实用的判断方法是：将输出电压短接，若反馈量仍然存在，并且与io有关，则为电流反馈；若反馈量不存在或与io

无关，则为电压反馈。（4）串联、并联反馈的判断

图8-7所示电路中，若ud

=ui－uf

，为串联负反馈；若id=ii－if为并联负反馈。图8-8电压、电流反馈判别电压反馈框图电流反馈框图（1）图8-9a所示电路，从输入端看，净输入id=ii－if

，因此是并联反馈。从反馈量看if=－

uo/Rf

＞0（由图中u0的实际极性可知，u0＜0），因此既是负反馈，又和电压反馈。综上所述，反馈组态为电压并联负反馈。（2）图8-9b所示电路，从输入端看，净输入ud

=ui－uf

，因此是串联反馈。从反馈量看uf

=R1uo/（Rf

+R1）＞0（由图中u0的实际极性可知，u0＞0），因此既是负反馈，又是电压反馈。综上所述，反馈组态为电压串联负反馈。三、负反馈放大器的四种组态

a）电压并联负反馈图8-9四种类型负反馈b）电压串联负反馈图8-9四种类型负反馈（3）图8-9c所示电路，从输入端看，净输入id=ii－if，因此是并联反馈。由虚地可看出Rf与R相当于并联的关系，所以反馈量if=－R

io/（Rf

+R）＞0（由图中i0的实际方向可知，io＜0），因此既是负反馈，又是电流反馈。综上所述，反馈组态为电流并联负反馈。（4）图8-9d所示电路，从输入端看，净输入ud

=ui－uf

，因此是串联反馈。由于反相输入端的电流为零，因此R与RL是串联关系，反馈量uf=R

io＞0（由图中io的实际方向可知，io＞0），因此既是负反馈又是电流反馈。如果将输出uo短接，反馈信号仍然存在，也可判断出是电流反馈。综上所述，反馈组态为电流串联负反馈。c）电流并联负反馈图8-9四种类型负反馈d）电流串联负反馈图8-9四种类型负反馈1．降低放大倍数及提高放大倍数的稳定性据图8-6b，可以推导出具有负反馈（闭环）的放大电路的放大倍数为

（8-5）F反映反馈量的大小，其值在0～1之间，F=0，表示无反馈；F=1，则表示输出量全部反馈到输入端。显然有负反馈时，Af

＜A

。四、负反馈对放大器性能的影响反馈深度：（1+AF）是衡量负反馈程度的一个重要指标，称为反馈深度。（1+AF）越大，放大倍数Af

越小。深度负反馈：当AF＞＞1时称为深度负反馈，此时Af

≈1/F，可以认为放大电路的放大倍数只由反馈电路决定，而与基本放大电路放大倍数无关。

结论：引入深度负反馈后，放大倍数Af=1/F，即基本不受外界因素变化的影响，放大电路的工作非常稳定。

2．改善非线性失真

图8-10负反馈对非线性失真的改善3．拓展通频带图8-11负反馈展宽放大器的通频带4．对输入电阻和输出电阻的影响

1）串联负反馈使输入电阻提高在图8-12中，当信号源ui

不变时，引入串联负反馈uf

后，净输入电压ud

减小，使输入电流ii减小，从而引起输入电阻

rif(=ui/ii)比无反馈的输入电阻

ri增加。2）并联负反馈使输入电阻降低并联负反馈由于输入电流ii(=id+if)的增加，致使输入电阻rif(=ui/ii)减小，如图8-13所示，并联负反馈越深，rif减小越多。图8-12

串联负反馈提高输入电阻提高输入电阻图8-13并联负反馈降低输入电阻3）电压负反馈降低输出电阻，目的是稳定输出电压从输出端看放大电路，可用戴维南等效电路来等效，如图7-14a。理想状态下，ro=0，输出电压为恒压源特性，电压负反馈越深，输出电阻越小，输出电压越稳定。图8-14a输出端等效图图8-14b负反馈放大电路输出端等效图

4）电流负反馈提高输出电阻，目的是稳定输出电流从输出端看，放大电路可等效为电流源与电阻并联。理想状态下，ro=∞，输出电流为恒流源特性。电流负反馈越深，输出电阻越大，输出电流越稳定。一、运放的线性应用1．信号运算电路（1）反相比例运算

第三节运算放大器的应用图7-15为反相比例运算电路。在实际电路中，为了保证运放的两个输入端处于平衡状态，应使R2=R1//Rf

。据“虚断”的概念，i＋

=0，所以u＋=0。据“虚短”的概念，u＋=u-

，所以

u-=0（8-6）

“虚地”：反相输入端的电位等于零，但不接“地”，这种现象称为“虚地”。“虚地”是反相运算放大电路的一个重要特点。

i－=0

（8－7）图8-15反向比例运算则i1=if

＋－＋R1R2Rf＋＋－－uiuoi1ifi+i－uu－+闭环电压放大倍数为式中，负号代表输出与输入反相，输出与输入的比例由Rf

与R1的比值来决定，而与集成运放内部各项参数无关，说明电路引入了深度负反馈，保证了比例运算的精度和稳定性。从反馈组态来看，属于电压并联负反馈。（8-8）反相器：Rf=R1

uo=-ui

，Auf=-1电路如图8-15所示，已知R1=2kΩ,

ui=2V，试求下列情况时的Rf及R2的阻值。①uo=－6V；②电源电压为±15V，输出电压达到极限值。

由式（8-7）得，，平衡电阻R2=R1//

Rf

①kΩ=6kΩ

R2=R1//

Rf=2kΩ//6kΩ=1.5kΩ设饱和电压为±13V，则kΩ=13kΩ，R2≈1.73kΩ。当Rf≥13kΩ，输出电压饱和。例7-2解（2）同相比例运算由u－=

u＋及i＋=i-=0，可得u＋=ui

，i1=if（8-9）图8-16a同相比例运算电路闭环电压放大倍数

(8-10)图8-16b同相比例运算电路对图8-16b，注意运用式（8-9）。即Rf

=0或R1=∞时，Auf=1，如图8-17所示。图8-17电压跟随器图8-16a同相比例运算电路电压跟随器电路如图8-16b所示，求uO与

ui的关系式。由于i+=0，所以R2与R3是串联关系，由分压公式得将u＋代入式（8-9）例7-3解（3）差动比例运算

差动比例运算也称为减法运算。图8-18差动比例运算电路由于i-=0，所以i1=if，Rf

与R1是串联关系，于是又由于i＋

=0，所以R2与R3是串联关系，可得因为u＋=u－，解得（8-11）

在式（7-11）中，若R1=R2及

Rf=R3时，则有

（8-12）在式（7-12）中，当Rf=R1时，则得（8-13）由上两式可见，输出电压uo与两个输入电压的差值成正比，所以可以进行减法运算。由式（7-12）可得差动比例运算电压放大倍数（8-14）利用叠加原理也可得出上式。当ui1单独作用时，是反相比例运算，即式（8-11）中的后一项

；当ui2单独作用时，如图7-16b所示，是同相比例运算，其结果是式（8-11）中的前一项。

（4）反相比例求和电路

如果反相输入端有若干个输入信号，则构成反相比例求和电路，也叫加法运算电路，如图8-19所示。平衡电阻R2=R11//R12//R13//Rf

。图8-19反相比例求和电路

由于u－=u＋及i＋=i-=0，运放的反相输入端“虚地”，于是（8-15）当R11=R12=R13=R1时，（8-16）

当R11=R12=R13=Rf

=R1时，

（8-17）上式表明，该电路可实现求和比例运算，负号表示输出电压与输入电压反相。某一测量系统的输出电压和一些非电量的关系如图8-19所示，表达式为uo=－(4ui1+2ui2+0.5ui3)。试确定图8-19电路中的各输入电阻和平衡电阻。设Rf=100kΩ。由式（8-15）可得kΩ=50kΩkΩ=25kΩ

kΩ=200kΩR2=R11∥R12

∥R13∥

Rf

=(25∥50∥200∥100)kΩ=13.3kΩ例7-4解

2．信号变换电路

图8-20b为同相输入式电压—电流变换器。其效果与反相输入式电压—电流变换器相同，如式（8-19）。