电工电子ch5集成运算放大器

集成运算放大器南京工业大学信息科学与工程学院电子系第五章第五章集成运算放大器1、集成运算放大器概述2、放大电路中的负反馈4、集成运放在信号处理方面的运用3、集成运放在信号运算方面的运用返回前一页后一页1、了解集成运放的基本概念、电压传输特性和主要参数。2、理解反馈的概念，了解反馈的类型；了解负反馈对放大电路性能的影响。3、掌握理想运算放大器的基本分析方法，理解集成运放组成的比例、加、减、微分和积分电路的工作原理。4、了解单门限电压比较器的工作原理。基本要求：后一页返回前一页重点：了解集成运放的电压传输特性和主要参数。理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响。掌握理想运算放大器的基本分析方法。了解单门限电压比较器的工作原理。难点：

反馈的极性和类型判断，理想运放虚短、虚断的概念。第一节集成运算放大器概述一、集成运放的基本组成

集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的直接耦合放大器。四个组成部分：输入级、中间级、输出级和偏置电路输入级：具有较高的输入电阻，能减小零点漂移和抑制干扰信号，采用差动放大电路。中间级：提供足够大的电压放大倍数。常采用一级或多级共射放大电路。输出级：要向负载提供一定的功率，要求输出阻抗Ro小，带负载能力强。常采用射极输出器或互补射极输出器组成。偏置电路：提供合适的工作电流。二、集成运放的输入级—差动放大电路

集成运放电路主要采用直接耦合方式，因此需要解决零点漂移的问题。差动放大电路作为多级放大电路的输入级，能够抑制零点漂移。电路结构T1和T2特性相同，电路结构对称，两个输入、两个输出uoui1+UCCRCT1RCT2ui2+++–––uo1–uo2–++－UＣＣ+UCCu+uou–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级与uo反相与uo同相三、集成运放的封装电路结构四、集成运放的特性1）开环差模电压增益Ao

是决定运放运算精度的主要因素。2）最大输出电压UOmax

能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。

3)输入失调电压UIO4)输入失调电流IIO5)输入偏置电流IIB愈小愈好1．集成运放的主要参数２、集成运放的电压传输特性uo=f(ui)+Uo-Uoui=u+－u-

uo线性区饱和区线性区：uo

=Ao（u+－

u－

）饱和区：u+>u－

时，uo

=+Uou+<u－

时，uo

=－Uo

∵uo

=Ao（u+－

u－

）+Uo(sat)-Uo(sat)ui=u+－u－

uo线性区电压传输特性++∞uou-。u+i+i-３、集成运放的理想特性(重点)Auo

，rid

，ro0②输入电流约等于0

即i+=i－0称“虚断”

∴①差模输入电压约等于0

即u+=u－

称“虚短”第二节放大电路中的负反馈一、反馈的基本概念二、放大电路中负反馈的类型三、负反馈对放大电路性能的改善一、反馈的基本概念反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)

的一部分或全部引回到输入端。+UCCRE++––+UCCRE++––将输出电流反馈到输入将输出电压反馈到输入反馈放大电路的三个环节：基本放大电路比较环节反馈电路F反馈电路–+输出信号输入信号反馈信号反馈系数净输入信号基本放大电路Ao放大倍数直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。负反馈：反馈信号削弱净输入信号，使放大倍数降低。交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈元件只能传递交流信号。

正反馈：反馈信号增强净输入信号，使放大倍数提高。二、放大电路中反馈的类型1交流反馈与直流反馈

在反馈网络中串接隔直电容，可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。

在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。

反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。反馈只对直流起作用，称为直流反馈。有的反馈对交直流均起作用。返回后一页前一页RE直流反馈RE交直流反馈+UCCRE++––+UCCRE++––返回后一页前一页2、放大电路中负反馈的类型

1)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。

电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。

电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。返回后一页前一页2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈信号与输入信号串联，称为串联反馈。反馈信号与输入信号并联，称为并联反馈。串联反馈使电路的输入电阻增大，并联反馈使电路的输入电阻减小。iiifibib=ii-if输入信号反馈信号净输入信号并联反馈ube=ui-uf输入信号净输入信号串联反馈ufuiube+++–––反馈信号反馈信号与输入信号并联，即反馈电流信号与输入信号电流比较,称为并联反馈。反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较的，称为串联反馈。负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负反馈的分类３、负反馈放大电路的分析分析步骤：3)判别是否负反馈？1)找出反馈网络（一般是电阻、电容)。2)判别是交流反馈还是直流反馈？4)是负反馈！判断是何种类型的负反馈？返回后一页前一页例1：1)判反馈元件（电阻和电容）

(1）连接在输入与输出之间的元件。

(2）为输入回路与输出回路所共有的元件。发射极电阻RE为输入回路与输出回路所共有，所以RE是反馈元件。+UCCRE++––返回后一页前一页例1：2）判断是交流反馈还是直流反馈交、直流分量的信号均可通过RE，所以RE引入的是交、直流反馈。

如果有发射极旁路电容，RE中仅有直流分量的信号通过，这时RE引入的则是直流反馈。ＣE+UCCRE++––返回后一页前一页例1：

3)判断反馈类型重点讨论交流反馈净输入信号：

ui与uf

串联，以电压形式比较——串联反馈

ui正半周时，uf也是正半周，即两者同相减小---负反馈

uf

正比于输出电流——电流反馈

——电流串联负反馈跳转2+UCCRE++––+–+–返回后一页前一页1）判断负反馈的方法：瞬时极性法：假设输入级基极瞬时极性为正，根据集电极瞬时极性与基极相反、发射极瞬时极性与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。++－++－+－

输入与反馈极性相同为负反馈

输入与反馈极性相反为正反馈

输入与反馈极性相反为负反馈

输入与反馈极性相同为正反馈返回后一页前一页2）判断串、并联反馈+－+－反馈到基极为并联反馈反馈到发射极为串联反馈返回后一页前一页在一个点比较,比较信号为电流时是并联在两个点比较,比较信号为电压/位时是串联RLioiE

从集电极引出为电压反馈

从发射极引出为电流反馈共发射极电路3）判断电压、电流反馈uoRL+–返回后一页前一页判断反馈类型的口诀：共发射极电路：集出为压，射出为流，基入为并，射入为串。例1：判断图示电路中RE1、RE2的负反馈作用。RCRB1RB2RE1RE2CEC2C1+UCCuouiRE2对交流不起作用，RE1对交、直流均起作用电流串联反馈思考++––返回后一页前一页例2：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的类型。+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+UCCuoui+–T1T2Rf电压串联负反馈（交流反馈）－－返回后一页前一页+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1C3C2+UCCuoui+–T2Rf

若Rf与T２发射极相接如图所示，引入的是何种类型的反馈？T1－－－－正反馈思考返回后一页前一页例3：判断图示电路Rf的反馈类型。uouiRE2RfRE1RC1RC2+UCC电流并联负反馈（交、直流反馈）－－+－思考––++返回后一页前一页三、负反馈对放大电路性能的影响基本放大电路A反馈电路F+–反馈电路的基本方程反馈系数净输入信号基本放大器的放大倍数返回后一页前一页1.提高放大倍数的稳定性闭环放大倍数开环放大倍数返回后一页前一页负反馈使放大倍数下降。引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。同相，所以AF是正实数负反馈时，放大倍数下降1+|AF|倍，其稳定性提高1+|AF|倍。中，则有：返回后一页前一页若称为深度负反馈，此时：

在深度负反馈的条件下，放大倍数只与反馈网络有关。——反馈深度返回后一页前一页2.减小非线性的失真Auiufud加反馈前加反馈后uoui小大小大小大

负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，但不能完全消除失真。uoAF返回后一页前一页扩展宽通频带

(知道有这么个结论即可)引入负反馈使电路的通频带宽度增加：fAu无负反馈有负反馈跳转返回后一页前一页4.对输入电阻的影响在同样的Ib下，Ui=Ube+Uf

>Ube，rif提高。1）串联负反馈无负反馈时：有负反馈时：uiubeib++––uf+–使电路的输入电阻提高返回后一页前一页if无负反馈时：有负反馈时：在同样的Ube下，Ii=Ib+If>Ib，rif降低。2）并联负反馈使电路的输入电阻降低iiibube+–返回后一页前一页

电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。

电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。1）电压负反馈使电路的输出电阻降低2）电流负反馈使电路的输出电阻提高5.对输出电阻的影响返回后一页前一页第三节集成运放器在信号运算方面的运用一、比例运算

二、加法运算

三、减法运算

四、积分运算

五、微分运算后一页返回前一页一、比例运算1、反相比例运算（1）电路组成

以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地（）。（2）电压放大倍数∵

虚断∵

虚短∴

u-=u+=0

称“虚地”—反相输入的重要特点uo++∞.uiR2RFu+u_。。R1.。。++––i1ifi-i+一、比例运算

∵要求静态时u+、u-对地电阻相同，∴平衡电阻

R2=R1//RF∵

虚短∴

u-=u+=0

称“虚地”—反相输入运算的重要特点uo++∞.uiR2RFu+u_。。R1.。。++––1、反相比例运算电压并联负反馈输入电阻低，共模电压

0－－后一页返回前一页

⑤电压并联负反馈，输入电阻低.

结论：①Auf为负值，即uo与ui极性相反。∵ui加在反相输入端。②Auf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∵

u-=u+=0，∴反相输入端“虚地”。例：电路如下图所示，已知R1=10k

，RF

=50k。求：1、Auf

；

2、若R1不变，要求Auf为–10，则RF

应为多少？RF++∞..uiuoR2u+u_。。

R1解：1、Auf=–RF

R1

=–5010=–52、∵

Auf=–RF

R1

=–RF

10=–10

∴RF=Auf

R1=1010=100

返回∵虚短

∴∵虚断++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1iFi1输入电阻高2、同相比例运算电路（1）电路组成（2）电压放大倍数电压串联负反馈⑤电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低。

结论：①Auf为正值，即

uo与ui极性相同。∵ui

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

≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。后一页返回前一页

当R1=或RF=0时，uiuo++∞.u+u_。。

URLR1R2++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1uo=ui，

Auf=1，称电压跟随器。

此电路是电压串联负反馈，输入电阻高，输出电阻低，在电路中的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。后一页返回前一页二、加法运算∵虚短u-=u+=0∵虚断++∞...ui2ui1uoR2RFu+u_。。

Ri1Ri2。i1i2iFi-i1+i2=if，即∵后一页返回前一页三、减法运算由虚断可得：由虚短可得：分析方法一：++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一页返回前一页

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如果取R1

=R2

=R3

=RF

输出与两个输入信号的差值成正比。++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一页返回前一页分析方法二：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一页返回前一页四、积分运算由虚短及虚断性质可得

i1=ifiF=?CF++∞.uoR2u+u_。R1ui。.i1if+–后一页返回前一页若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui时，则uot0-UOM+UOMt0ui积分饱和线性积分时间输出电压随时间线性变化后一页返回前一页当电容CF的初始电压为uc(t0)时，则有前一页后一页采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故u0是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。

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。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。返回比例—积分运算电路的输出电压++∞..uiuoR2RFu+u-。。

R1CFiFi1uc输出电压是对输入电压的比例—积分上式表明：

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。iF前一页后一页—PI调节器+–返回五、微分运算uot0t0ui++∞.uoR2u+u_。uiRF。.C1i1if前一页后一页由虚短及虚断性质可得返回比例—微分运算输出电压是对输入电压的比例—微分上式表明：

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。++∞.uoR2u+u_。RFui。.C1i1ifR1iR—PD调节器前一页后一页返回第四节集成运放在信号处理方面的应用

一、有源滤波器二、电压比较器前一页后一页返回一、有源滤波器滤波器：

选频电路。它能选出有用频率信号，而抑制无用频率信号。无源滤波器：

由电阻、电容和电感元件组成的滤波器。有源滤波器：

由运算放大器组成的滤波器。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。特点：体积小、效率高、频率特性好。前一页后一页返回二、电压比较电路

电压比较电路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。功能：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。前一页后一页返回电压传输特性-Uo+Uo有运放处于开环状态1、基本电压比较器

可见，在ui

=UR

处输出电压uo发生跃变。门限电平：输出状态转换所对应的输入电压。即uiuooUR++∞uiuou+u_。。

R1+_URR2uitoouot+UO–UOt1t2UR电压传输特性-Uo+UouiuooUR单限电压比较电路：