第11章 运算放大器

+VCCRBRCC1C2T

固定偏置共射极放大电路uiRSusuoRLVCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分压式偏置电路能够自动稳定静态工作点射极输出器(共集电极放大电路)T++uiuoRSC1RBC2RERL+VCC静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法放大电路的分析（重点）第11章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍11.2放大电路中的负反馈11.3运算放大器在信号运算方面的应用11.1.1运算放大器的组成11.1运算放大器的简单介绍2、集成电路的特点1.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；3.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；4.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。1、概述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。3、集成运放的结构和符号a.集成运放的内部电路结构框图输入级偏置电路输出级中间级输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器中间级—电压放大器b.集成运算放大器的符号＋－u－u+uo－＋＋u－u+uo∞反相输入端同相输入端

ri

大:几百k以上c.运放的特点：共模抑制比KCMR很大ro

小：几十几百

开环Ao

很大:104107理想运放：ri

KCMR

ro

0Ao

－＋＋u－u+uo∞输入级中间级输出级-UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2ISd.原理框图：＋

–＋＋＋

–

–输入级中间级输出级+UCCUEE

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS对输入级的要求：尽量抑制零点漂移和共模噪声

,

增大输入阻抗ri。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。输入级中间级输出级UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级UEE+UCC

u+uo

u–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS对输出级的要求：主要提高带负载能力，即输出阻抗ro小。给出足够的输出电流io

。F007电路原理图信号测量放大器应用举例1.运算放大器的电压传输特性

uo=

f

(

ui

),其中

ui

=

u+–

u–

11.1.2理想运算放大器及其分析依据uiuo++–2.理想运放工作在线性区的分析依据+iiuiriduO“虚断路”原则(1)+–uiiirid=对于理想运放:相当于两输入端之间断路ii

0rid,“虚短路”原则(2)2.理想运放工作在线性区的分析依据uiuO++–相当于两输入端之间短路ui

0,对于理想运放u–u+Auouo=ui–u–=uAuo+“虚断路”成立；3.理想运放工作在非线性区的分析依据注意:u+=u–

不一定成立！运放工作在线性工作状态的必要条件：必须引入深度负反馈。输出u0只有两种可能：u+>u-时，u0=UOM;u+<u-时，u0=-UOM;11.2放大电路中的负反馈凡是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，与输入信号迭加，就称为反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。VCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分压式偏置电路能够自动稳定静态工作点RE即直流负反馈元件例：11.2.1反馈的基本概念正反馈xd

=

xi

+

xf负反馈xd=

xi

–

xfA=

xo

/

xdF=

xf

/

xoAf

=—

=

——–xoxiA

1+

AFAFxoxixdxf闭环放大倍数（负反馈）xi

—总输入信号xd

—净输入信号xf

—反馈信号开环放大倍数反馈系数xo—输出信号反馈：将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。,AF>0－＋＋A0uouI开环－＋＋A0uouIR1R2闭环R1、R2组成反馈网络例：反馈极性的判断：瞬时极性法先假设输入端信号在某一时刻对地的极性，依此向输出端逐级判断电路中各相关点电位的极性或电流的流向，从而得到输出信号的极性；再判断出反馈信号的极性，若反馈信号使基本放大电路的净输入信号减小，则为负反馈，否则为正反馈。+–R1，R2:引入负反馈+iiiFiduIR1－＋＋A0uoR2R1R2R3RFDzuOuiUZ+RF,R2:引入正反馈ud例：同相比例运算电路R2uiu

oRLRFR1++ud+RF,R1:引入负反馈例：VCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分压式偏置电路RE:引入直流负反馈++例：uiuoR1RLRuf+--+ud++i0+R:引入交直流负反馈例：+-R1R3R5A1A2R4R2+-vivo例：+R5：局部反馈++—正反馈→←←判断反馈的极性—负反馈R1R3R5A1A2R4R2vivo例：+R2：全局反馈

––→↑→判断反馈的极性11.2.1反馈的基本概念AFxoxixdxfA=

xo

/

xd开环放大倍数F=

xf

/

xo反馈系数反馈：将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。Af

=—

=

——–xoxiA

1+

AF闭环放大倍数（负反馈）,AF>0负反馈交流反馈直流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稳定或提供静态工作点11.2.2

负反馈的类型串联反馈：ui=

uid+uf输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；例图uiuoR1RLRuf+--+ud++i0uf≈i0R并联反馈：ii

=

iid

+if例图uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif≈

–—oRF输入信号和反馈信号加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈；电压反馈：例图uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif≈

–—oRF

反馈在输出端与u0在同一端时，为电压反馈反馈信号取自输出电压信号并与之成正比。电流反馈：例图uiuoR1RLRuf+--+ud++i0uf≈i0R

反馈在输出端与u0不在同一端时，为电流反馈反馈信号取自输出电流信号并与之成正比。－＋＋A0uo+_+_uiRRL例1：判断反馈的组态。串联电流+++∴R引入交直流负反馈电压负反馈iR2uu

oRLRFR1RFR1引入串联例2：判断反馈的组态。T++射极输出器uiuoRSC1RBC2RERL+VCC++RE:串联电压负反馈例3：判断反馈的组态。++uoR2RF引入极间：负反馈uf+串联电流例4：判断反馈的组态。RF

1

、RF2分别引入本极：并联电压负反馈uiRRF1RF2N1N2N3uORF1并联电压负反馈(级间)RF2串联电压负反馈(级间)例5：判断RF1、RF2引入的反馈组态。11.2.4负反馈对放大电路性能的影响反馈放大电路的基本方程反馈系数净输入信号开环放大倍数闭环放大倍数反馈电路F–基本放大电路A+1.降低放大倍数负反馈使放大倍数下降。则有：同相，所以

AF是正实数负反馈时，|1+AF|称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强，Af也就愈小。射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈。2.提高放大倍数的稳定性引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。若|AF|>>1，称为深度负反馈，此时：在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。1）.串联反馈使电路的输入电阻增加：i3.对输入电阻的影响T++射极输出器：输入电阻大uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE:电压串联负反馈2)并联负反馈使电路的输入电阻降低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4.对输出电阻的影响T++射极输出器：输出电阻小uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE:电压串联负反馈5.改善波形的失真uf加入负反馈无负反馈FufAuiuo+–uiduo大小略大略小略小略大uiA接近正弦波改善了波形失真6.对通频带的影响引入负反馈使电路的通频带宽度增加：fA(f)OAm0.707AmfLfHBWAf(f)Amf0.707AmffLffHfBWf11.3运算放大器在信号运算方面的应用理想运放工作在线性区的分析依据+iiuiriduO“虚断路”原则ii

0(1)+–“虚短路”原则(2)u–u+11.3.1

比例运算电路RF引入深度负反馈uii1

=

—–R1uif

=

–—oRFuo

=

uiRFR1故：uiuoi1ifRFR1R21.反相比例运算电路由虚断路：i1

if且u+=0；称：“虚地”

u+

u–=

0由“虚短路”原则：虚地：ui1

=—iR1例:反相比例运算电路,设:

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3uiuouo=R4R3R4+uo得'uoif

=–RF'RFRR12uiuo2.同相比例运算电路ufRFR1uo

=

1+

u+

=

1+

uiRFR1虚断路id

0虚短路uiu=+uou

=

——–

fR1R1RF+u-u=+故有：u-u

=

f_++uiuo此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与射极输出器相同，但是电压跟随性能好。电压跟随器理想运放工作在线性区的分析依据+iiuiriduO“虚断路”原则ii

0(1)+–“虚短路”原则(2)u–u+uo

=

uiRFR1uiuoi1ifRFR1R2反相比例运算电路RFRR12uiuouf同相比例运算电路uo

=

1+

uiRFR1F1u

o3Pui1

ui3ui2

u

=–(

+

+

)

ui2

oui1

ui3

RFRFRFR1R2R3i1i2i3ifＲＲＲＲＲ11.3.2

反相加法运算电路2uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析ui1i2u"u0=u'o+u0=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″=

1

+

ui2RFR1R2+R3R311.3.3

减法运算电路

11ui121例：两级反相输入减法运算电路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2F2uo=

—–

•

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12F1F2F2uo1uO

=

(1

+

)(ui2–ui1)RFR2R1RP3.精密测量放大电路１ui反相积分运算电路CFuoＲＲ211.3.4积分电路由虚断和虚地ui1

=——iR1iC

=i1iCuC

duCdt

CF

—–iC

=

uO=–uC可得=

–

——–uoR1CF１uidt∫作业题11.3.13:已知电源电压为±15V，ui1=1.1V,ui2=1V。问：输出电压uo由0上升到10V所需时间。uuOi

11.3.5反相微分运算电路C1

duidtuo=

–

RF

C1

–—uouiＲＲF输出