第8章 运算放大器

第八章集成运算放大器（中）电工电子学B南京工业大学信息学院第八章集成运算放大器8.1集成运算放大器概述8.3运算放大器在信号运算方面的应用8.4运算放大器在信号处理方面的应用8.2运算放大电路中的负反馈集成电路：相对于分立元件而言，即把整个电路中的元器件及各元件间的连接制作在一块半导体芯片上，构成具有特定功能的电子电路。集成电路按功能：数字集成电路模拟集成电路：集成运算放大器1、了解集成运放的基本组成、特点、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。3、掌握理想运算放大器的分析方法。4、理解用集成运放组成的比例、加、减、微分和积分电路的结构、工作原理。5、理解用集成运放组成的电压比较器的工作原理。本章要求：8.1集成运算放大器概述一、集成运算放大器的特点及组成

集成运算放大器是一种具有高放大倍数的直接耦合放大器。是一种常用的模拟集成电路。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸

ri

高:几十k

几百kKCMR（共模抑制比）很大

ro

小：几十

~几百

Auo

很大:104~107组成：由四个基本部分组成输入级中间级输出级偏置电路u-u+uo集成运放的组成输入级：采用带恒流源的差动放大电路，尽量减小零点漂移,提高KCMR

,提高输入阻抗Ri。中间级：提供足够大的电压放大倍数，又称电压放大级。常采用带恒流源的共射放大电路。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。偏置电路：为各级提供合适的偏置电流。++Aouou

+u-。。

。+UCC－UEE运放的符号：二、运放外形：81圆壳式双列直插式123456782－反相输入端，输出与输入反相3－同相输入端，输出与输入同相4－负电源端7－正电源端6－输出端1和5－外接调零电位器8－空端三、集成运放的特性1)开环差模电压增益Ao：指运放输出端与输入端之间无外加回路(称开环)时，输出电压与输入电压的比值。

是决定运放运算精度的主要因素。越大越好。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、主要参数6)共模输入电压范围UICM7)共模抑制比KCMR2、集成运放的电压传输特性指开环应用时输出电压与输入电压的关系曲线：+Uo(sat)-Uo(sat)ud

=u+－u-

uo线性区负饱和区正饱和区可见，集成运放有两个工作区：线性区、饱和区工作在线性区时：工作在饱和区时：Uo+、Uo-的绝对值分别小于正负电源值四、理想运算放大器及其分析依据1、理想运算放大器

Ao

，KCMR，rid

，ro02、理想运放的电路符号和电压传输特性Uo

+Uo

-ud

=u+－u-

uouo++u

+u-。。

。3、理想运放工作在线性区时的分析依据∵Ao

=

，uo为有限值①“虚短”：差模输入电压约等于0，即u+=u－②“虚断”：输入电流约等于0，即i+=i－0++∞uou-。u+i+i-∴u＋－u－

0可以认为集成运放的两个输入端电位相等，象短接一样，称为“虚短”。∵rid＝∴两个输入端的电流视为0，好像输入端与运放断开一样，称为“虚断”。一、反馈的基本概念反馈：将放大电路输出端信号(电压或电流)的一部分或全部引回到输入端。8.2放大电路中的负反馈直流反馈：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。在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。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。在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。正反馈：反馈信号增强净输入信号，使放大倍数提高。引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点。反馈的分类反馈放大电路的三个环节：基本放大电路比较环节1、反馈的定义和表示法反馈电路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2、负反馈放大电路的一般表达式引入反馈后，反馈放大电路的放大倍数称为闭环放大倍数，用Af表示，则反馈放大电路的基本关系式：引入负反馈后，净输入信号Xd减小，从而使闭环放大倍数下降，即∴∴越大，越小，反馈越强烈。若称为深度负反馈，此时：在深度负反馈的条件下，闭环放大倍数Af取决于反馈系数F，与开环放大倍数Ao无关。——反馈深度反映了负反馈的强弱程度。二、负反馈的类型1.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。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，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，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。2、反馈的判别分析步骤：2)判别是否负反馈？1)找出反馈网络（一般是电阻、电容）。3)是负反馈！判断是何种类型的负反馈？2、反馈的判别分析方法：1)反馈极性的判别：瞬时极性法a、先假设输入信号的瞬时极性，并用符号、表示；－＋b、沿反馈环路逐步判定并标出有关各点信号的极性，确定反馈信号的瞬间极性；c、根据反馈信号对输入信号的作用判定正负反馈。如果反馈信号使输入信号加强则为正反馈；如果反馈信号使输入信号减弱则为负反馈。在单级集成运放放大电路中，当反馈信号引到同相端时为正反馈，引到反相端时为负反馈。2、反馈的判别方法分析方法：2)反馈方式的判别：a、在输出回路：根据反馈信号的采样判定是电流反馈还是电压反馈。将采样输出端短路（令uo＝0），若反馈信号消失则为电压反馈，否则为电流反馈。将采样输出端开路（令io＝0），若反馈信号消失则为电流反馈，否则为电压反馈。2、反馈的判别方法分析方法：2)反馈方式的判别：b、在输入回路：判定是并联反馈还是串联反馈。若反馈信号和输入信号在输入端以电压加减形式出现，则为串联反馈；若以电流加减形式出现则为并联反馈。根据电路结构：若反馈信号和输入信号接在放大器同一点则为并联反馈，否则为串联反馈。例1：

1)判定反馈元件（电阻和电容）

(1）连接在输入与输出之间的元件。

(2）输入回路与输出回路所共有的元件。电阻Rf连接输入回路和输出回路，所以Rf是反馈元件。uo+++－－+uf－+uiudR1R2RfRL+－＋＋＋

2)判定反馈极性瞬时极性法反馈信号为正，加在反相输入端，使得净输入减小，为负反馈。

3)判定反馈类型输出端短路uf消失，则为电压反馈；在输入端以电压加减形式出现（或电路结构）可见为串联反馈反馈类型：电压串联负反馈判断反馈类型4）反馈过程分析：当ui一定时，负载变化可见，通过反馈的引入，使得输出电压得到稳定5）电路分析计算：由“虚断”：由“虚短”：＋＋＋uo+++－－+uf－+uiudR1R2RfRL+－Rio

1)判定反馈元件（电阻和电容）

(1）连接在输入与输出之间的元件。

(2）输入回路与输出回路所共有的元件

2)判定反馈极性瞬时极性法

3)判定反馈类型电阻Rf连接输入回路和输出回路，所以Rf是反馈元件，与R1组成反馈网络。反馈信号为正，加在反相输入端，使得净输入减小，为负反馈。输出端短路uf不消失，则为电流反馈；或者计算uf的值（正比与io）在输入端以电压加减形式出现（或电路结构）可见为串联反馈反馈类型：电流串联负反馈例2、判断电路的反馈类型4）反馈过程分析：当ui一定时，负载变化可见，通过反馈的引入，使得输出电流得到稳定5）电路分析计算：由“虚断”：由“虚短”：三、负反馈对放大电路性能的影响基本放大电路Ao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1.对放大倍数的影响闭环放大倍数开环放大倍数负反馈使放大倍数下降。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：放大倍数的相对变化：Af的变化量为A的引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。2.改善波形的失真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，而不能完全消除失真。uoAF3.展宽通频带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+–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8.3集成运放

在信号运算方面的应用一、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+平衡电阻，保证输入端对地的静态电阻相等R2=R1//Rf一、比例运算∵

虚短∴

u-=u+=0

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

若取Rf＝R1，则uo＝-ui，Auf＝-1。电路为反相器。

⑤电压并联负反馈，输入、输出电阻低，

ri

=R1。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∵虚短

∴∵虚断++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1iFi1输入电阻高2、同相输入比例运算（1）电路组成（2）电压放大倍数电压串联负反馈当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。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。二、加法运算

1、反相加法运算∵虚短u-=u+=0当Rf＝Ri1＝Ri2时，uo＝－(ui1＋ui2)∵虚断++∞...ui2ui1uoR2RFu+u_。。

Ri1Ri2。i1i2iFi-i1+i2=if，即∵2、同相加法运算

根据叠加原理：

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时++∞..uoRFu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri1分析方法一：思考分析方法二：++∞..uoRFu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri1也可写出u-和u+的表达式，利用u-=u+的性质求解。++∞..uoRFu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri2++∞...ui2ui1uoR2RFu+u_。。

Ri1Ri2。反相加法运算电路同相加法运算电路1、输入电阻低；1、输入电阻高；反相加法运算电路的特点：同相加法运算电路的特点：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；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；三、减法运算由虚断可得：由虚短可得：分析方法一：++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2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要求电阻必须对称，但是输入电阻不高。可采用同相输入减法器++∞..ui1ui2uo1R4R2R1。R3++∞..uoR1。R2。同相输入减法运算第一级为同相输入比例运算第二级为减法运算四、积分运算由虚短及虚断性质可得

i1=if，u+=u-=0iF=?CF++∞.uoR2u+u_。R1ui。.i1if+–则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线性积分时间输出电压随时间线性变化t0uiuot0-UOM+UOM输入为方波，输出为三角波。因此，积分电路除了具有运算功能外，还可用于波形转换。五、微分运算uot0t0ui++∞.uoR2u+u_。uiRF。.C1i1if由虚短及虚断性质可得8.4运放在信号处理方面的应用一、有源滤波器二、采样保持电路三、电压比较器会分析、画传输特性、根据输入波形画输出波形了解概念一、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1.有源低通滤波器前一页后一页返回电路能使低于0（0＝1/RC）的信号顺利通过，衰减很小；而使高于0的信号不易通过，衰减很大。2.有源高通滤波器电路使频率大于0

的信号通过，而小于0

的信号被阻止3.带通滤波器和带阻滤波器带通滤波器使通频带范围内的信号可以通过，通频带以外的信号被阻止二、采样保持电路采样保持电路多用于模一数转换电路（A/D）它是将随时间变化的模拟量转换成数字量，然后供计算机进行数据处理。由于A/D转换需要一定的时间，所以在进行A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，才能满足A/D转换电路的需要。前一页后一页返回三、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。前一页后一页返回理想运放工作在非线性区的特点：①输出只有两种可能+Uo

或–Uo

当u+>u－

时，uo

=+Uo

u+<u－

时，uo

=

–

Uo

不存在“虚短”现象

②i+=i－

0仍存在“虚断”现象电压传输特性

+Uo–

Uoud

=u+－u－

uo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、基本比较电路

可见，在ui

=UR

处输出电压uo

发生跃变。阈值电压（门限电平）：输出状态转换所对应的输入电压。即uiuooUR++∞uiuou+u_。。