集成运算放大器

集成运算放大器7.1

集成运算放大器概述集成运算放大器的特点和组成集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。特点：高增益、小尺寸，输入电阻大，输出电阻小，零点漂移小，抗干扰能力强输入级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—电压放大器第2页,共71页，2024年2月25日，星期天+UCC–UEEuoU+U-电路的简单说明输入级中间级输出级反相输入端输出端同相输入端输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，

中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。第3页,共71页，2024年2月25日，星期天uiuou+u–2.集成运算放大器的符号输出端反相输入端同相输入端A0信号传输方向开环电压放大倍数第4页,共71页，2024年2月25日，星期天RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––7.2.1

什么是放大电路中的负反馈反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。7.2

放大电路中的负反馈esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS通过RE将输出电压反馈到输入通过RE将输出电流反馈到输入第5页,共71页，2024年2月25日，星期天反馈放大电路的三个环节：基本放大电路比较环节反馈放大电路的方框图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开环放大倍数反馈电路F–基本放大电路A+闭环放大倍数第6页,共71页，2024年2月25日，星期天2.

反馈的类型1)正反馈和负反馈反馈信号与输入信号作用相同，使净输入信号增加。这种反馈称为正反馈；反馈信号与输入信号作用相反，使净输入信号减小。这种反馈称为负反馈；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。第7页,共71页，2024年2月25日，星期天2)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。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。3)

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。第8页,共71页，2024年2月25日，星期天直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。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。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：稳定静态工作点第9页,共71页，2024年2月25日，星期天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负反馈的类型稳定静态工作点第10页,共71页，2024年2月25日，星期天3.反馈类型的判别步骤2)

判别是否负反馈？3)

是负反馈！判断是何种类型的负反馈？1)

找出反馈网络（一般是电阻、电容）。第11页,共71页，2024年2月25日，星期天

1

判别反馈元件（一般是电阻、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。uoRFuiR2R1++––++

–

RLuoRFuiR2R1+–++

–

+–RL第12页,共71页，2024年2月25日，星期天

2

利用瞬时极性法判断负反馈i1if

iduoRFuiR2R1++––++

–

RL－

+–uf+–uduoRFuiR2R1+–++

–

+–RL

1若反馈元件接回到信号输入端一侧，则反馈信号和输入信号是以电流的形式进行比较的；

2若反馈元件接回到接地输入端一侧，则反馈信号和输入信号是以电压的形式进行比较的；

3

串联反馈还是并联反馈比较电流为并联反馈，比较电压为串联反馈第13页,共71页，2024年2月25日，星期天

4电压反馈还是电流反馈1图中反馈电流取自输出电压——电压反馈2图中反馈电压取自输出电压——电压反馈总结：反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈；第14页,共71页，2024年2月25日，星期天7.3

运算放大器电路中的负反馈并联电压负反馈i1if

iduoRFuiR2R1++––++

–

RL－

设输入电压ui

为正，差值电流id=i1–

if各电流的实际方向如图if削弱了净输入电流(差值电流)

——负反馈反馈电流取自输出电压——电压反馈

反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较——并联反馈第15页,共71页，2024年2月25日，星期天串联电压负反馈+–uf+–uduoRFuiR2R1+–++

–

+–RL设输入电压ui为正，差值电压ud=ui–

uf各电压的实际方向如图uf削弱了净输入电压(差值电压)

——负反馈反馈电压取自输出电压——电压反馈反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较

——串联反馈

第16页,共71页，2024年2月25日，星期天串联电流负反馈uouiR2RL+–++

–

ioR+–uf–+ud设输入电压ui

为正，差值电压ud=ui–

uf各电压的实际方向如图uf削弱了净输入电压(差值电压)

——负反馈反馈电压取自输出电流——电流反馈

反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较

——串联反馈

uf=Rio第17页,共71页，2024年2月25日，星期天并联电流负反馈RFR1uiR2RL+–++

–

ioRi1ifid设输入电压ui

为正，差值电流id=i1–

if各电流的实际方向如图if削弱了净输入电流(差值电流)——负反馈反馈电流取自输出电流——电流反馈

反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较

——并联反馈－

第18页,共71页，2024年2月25日，星期天例1：试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。uf+–uo1uiR+–++

–

uo++

–

RLA1A2解：因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反馈；串联反馈；因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈。－

－

串联电压负反馈先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；第19页,共71页，2024年2月25日，星期天例2：试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。解：因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是电流反馈；因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈;因净输入电流id等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。

－

并联电流负反馈uo1uiR++

–

uo++

–

RLA1A2

i1ifid第20页,共71页，2024年2月25日，星期天

1)

判别反馈元件（一般是电阻、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。例1：RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–第21页,共71页，2024年2月25日，星期天RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–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例1：第22页,共71页，2024年2月25日，星期天例1：

3)判断反馈类型净输入信号：

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——负反馈

uf正比于输出电流——电流反馈

——串联电流负反馈+uf–+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–ieube

ube

=ui-

uf

uf

=ieRE

icRC第23页,共71页，2024年2月25日，星期天分析射极输出器的反馈类型串联电压负反馈+VCCRBC1C2RSTRLui

REuS++uo

uf=uo

，输出电压全部反馈到输入端。ube

=ui–

uf，完是串联比较，且三者同相，uf

削弱了ube

，uf

第24页,共71页，2024年2月25日，星期天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+第25页,共71页，2024年2月25日，星期天1.

降低放大倍数负反馈使放大倍数下降。则有：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。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。第26页,共71页，2024年2月25日，星期天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。第27页,共71页，2024年2月25日，星期天例：|A|=300，|F|=0.01。第28页,共71页，2024年2月25日，星期天3.展宽通频带引入负反馈使电路的通频带宽度增加无负反馈有负反馈BWfBWf|Au|O第29页,共71页，2024年2月25日，星期天4.

改善波形失真Auiufud加反馈前加反馈后uo大略小略大略小略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。

uoAF小接近正弦波正弦波ui第30页,共71页，2024年2月25日，星期天uiubeib++––5.

对输入电阻的影响在同样的

ui下，ib减小，所以

rif

提高。1)串联负反馈无负反馈时：有负反馈时：uf+–使电路的输入电阻提高第31页,共71页，2024年2月25日，星期天if无负反馈时：有负反馈时：在同样的ui下，ii

=ib+if>ib，所以rif

降低。2)并联负反馈使电路的输入电阻降低iiibui+–第32页,共71页，2024年2月25日，星期天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6.对输出电阻的影响第33页,共71页，2024年2月25日，星期天理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Ao

，ri

，ro0，KCMR

2.电压传输特性uo=f(ud)线性区：uo

=Ao(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo=+UoM

u+<u–

时，uo=–UoM

+UoMuduo–UoM线性区理想特性实际特性uo++

u+u–+UCC–UEE–

饱和区

O第34页,共71页，2024年2月25日，星期天3.理想运放工作在线性区的特点所以(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–

,称“虚短”

(2)输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性++∞uou–u+i+i––

ud

uo线性区–UoM+UoM

O第35页,共71页，2024年2月25日，星期天1.

反相比例运算uoRFuiR2R1++––++

–

－－反馈电路直接从输出端引出—电压反馈输入信号和反馈信号加在同一输入端—并联反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈电压并联负反馈7.5基本运算电路第36页,共71页，2024年2月25日，星期天1.

反相比例运算（1）电路组成（2）电压放大倍数因虚断，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

所以i1

if

因要求静态时u+、u–

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF第37页,共71页，2024年2月25日，星期天结论：①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为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。第38页,共71页，2024年2月25日，星期天例：电路如下图所示，已知R1=10k

，RF=50k

。求：1.Auf

、R2；

2.若R1不变，要求Auf为–10，则RF

、R2应为多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–50

10=–5R2=

R1

RF

=1050

(10+50)=8.3k

2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)

10=100k

R2=10100

(10+100)=9.1k

uoRFuiR2R1++––++

–

第39页,共71页，2024年2月25日，星期天2.同相比例运算电压串联负反馈输入信号和反馈信号分别加两个输入端—串联反馈反馈电路直接从输出端引出—电压反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈uoRFuiR2R1++––++

–

第40页,共71页，2024年2月25日，星期天2.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

（1）电路组成（2）电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++

–

因要求静态时u+、u

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFu+u–第41页,共71页，2024年2月25日，星期天结论：①Auf为正值，即

uo与ui

极性相同。因为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。第42页,共71页，2024年2月25日，星期天当R1=

且RF

=0时，uo=ui，

Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++

–

由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++

–

左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。（完）uo+–++

–

15k

RL15k

+15V

7.5k

例：第43页,共71页，2024年2月25日，星期天加法运算电路

1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

第44页,共71页，2024年2月25日，星期天2.(补充内容）同相加法运算电路(wan)根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–第45页,共71页，2024年2月25日，星期天uoRFuiR2R1++––++

–

uoRFuiR2R1++––++

–

R3uoui++––++

–

uo+–++

–

15k

RL15k

+15V

7.5k

总结：第46页,共71页，2024年2月25日，星期天ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–第47页,共71页，2024年2月25日，星期天减法运算电路ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––R2//R3

=R1

//RF如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF输出与两个输入信号的差值成正比。第48页,共71页，2024年2月25日，星期天分析方法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。u+ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––第49页,共71页，2024年2月25日，星期天

11ui121

2.两级反相输入减法运算电路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2F2uo=

—–

•

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12F1F2F2第50页,共71页，2024年2月25日，星期天微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++

–

uitOuotOUi–Ui第51页,共71页，2024年2月25日，星期天比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分—PD调节器uoC1uiR2RF++––++

–

R1ifiRiC第52页,共71页，2024年2月25日，星期天积分运算电路由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++

–

uC+–第53页,共71页，2024年2月25日，星期天若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui

时，则uitO积分饱和线性积分时间–UoMuotO+UoM输出电压随时间线性变化Ui–Ui第54页,共71页，2024年2月25日，星期天

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。uoCFuiR2R1++––++

–

RFifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分这种运算器又称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。第55页,共71页，2024年2月25日，星期天理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Ao

，ri

，ro0，KCMR

2.电压传输特性uo=f(ud)非线性区：u+>u–

时，uo=+UoM

u+<u–

时，uo=–UoM

+UoMuduo–UoM线性区理想特性uo++

u+u–+UCC–UEE–

饱和区

O第56页,共71页，2024年2月25日，星期天1.理想运放工作在线性区的特点所以(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–

,称“虚短”

(2)输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性++∞uou–u+i+i––

ud

uo线性区–UoM+UoM

O第57页,共71页，2024年2月25日，星期天2理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

M

或–UoM

当u+>u－

时，uo=+Uo

M

u+<u－

时，uo=–

UoM

不存在“虚短”现象

2.i+=i－=0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–UoM+UoM饱和区O第58页,共71页，2024年2月25日，星期天电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。由此来判断输入信号的大小和极性。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。

运放工作在开环状态或正反馈。第59页,共71页，2024年2月25日，星期天电压传输特性

–UoM

+UoM运放处于开环状态1.基本电压比较器uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

M

u+<u–

时，uo=–Uo

M

即ui<UR时，uo=+Uo

M

ui

>UR

时，uo=–

Uo

M可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。(完)参考电压第60页,共71页，2024年2月25日，星期天关于实验:运算放大器外形图第61页,共71页，2024年2月25日，星期天判断共射放大电路的反馈类型净输入信号：

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——负反馈

uf正比于输出电流——电流反馈

——串联电流负反馈+uf–+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–ieube

ube

=ui-

uf

uf

=ieRE

icRC第62页,共71页，2024年2月25日，星期天判断射极输出器的反馈类型串联电压负反馈+VCCRBC1C2RSTRLui

REuS++uo

uf=uo

，输出电压全部反馈到输入端。ube

=ui–

uf，完是串联比较，且三者同相，uf

削弱了ube

，uf

第63页,共71页，2024年2月25日，星期天

正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。7.7正弦波振荡电路常用的正弦波振荡器LC振荡电路:输出功率大、频率高。RC振荡电路:输出功率小、频率低。

应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。第64页,共71页，2024年2月