第十章集成运算放大器

第十章集成运算放大器10.1

集成运算放大器概述10.3

负反馈对放大电路性能的改善10.2

反馈的基本概念10.4

理想运算放大器10.5

基本运算放大器10.6

电压比较器10.7

RC正弦波振荡电路第10章目录集成电路的特点1.元器件参数的一致性和对称性好；2.二极管大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，电位器均需外接；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。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。10.1

集成运算放大器概述第10章10

1

(一)集成运算放大器的组成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—电压放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成输入输出第10章10

1输入级偏置电路中间级输出级输出集成运放

741的电路原理图+VCCuo+-反相输入-VEE同相输入T12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C

第10章10

1uduou+u

集成运算放大器的符号输出端反相输入端同相输入端信号传输方向理想运放开环电压放大倍数AO实际运放开环电压放大倍数

(一)集成运算放大器的组成第10章10

1

（二）运算放大器的电压传输特性UOM-UOMUim-Uim

uo=f

(

ud

)

,其中

ud

=

u+-u

uduoo线性区uo

=Ao

ud

正饱和区

uduo++

Ao负饱和区

u+u

第10章10

1正反馈xd=xi

+

xf负反馈xd=xi

xfA=

xo

/

xdF=

xf

/

xo放大电路反馈电路xoxixdxf

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。10.2

反馈的基本概念第10章10

2（一）负反馈分类1.串联反馈2.并联反馈反馈信号与输入信号以并联的形式作用于净输入端。并均以电流的形式出现。反馈信号与输入信号以串联的形式作用于净输入端。并均以电压的形式出现。ud=ui

-uf<uiid=ii

-if<ii放大电路反馈电路idiiifRLuo反馈电路放大电路uiudufRLuo第10章10

2举例串联反馈并联反馈id=ii

-

if<

iiud=ui

-uf（一）负反馈分类ifidiiR1uiuo

RfR2A0++RLuduiuoRLR1R2A0++Rf

+uf第10章10

23.电压反馈4.电流反馈反馈信号取自输出电压，与输出电压成比例。uf与uo成正比，为电压反馈。反馈信号取自输出电流，与输出电流成比例。if与io成正比，为电流反馈。ioif反馈电路放大电路uiudufRLuo反馈电路放大电路uiudufRLuo（一）负反馈分类第10章10

2举例uf=uo

R1Rf+R1uf与uo成正比串联电压负反馈uduiuoRLR1R2A0++Rf

+ufuf与io成正比串联电流负反馈（一）负反馈分类设Rf

>>R,uduiRLR1R2A0++Rf

+uf+

ioRif+

uRuR=ioRuf=uRR1

/(Rf+R1)

uf=ioR

R1

/(Rf+R1)

第10章10

2举例并联电压负反馈ifidiiR1uiuo

RfR2A0++RLuiRLR1R2A0++Rfii+

ioR+

ifid并联电流负反馈第10章10

2并联电压负反馈串联电压负反馈并联电流负反馈串联电流负反馈串联反馈：xi与

xf分别接在运放两个输入端并联反馈：xi

与xf接在运放同一个输入端xf直接接在输出端，若将输出端短路，则uo等于零，为电压反馈；否则为电流反馈。

反馈类型：（二）负反馈的判断是压是流看输出;是并是串看输入第10章10

2Rf电压串联正反馈(级间)Rf1电压串联负反馈(本级)Rf2电压并联负反馈(本级)例：判断Rf、Rf1、Rf2反馈类型。R11RfA0++A0++Rf1Rf2ui

+ud

+ufR12u01R21R22u0ui

u01

u0

uf

ud=ui

uf

瞬时极性法：第10章10

2分析分压式偏置电路中的反馈。+UCCRCC1C2TRLRB2RE++RB1uoRSuS瞬时极性法：ui

uBE

iE

REiE

uBE=ui

REiE

串联电流负反馈直流反馈：反馈信号是直流分量。交流反馈：反馈信号是交流分量uiBEC第10章10

210.3

负反馈对放大电路性能的改善Af

=—

=

———xoxiAo1+

AoF闭环放大倍数当AoF>>1时称为深度负反馈1.提高放大倍数的稳定性——=———11+

AFdAfAfdAoAo——2.加宽了通频带无负反馈0.707AoAfffLfH有负反馈AoAfAo0.707AffLffHfOBfBo第10章10

3uouo3.改善非线性失真加入负反馈无负反馈4.

改变输入电阻和输出电阻串联负反馈提高输入电阻

rif

>ri并联负反馈降低输入电阻

rif<ri电流负反馈提高输出电阻

rof>ro电压负反馈降低输出电阻

rof<ro5.电压负反馈稳定了输出电压。电流负反馈稳定了输出电流。10.3

负反馈对放大电路性能的改善第10章10

3=uoudAo（一）理想运算放大器的主要条件：1.开环电压放大倍数AO接近于无穷大u+

>

u–时，

uo=+UOM

+UCCu+<

u–时，

uo=–UOM

–UCC2.开环输入电阻ri接近于无穷大3.开环输出电阻ro接近于零riro010.4

理想运算放大器++

idudriuou–u+

第10章104相当于两输入端之间短路idudri=u+

u–

相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称

“虚断路”id

0=uoudAo(二)理想运算放大器在线性区工作的基本依据：=uoAoud但又未真正短路，故称

“虚短路”2.输入电阻ri接近于无穷大ud

=

u+

u–

01.开环电压放大倍数Ao接近于无穷大，引入深度负反馈后，uo为有限值。++

idudriuou–u+

++

idudriuou–u+

第10章104由“虚断路”原则

id=0,有u+=0

由“虚短路”原则u+

u–=0

结论：反相输入端为“虚地”。3.当同相输入端接地时，ifidiiR1uiuo

RfR2

++RL4.有载和空载时的输出电压相等(二)理想运算放大器在线性区工作的基本依据：第10章104“虚断路”原则存在（三）理想运放非线性工作的分析依据注意：“虚短路”原则

不成立！第10章104（一）比例运算电路虚断：id=0虚地：uii1

=—R1i1=if

uo

=

uiRfR1故有：平衡电阻

R2=R1//Rfifidi1R1uiuo

RfR2

++RL1.反相比例运算电路并联电压负反馈uoif

=

—Rf闭环电压放大倍数：Af

=

RfR110.5

基本运算放大器第10章105又uii1

=——R1例：设

Rf

>>R4

,求Af.u'o

=R4R3R4+uo解：R4R3R4+uo=-Rf1且

i1=if

由Rf

>>R4

,得则Af=

=

-R1Rf(1+)R4R3uiuou'o1.反相比例运算电路uiR3R1R2

++Rfi1+

R4+ifuou

oif

=

—Rf第10章1052.同相比例运算电路虚断：

id=0虚短：u+=

uiuiuoRLR1R2

++Rf

+ufuf=

uoR1R1+Rfu+

u–=uf=ui则uo=R1Rf）ui（1+Af=

=R1Rfuiuo1+同相跟随器uo=

uiuiuo

++id第10章105若R11=R12=R1

uo=-（

+）

ui2ui1

RfRfR11R12ii1

+ii2=ifuo

=–Rfif=

–Rf

(ii1

+ii2)

（二）加法运算电路ifii1R12ui1uo

RfR2

++RLR11ui2ii2ui1ii1

=—R11ui2ii2

=—R12则

uo=

-

（

ui1+ui2

）

RfR1平衡电阻R2=R11//R12//Rf第10章105u+=ui2

R3R2+R3利用叠加原理ifR1ui1uo

RfR2

++RLui2R3ui1单独作用时：uo1

=

ui1RfR1ui2单独作用时：ui1

和ui2同时作用时：uo2=R1Rf）u+（1+uo2=R1Rf）（1+ui2

R3R2+R3uo=uo1+uo2

=

ui1RfR1+R1Rf）（1+ui2

R3R2+R3（三）减法运算电路第10章105RLui1

和ui2同时作用时：ifR1ui1uo

RfR2

++ui2R3uo=uo1+uo2

=

ui1RfR1+R1Rf）（1+ui2

R3R2+R3平衡电阻R2//

R3=R1//Rf若R1=R2=R3=Rf，则uo=ui2

ui1（三）减法运算电路第10章105R13uo

Rf2R22

++RLR12ui2R11ui1uo1

Rf1R12

++Rf1uo1ui1R11=–—

两级反相输入减法运算电路uoui2Rf2R12=–—

uo1Rf2R13–—

uoui2Rf2R12=–—

Rf2R13+—

Rf1ui1R11—

（三）减法运算电路第10章105例：已知ui1=0.1V,ui2=0.2V,ui3=0.3V

求uo。N1ui3ui1

30K

N2uoui2

30K

30K

10K

10K

10K

10K

10K

uo1uo1=–ui1–ui2uo

=–uo1+2u+

u+=ui3

1/2

uo

=+ui1+ui2+2ui3

1/2=ui1+ui2

+

ui3

uo=0.1+0.2+0.3=0.6V

第10章105uiuo若输入为方波则输出波形为uo

=–Rf

ifui=uCif=i1=Cdtdui（四）微分运算电路u+

u–=0ifi1uiuo

RfR2

++RL+uC

u+u–uo

=–RfCdtdui平衡电阻R2=Rf第10章105由于微分和积分互为逆运算，将电容与电阻位置对调即可。（五）积分运算电路RLifi1uiuo

R1R2

+++uC

u+u–if=i1=CdtduCi1=

uiR1

uo=-uC=

∫i1dt1C所以

uo=

∫ui

dt1CR1tuiUi0tuo

UOM0平衡电阻R2=R1第10章105UxUoV+—1.同相输入式直流电压表原理电路R1R2RF集成运放在信号测量方面的应用Uo=（1+RFR1）Ux第10章105RFuoR++N1N2N3ui2R1R1RPABRRFuo2uo12.测量放大器ui1uo=

(1+

)(ui2-ui1)RFR2R1RP第10章105ui为输入电压UR为参考电压ui>UR时，uo=–UOMui

UR时，uo=+UOM（一）基本电压比较器10.6

电压比较器R1R2uouiUR

1.

反相输入UOM-

UOMuiuo0UR电压传输特性第10章106（一）基本电压比较器uoUOM-UOMuio10.6

电压比较器R1R2uoui

当UR=0，称过零比较器电压传输特性ui>0时，uo=

UOMui

0时，uo=+UOM第10章106ui>UR时，uo=+UOMui

UR时，uo=–UOMUOM-UOMuiuooUR•2.

同相输入R1R2uouiUR

电压传输特性（一）基本电压比较器第10章106UR=0R1R2uoui

ui>0时，uo=+UOMui

0时，uo=–UOMuo-UOMuiUOMo电压传输特性2.

同相输入（一）基本电压比较器第10章106例题：试根据ui的波形画出uo的波形。tuiotuooUOM-UOMR1R2uoui

UOM-UOMuiouo第10章106R1R2

uoURui例：图中所示为运放组成的过温保护电路，R3是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。分析其工作原理。R3R4RKA+UCC温度未超过规定值ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不动作T温度超过规定值，ui>UR，uo=+UOM，T导通。KA动作第10章106-UZuiUZuoo1.

同相输入过零限幅比较器（二）限幅比较器R1R2uouiR3

UZDz

第10章1062.

反相输入过零限幅比较器R1R2uouiR3

UZDz

uoUZ-UZuio（二）限幅比较器第10章106电压比较器的分析方法1.

输出电压跃变的条件2.

电压传输特性输出端不接DZ时，

uo

=

UOM输出端接DZ限幅时，

uo

=

UZu+

u–u+

u–时，uo

0；

u+

<

u–时，uo

<0。

第10章106Rf=———UR

+———UOMR2

+RfR2

+RfR2u+=UH

=———（UOM–UR）+UR

R2

+RfR2（四）迟滞电压比较器当uo=+UOM，当uo=–UOM

，u+=UL

=———(

UOM–UR）+UR

R2

+RfR2Rf=———UR

–———UOMR2

+RfR2

+RfR2R1R2uouiUR

Rf第10章106uiuoUOM-UOMoULUH当ui<UL,u+

u–uo=+UOM

,u+=UH；当ui>UH

，u+

<

u–uo=-UOM

,u+=UL；当ui<UL,u+

u–uo=+UOM

,u+=UH。（四）迟滞电压比较器R1R2uouiUR

RfU=UH

UL迟滞宽度第10章1061.产生自励振荡的条件Uf=•Ui•建立自励条件Uo•Ud•AoF=Uo•Uf•=1Uo•AoUi=•（一）自励振荡10.7

RC正弦波振荡电路没有外加输入信号作用，依靠电路自身的条件而产生一定频率和幅值的交流输出信号的现象称为自励振荡。Uf=F•Uo•又反馈电路F放大电路AOUiRL•Uf•+

+Uo•

+第10章107自励振荡的条件:(1)相位条件:反馈电压Uf与输入电压•Ui•同相,即正反馈，=

A

F+=2n

(n=0,1,2…)(2)幅度条件：反馈电压与输入电压的大小相等，Uf

=UiUo•Ud•AoF=Uo•Uf•=1第10章107（一）自励振荡

Ao

F1才能起振2

起振过程振荡建立时应满足：Uf>Ui不断通过放大反馈再放大再反馈，使Uo不断增大，一直到晶体管进入饱和状态Ao开始减小，当Ao减小到满足Ao

F=1时输出电压不再增加，振荡达