《电工电子技术项目教程 》课件-7.项目7 集成运算放大器

电工电子技术项目化教程项目7集成运算放大器任务7.1多级放大电路任务7.2负反馈放大电路任务7.3集成运算放大器任务7.1多级放大电路一、任务引入任务7.1多级放大电路

音频功放的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。这些声音源的输出信号的电压，从零点几毫伏到几百毫伏，这样微弱的电信号，必须经过多次电压放大和功率放大，才能驱动扬声器发出声音。为此需要把若干单级放大器连接后组成多级放大电路，对微弱信号进行连续放大（往往要把毫伏级甚至微伏级的微弱信号放大数千倍乃至上万倍），使输出具有一定的电压幅值和足够大的功率，从而驱动负载工作。音频功放电路组成框图任务7.1多级放大电路二、教学目标知识目标：

掌握多级放大电路的结构、耦合方式及主要参数；

掌握多级放大电路的分析方法；

了解差动放大电路的特点及其应用。能力目标：

能够对多级放大电路的性能进行分析和应用；

能够对多级放大电路、功率放大电路和差动放大电路等进行组装和测试。素质目标:

培养学生热爱科学、实事求是的态度；

培养学生严肃认真、一丝不苟的工作作风和创新能力。任务7.1多级放大电路三、相关知识（一）多级放大电路的耦合方式1.多级放大电路的电路结构

输入级是多级放大电路的第一级，一般要求有较高的输入阻抗，所以常采用高输入阻抗的放大电路，如射极输出器等。

中间级一般承担着主要的电压放大任务，故称之为电压放大级，常采用共射级放大电路。

输出级是放大电路的最后一级，直接与负载相连，通常由推动级（也称末前级）和功率放大级组成，所放大的信号幅度很大，常称为功率放大器。任务7.1多级放大电路2.多级放大电路的耦合方式

多级放大电路中级与级之间、信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间的连接方式称为“耦合方式”。多级放大器级间耦合的条件是把前级的输出信号尽可能多地传给后级，同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放大。多级放大电路对耦合电路要求：1.静态：保证各级Q点设置合适。2.动态:传送信号。要求：波形不失真,减少压降损失。耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。任务7.1多级放大电路

直接耦合或阻容耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决；阻容耦合使前后级相对独立，静态工作点Q互不影响，可抑制温漂；变压器耦合可实现阻抗变换（不常用）。

(a)阻容耦合

(b)直接耦合

(c)变压器耦合

耦合电路的简化形式：任务7.1多级放大电路直接耦合的两级放大电路（1）直接耦合任务7.1多级放大电路1）电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。由于级间是直接耦合，所以电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。2）便于集成。由于电路中只有晶体管和电阻，没有电容器和电感器，因此便于集成。缺点：优点：1）各级的静态工作点不独立，相互影响。会给设计、计算和调试带来不便。2）引入了零点漂移问题。零点漂移对直接耦合放大电路的影响比较严重。直接耦合放大电路的优缺点任务7.1多级放大电路（2）阻容耦合阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接，其方框图如下所示。阻容耦合放大电路的方框图任务7.1多级放大电路单级阻容耦合放大电路两极阻容耦合放大电路任务7.1多级放大电路1）各级的直流工作点相互独立。由于电容器隔直流而通交流，所以它们的直流通路相互隔离、相互独立的，这样就给设计、调试和分析带来很大方便。2）在传输过程中，交流信号损失少。只要耦合电容选得足够大，则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级，实现逐级放大。阻容耦合放大电路的优缺点3）电路的温漂小。4）体积小，成本低。优点：缺点：2）低频特性差；1）无法集成；3）只能使信号直接通过，而不能改变其参数。任务7.1多级放大电路变压器耦合的两极放大电路（3）变压器耦合变压器可以通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧，因此可以作为耦合元件。任务7.1多级放大电路优点：1）变压器耦合多级放大电路前后级的静态工作点是相互独立、互不影响的。因为变压器不能传送直流信号。3）变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。缺点：1）高频和低频性能都很差；2）体积大，成本高，无法集成。变压器耦合放大电路的优缺点2）变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象。任务7.1多级放大电路（二）多级放大电路的主要参数多级放大电路的等效框图任务7.1多级放大电路1.电压放大倍数

多级放大电路中，前一级的输出信号就是后一级的输入信号。设各级放大器的放大倍数依次为Au1

、

Au2

、…、

Aun

，则多级放大电路总的电压放大倍数为各级电压放大倍数之积，对于n级放大电路，就有2.输入电阻3.输出电阻

多级放大电路的输出电阻Ro就是最后一级放大电路的输出电阻Ron

。即：

多级放大电路的输入电阻Ri

就是第一级的输入电阻Ri1

。即：4.非线性失真

对于任何放大电路，总希望它的非线性失真越小越好。在多级放大器中，由于各级均存在着失真，则输出端波形失真更大，要减小输出波形的失真，必然要尽力克服各级放大器的失真。任务7.1多级放大电路（三）功率放大电路

前面讲过多级放大电路由输入级、中间级和输出级组成。输出级要带负载，而负载可以是不同类型的装置，在电子设备中可能是扬声器音圈，或电视机的扫描偏转线圈等。在自动控制系统中，负载可能是电机或继电器，为此输出级不但要输出较高的电压，同时还要提供足够的电流，从而提供给负载足够大的功率。这种用来放大功率的放大器称为功率放大器。

功率放大电路的基本特点有以下几个：1.输出功率足够大

为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度。输出功率表示为任务7.1多级放大电路2.效率要高

所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值，它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力。即3.失真要小

通常，同一功放管输出功率越大，非线性失真越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾，要求非线性失真小，就必须限制输出功率。4.散热要好

在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。通常功放管都具有金属散热外壳，但在实际使用时，为了提高集电极允许的管耗PCM

，还要加散热片以减少热阻。任务7.1多级放大电路（四）差动放大电路1.零点漂移

用来放大直流信号的放大电路称为直流放大器，直流放大器只能采用直接耦合方式才能使直流信号逐级顺利传送，但采用直接耦合必须处理好抑制零点漂移这一关键问题。

零点漂移：将多级直接耦合放大电路的输入端短接（ui=0）后，其输出电压往往也会偏离静态值而随时间作缓慢的、无规则的变化的现象。(a)直接耦合放大电路示意图(b)=0时输出电压的波形任务7.1多级放大电路

引起零漂的原因：

环境温度的变化、电源电压的波动；放大电路采用直接耦合方式、三极管对温度的变化比较敏感等。

主要原因：

环境温度变化会使放大电路的静态工作点发生变化，并会被后面多级放大器逐级放大。

后果：放大器的级数越多，零点漂移现象越严重，以致引起输出信号失真，甚至放大器根本不能工作。

抑制零漂的主要方法：采用两个型号、特性相同的三极管构成的差动放大电路。任务7.1多级放大电路2.差动放大电路（1）电路结构特点：结构对称ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB任务7.1多级放大电路（2）抑制零漂的原理uo=UC1-UC2

=0uo=(UC1+

uC1

)-(UC2+

uC2)=0当ui1

=

ui2=0

时：当温度变化时：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2任务7.1多级放大电路uoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2（3）差模电压放大倍数Ad(值很大,>1)设uC1=UC1+

uC1

，uC2=UC2+

uC2

。因ui1=-ui2，

uC1=-

uC2，等量异向变化

uo=uC1-uC2=

uC1-

uC2=2

uC1

差模电压放大倍数：+UCC任务7.1多级放大电路（4）共模电压放大倍数AC+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2共模输入信号：ui1=ui2=uC

（大小相等，极性相同）理想情况：ui1=ui2

uC1=uC2

uo=0,等量同向变化共模电压放大倍数：（很小,<1)实际情况：因两侧不完全对称，uo

0，但很小任务7.1多级放大电路（5）共模抑制比(CMRR)的定义例:Ad=-200，Ac=0.1

KCMR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR—CommonModeRejectionRatioKCMRR=KCMR

(dB)=(分贝)其值越大，表明差放对差模信号的分辨能力越强，对共模信号的抑制作用越好。任务7.2负反馈放大电路一、任务引入任务7.2负反馈放大电路

炉温自动控制系统是根据炉子的实际温度与设定温度的偏差,自动接通或断开供给炉子的热源,以及连续改变热源功率的大小,使炉温稳定在给定范围之内,以满足热处理工艺的需要。如图所示为炉温控制系统工作原理图,炉温由感温原件测得，如果炉子实际温度比设定温度高或者低，就通过执行装置对炉子采取相应的措施以降低温度或者升高温度，最终达到稳定炉温的目的。任务7.2负反馈放大电路二、教学目标知识目标：

理解反馈的基本概念；

理解反馈的基本概念；

掌握负反馈对放大电路性能的影响。能力目标：

能够正确判断反馈的类型；

能够判断电路是否存在反馈及反馈类型。素质目标:

培养学生对实际问题进行抽象和分析的能力；

培养学生的理解和创新能力。任务7.2负反馈放大电路三、相关知识（一）反馈的基本概念1.反馈的概念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。任务7.2负反馈放大电路2.反馈放大电路的组成反馈电路的三个环节：放大：反馈：叠加：反馈框图：基本放大电路Ao反馈回路F

+–输出信号输入信号反馈信号差值信号任务7.2负反馈放大电路基本放大电路Ao反馈回路F

+–——开环放大倍数——闭环放大倍数——反馈系数任务7.2负反馈放大电路（二）反馈的类型1.根据反馈的性质不同分类放大器输出输入取+加强输入信号正反馈用于振荡器取-削弱输入信号负反馈用于放大器开环闭环反馈网络±叠加反馈信号实际被放大信号正反馈与负反馈任务7.2负反馈放大电路2.根据反馈的成分不同分类交流反馈与直流反馈交流反馈：反馈只对交流信号起作用。直流反馈：反馈只对直流起作用。若在反馈网络中串接隔直电容，则可以隔断直流，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。有的反馈只对交流信号起作用；有的反馈只对直流信号起作用；有的反馈对交、直流信号均起作用。任务7.2负反馈放大电路(3-33)增加隔直电容C后，Rf只对交流起反馈作用。注：本电路中C1、C2也起到隔直作用。+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1C任务7.2负反馈放大电路(3-34)增加旁路电容C后，Rf只对直流起反馈作用。C+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2CEC3C2+ECuoui+–T1T2RfRE1任务7.2负反馈放大电路3.根据反馈信号从输出端的取样方式不同分类电压反馈与电流反馈(3-35)电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。电压负反馈：可以稳定输出电压、减小输出电阻。电流负反馈：可以稳定输出电流、增大输出电阻。任务7.2负反馈放大电路RLuoRLuo电压反馈采样的两种形式：采样电阻很大任务7.2负反馈放大电路电流反馈采样的两种形式：RLioiERLioiERf采样电阻很小任务7.2负反馈放大电路4.根据反馈信号在输入端连接方式的不同分类串联反馈与并联反馈(3-38)串联反馈：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。并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。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。任务7.2负反馈放大电路(3-39)iifibib=i-if并联反馈ufuiubeube=ui-uf串联反馈任务7.2负反馈放大电路5.根据反馈信号从输出端的取样方式不同分类本级反馈与级间反馈(3-40)本级反馈：把本级的输出信号送回到本级的输入端，本级中出现的反馈称为本级反馈。如图中的RF1和RF2。级间反馈：把后级的输出信号回送到前级输入端，级间出现的反馈称为级间反馈。如图中的RF

。任务7.2负反馈放大电路(3-41)（三）负反馈对放大电路性能的影响1.降低放大倍数Ao开环放大倍数AF闭环放大倍数反馈深度定义：任务7.2负反馈放大电路同相，所以则有：所以，负反馈使放大倍数下降。中，

若称为深度负反馈，此时在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。任务7.2负反馈放大电路2.提高放大倍数的稳定性因此，引入负反馈使电路的稳定性提高。任务7.2负反馈放大电路3.改善非线性失真Aouiuo加反馈前加反馈后ufuiudAoF+–

改善uouo任务7.2负反馈放大电路4.拓展通频带引入负反馈使电路的通频带宽度增加：fABo

Ao

AF

BF任务7.2负反馈放大电路5.改变输入、输出电阻（1）串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。串联负反馈：并联负反馈：（2）电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。电压负反馈：电流负反馈：任务7.2负反馈放大电路1.工程应用中引入负反馈的原则四、知识拓展

（1）为了稳定静态工作点，应引入直流负反馈；为了改善电路的动态性能，应引入交流负反馈。

（2）当信号源为恒压源或内阻较小的电压源时，为增大放大电路的输入电阻，应引入串联负反馈。当信号源为恒流源或内阻较大的电压源时，为减小电路的输入电阻，应引入并联负反馈。

（3）当负载需要稳定的电压信号时，应引入电压负反馈；当负载需要稳定的电流信号时，应引入电流负反馈。

（4）若将电流信号转换成电压信号，应引入电压并联负反馈；若将电压信号转换成电流信号，应引入电流串联负反馈；若将电流信号转换成与之成比例的电流信号，应引入电流并联负反馈；若将电压信号转换成与之成比例的电压信号，应引入电压串联负反馈。任务7.2负反馈放大电路2.工程应用中引入负反馈的方法在放大电路中引入适当的负反馈的一般方法如下：

（1）根据需求确定应引入何种组态的负反馈。

（2）根据反馈信号的取样方式（电压反馈或电流反馈）确定反馈信号应由输出回路的哪一点引出。

（3）根据反馈信号与输入信号的叠加方式（串联反馈或并联反馈）确定反馈信号应馈送到输入回路的哪一点。

（4）要注意保证反馈极性是负反馈。任务7.3集成运算放大器一、任务引入任务7.3集成运算放大器

集成运放被用作电压比较器时，常见于汽车电子电路中，蓄电池电压过低报警电路就是集成运算放大器非线性应用的一个体现。蓄电池电压过低报警电路如图所示，由集成运放、电阻、稳压管及发光二极管组成。当蓄电池电压高于10V时，发光二极管因承受反向电压不发光，表示蓄电池电压正常；当蓄电池电压低于10V时，发光二极管发光，指示蓄电池电压过低。任务7.3集成运算放大器二、教学目标知识目标：

了解集成运算放大器的外形和符号；

掌握集成运算放大器的理想特性；

理解虚短、虚断的概念；

掌握集成运算放大器的应用。能力目标：

学会用两个重要特性分析集成运算放大器；

能够根据电路正确选择集成运算放大器。素质目标:

培养学生的沟通意识和团队协作精神；

培养学生的自我反思与探索能力。任务7.3集成运算放大器三、相关知识（一）集成运算放大器的基本特征

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。

集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上,组成一个不可分的整体。

集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟任务7.3集成运算放大器1.集成运放的组成运算放大器方框图

输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器

。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的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，一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。偏置电路:一般由各种恒流源等电路组成。任务7.3集成运算放大器2.集成运放的图形符号及外形

（a）运放的图形符号（b）国际常用表示符号集成运放的图形符号

(a)双列直插式(b)扁平式(c)圆壳式集成运算放大器的外形图任务7.3集成运算放大器3.集成运放的特点

（1）硅片上不能制作大容量电容，所以集成运算放大器均采用直接耦合方式。

（2）集成运放中大量采用差分放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制零点漂移和稳定工作点。

（3）电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多少。

（4）用有源元件代替大阻值的电阻。

（5）常用复合晶体管代替单个晶体管，以使集成运放性能最好。任务7.3集成运算放大器1.集成运放的主要参数（二）集成运算放大器的主要参数及理想特性

（1）开环电压放大倍数

指运算放大器在无外加反馈情况下的空载电压放大倍数（差模输入），其值越大越好。

（2）差模输入电阻

一般在几十千欧至几十兆欧范围。

越大，运放性能越好。

（3）开环输出电阻ro。

开环输出电阻越小，带负载能力越强。

（4）共模抑制比

。

用来综合衡量运算放大器的放大和抗零漂、抗共模干扰的能力，

越大，抗共模干扰能力越强。一般在65~75dB之间。任务7.3集成运算放大器2.集成运放的理想特性（1）

开环电压放大倍数

（2）开环输入电阻（3）开环输出电阻

（4）共模抑制比

由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。

在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：任务7.3集成运算放大器理想运算放大器工作在线性区的特点：因为：uo

=Auo(u+–

u–

)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”。

O任务7.3集成运算放大器1.比例运算电路（三）集成运算放大器的应用（1）反相比例运算电路因虚短,所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0

，

ifi1i–i+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任务7.3集成运算放大器例1:

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

=–5010=–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

uO任务7.3集成运算放大器（2）同相比例运算电路因虚断，所以u+=ui

因虚短，所以

u–=ui

，反相输入端不“虚地”

因要求静态时u+、u

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF任务7.3集成运算放大器

当R1=

且RF

=0时，uo=ui，

Auf=1，

称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++

–

任务7.3集成运算放大器2.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

//RF因虚断，i–=0

所以ii1+ii2=if

ii2ii1if任务7.3集成运算放大器（2）同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时任务7.3集成运算放大器方法2：

平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。任务7.3