ch5 運算放大器

1、集成電路集成電路：相對于分立元件而言，即把整個電路中相對于分立元件而言，即把整個電路中的元器件及各元件間的連接制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，的元器件及各元件間的連接制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路。構(gòu)成具有特定功能的電子電路。集成電路集成電路1.按功能分：按功能分：數(shù)字集成電路：寄存器、計數(shù)器數(shù)字集成電路：寄存器、計數(shù)器模擬集成電路：集成運算放大器模擬集成電路：集成運算放大器2.按集成度分：按集成度分：SSI、MSI、LSI、VLSI組成：組成：由四個基本部分組成由四個基本部分組成輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級偏置電路偏置電路u-u+uo集成運放的組成集成運放的組成集成運放的

2、輸入級集成運放的輸入級差動放大電路差動放大電路 集成運放電路主要采用直接耦合方集成運放電路主要采用直接耦合方式，因此需要解決零點漂移的問題。式，因此需要解決零點漂移的問題。 差動放大電路作為多級放大電路的差動放大電路作為多級放大電路的輸入級，輸入級，能夠抑制零點漂移能夠抑制零點漂移。+Aouou +u-。 。+UCCUEE運放外形：運放外形：8 1圓殼式圓殼式雙列直插式雙列直插式123456782反相輸入端，輸出與輸入反相反相輸入端，輸出與輸入反相3同相輸入端，輸出與輸入同相同相輸入端，輸出與輸入同相4負電源端負電源端7正電源端正電源端6輸出端輸出端1和和5外接調(diào)零電位器外接調(diào)零電位器8空端空

3、端2、集成運放的電壓傳輸特性、集成運放的電壓傳輸特性指開環(huán)應(yīng)用時輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系曲線：指開環(huán)應(yīng)用時輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系曲線：+Uo(sat)-Uo(sat)ud = u+u- uo線性區(qū)線性區(qū)負飽和區(qū)負飽和區(qū)正飽和區(qū)正飽和區(qū)可見，集成運放可見，集成運放有兩個工作區(qū)：有兩個工作區(qū)：線性區(qū)、飽和區(qū)線性區(qū)、飽和區(qū)工作在線性區(qū)時：工作在線性區(qū)時：)(uuAuoo工作在飽和區(qū)時：工作在飽和區(qū)時：ooUuuu時， ooUuuu時， Uo+、Uo-的絕對值分別小于正負電源值的絕對值分別小于正負電源值Uo +Uo -ud = u+u- uouo+u +u-。 。 “虛短虛短”：差模輸入電壓約等差模

4、輸入電壓約等于于 0，即，即 u+= u “虛斷虛斷”：輸入電流約等于輸入電流約等于 0，即即 i+= i 0ooooAuuuuuuA 可以認為集成運放的兩個輸入端電位相等，象短接可以認為集成運放的兩個輸入端電位相等，象短接一樣，稱為一樣，稱為“虛短虛短”。0idirui 兩個輸入端的電流視為兩個輸入端的電流視為0，好像輸入端與運放斷開，好像輸入端與運放斷開 一樣，稱為一樣，稱為“虛斷虛斷”。反饋：反饋：將放大電路輸出端信號將放大電路輸出端信號( (電壓或電流電壓或電流) )的一部的一部分或全部，通過一定的電路（反饋網(wǎng)絡(luò)）送回到輸分或全部，通過一定的電路（反饋網(wǎng)絡(luò)）送回到輸入端，來影響輸入量的

5、一種過程。入端，來影響輸入量的一種過程。直流反饋：直流反饋：反饋只對直流分量起作用，反饋反饋只對直流分量起作用，反饋 元件只能傳遞直流信號。元件只能傳遞直流信號。負反饋：負反饋：反饋信號削弱凈輸入信號，使放大反饋信號削弱凈輸入信號，使放大 倍數(shù)降低。倍數(shù)降低。在振蕩器中引入正反饋在振蕩器中引入正反饋，用以產(chǎn)生波形。用以產(chǎn)生波形。交流反饋：交流反饋：反饋只對交流分量起作用，反饋反饋只對交流分量起作用，反饋 元件只能傳遞交流信號。元件只能傳遞交流信號。 在放大電路中，出現(xiàn)正反饋將使放大器在放大電路中，出現(xiàn)正反饋將使放大器產(chǎn)生自激振蕩，使放大器不能正常工作。產(chǎn)生自激振蕩，使放大器不能正常工作。 正反

6、饋：正反饋：反饋信號增強凈輸入信號，反饋信號增強凈輸入信號， 使放大倍數(shù)提高。使放大倍數(shù)提高。引入交引入交流負反流負反饋的目饋的目的：的：改善放改善放大電路大電路的性能的性能引入直引入直流負反流負反饋的目饋的目的：的：穩(wěn)定靜穩(wěn)定靜態(tài)工作態(tài)工作點。點。反饋放大電路的三個環(huán)節(jié)：反饋放大電路的三個環(huán)節(jié)：基本放大電路基本放大電路dooXXAofXXF 比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)fidXXX反饋反饋電路電路F FfXiX反饋電路反饋電路+輸出信號輸出信號輸入信號輸入信號反饋信號反饋信號反饋系數(shù)反饋系數(shù)凈輸入信號凈輸入信號dXoX基本放大基本放大電路電路Ao放大倍數(shù)放大倍數(shù)2、負反饋放大電路的一般表達式、負反饋放大

7、電路的一般表達式正反饋正反饋 引入反饋后，反饋放大電路的放大倍數(shù)稱為閉環(huán)放引入反饋后，反饋放大電路的放大倍數(shù)稱為閉環(huán)放大倍數(shù)，用大倍數(shù)，用Af表示，則反饋放大電路的基本關(guān)系式：表示，則反饋放大電路的基本關(guān)系式：oodoooddofdoiofFAAXXFAXFXXAXXXXXA11. 引入負反饋后，凈輸入信號引入負反饋后，凈輸入信號Xd減小，從而使閉環(huán)放減小，從而使閉環(huán)放大倍數(shù)下降，即大倍數(shù)下降，即ofAA oooAFAA111oFA 越大，越大， 越小，反饋越越小，反饋越強烈。強烈。oFA1fA若若1FAo稱為稱為深度負反饋深度負反饋，此時：，此時：閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)A Af f取決于反

8、饋系數(shù)取決于反饋系數(shù)F F，與開環(huán)放大倍數(shù)，與開環(huán)放大倍數(shù)A Ao o無無關(guān)。關(guān)。反饋深度反饋深度FAAAoof1FAo1FAf1 反映了負反饋的強弱程度。反映了負反饋的強弱程度。1. 1. 負反饋的類型負反饋的類型1) 根據(jù)反饋所采樣的信號不同，可以分為根據(jù)反饋所采樣的信號不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。電壓反饋和電流反饋。 電流負反饋電流負反饋具有具有穩(wěn)定輸出電流穩(wěn)定輸出電流、增大輸、增大輸出電阻的作用。出電阻的作用。 電壓負反饋電壓負反饋具有具有穩(wěn)定輸出電壓穩(wěn)定輸出電壓、減小輸、減小輸出電阻的作用。出電阻的作用。如果反饋信號取自輸出電壓，叫如果反饋信號取自輸出電壓，叫電壓反饋電壓反饋。

9、如果反饋信號取自輸出電流，叫如果反饋信號取自輸出電流，叫電流反饋電流反饋。2)2)根據(jù)反饋信號在輸入端與輸入信號比較形根據(jù)反饋信號在輸入端與輸入信號比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋信號與輸反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電壓形式作比較，稱為入信號以電壓形式作比較，稱為串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號與輸反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電流形式作比較，稱為入信號以電流形式作比較，稱為并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大，串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大，并聯(lián)反饋使

10、電路的輸入電阻減小。并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。2、反饋的判別、反饋的判別分析步驟：分析步驟：2) 2) 判別是否負反饋？判別是否負反饋？1) 1) 找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容）。找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容）。3) 3) 是負反饋！判斷是何種類型的負反饋？是負反饋！判斷是何種類型的負反饋？2、反饋的判別、反饋的判別分析方法：分析方法：1) 1) 反饋極性的判別：反饋極性的判別：瞬時極性法瞬時極性法a、先假設(shè)輸入信號的瞬時極性，并用符號、先假設(shè)輸入信號的瞬時極性，并用符號 、 表示；表示；b、沿反饋環(huán)路逐步判定并標出有關(guān)各點信號的極性，、沿反饋環(huán)路逐步判定并標出有關(guān)各點信號的極性， 確

11、定反饋信號的瞬間極性；確定反饋信號的瞬間極性；c、根據(jù)反饋信號對輸入信號的作用判定正負反饋。、根據(jù)反饋信號對輸入信號的作用判定正負反饋。如果反饋信號使輸入信號加強則為正反饋；如果反饋信號使輸入信號加強則為正反饋；如果反饋信號使輸入信號減弱則為負反饋。如果反饋信號使輸入信號減弱則為負反饋。在單級集成運放放大電路中，當反饋信號引到同相端在單級集成運放放大電路中，當反饋信號引到同相端時為時為正反饋正反饋，引到反相端時為，引到反相端時為負反饋負反饋。2、反饋的判別、反饋的判別方法方法分析方法：分析方法：2) 2) 反饋方式的判別：反饋方式的判別：a、在輸出回路：根據(jù)反饋信號的、在輸出回路：根據(jù)反饋信號

12、的采樣采樣判定是判定是電流電流反饋反饋 還是還是電壓電壓反饋。反饋。將采樣輸出端將采樣輸出端短路短路（令（令uo0），若），若反饋信號消反饋信號消失失則為則為電壓反饋電壓反饋，否則為電流反饋。，否則為電流反饋。將采樣輸出端將采樣輸出端開路開路（令（令io0），若），若反饋信號消反饋信號消失失則為則為電流反饋電流反饋，否則為電壓反饋。，否則為電壓反饋。2、反饋的判別、反饋的判別方法方法分析方法：分析方法：2) 2) 反饋方式的判別：反饋方式的判別：b、在輸入回路：判定是、在輸入回路：判定是并聯(lián)并聯(lián)反饋還是反饋還是串聯(lián)串聯(lián)反饋。反饋。若反饋信號和輸入信號在輸入端以若反饋信號和輸入信號在輸入端以電壓

13、電壓加減形式加減形式出現(xiàn)，則為出現(xiàn)，則為串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋；若以；若以電流電流加減形式出現(xiàn)則加減形式出現(xiàn)則為為并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)：若反饋信號和輸入信號接在放大根據(jù)電路結(jié)構(gòu)：若反饋信號和輸入信號接在放大器器同一點同一點則為則為并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋，否則為串聯(lián)反饋。，否則為串聯(lián)反饋。例例1： 1) 1) 判定反饋元件判定反饋元件（電阻和電容）（電阻和電容） (1(1）連接在輸入與輸出之間的元件。）連接在輸入與輸出之間的元件。 (2(2）輸入回路與輸出回路所共有的元件。）輸入回路與輸出回路所共有的元件。電阻電阻 Rf連接輸入回連接輸入回路和輸出回路，所以路和輸出回路，所以Rf是反饋元件。是反饋

14、元件。uo+uf+uiudR1R2RfRL+ 2) 2) 判定反饋極性判定反饋極性 瞬時極性法瞬時極性法反饋信號為正，加在反饋信號為正，加在反相輸入端，使得凈反相輸入端，使得凈輸入減小，為輸入減小，為負反饋負反饋。 3) 3) 判定反饋類型判定反饋類型輸出端短路輸出端短路u uf f消失，則消失，則為為電壓電壓反饋；反饋；在輸入端以電壓加減形在輸入端以電壓加減形式出現(xiàn)（或電路結(jié)構(gòu)）式出現(xiàn)（或電路結(jié)構(gòu)）可見為可見為串聯(lián)串聯(lián)反饋反饋反饋類型：反饋類型：電壓電壓串聯(lián)串聯(lián)負反饋負反饋判斷反饋類型判斷反饋類型 4 4）反饋過程分析：反饋過程分析：當當u ui i一定時，負載變化一定時，負載變化LRouf

15、uoudu可見，通過反饋的引入，可見，通過反饋的引入，使得輸出電壓得到穩(wěn)定使得輸出電壓得到穩(wěn)定5 5）電路分析計算：電路分析計算：11RRuuAfiouf由由“虛斷虛斷”：offiuRRR uuu11 ,由由“虛短虛短”：fuuuuo+uf+uiudR1R2RfRL+uo+uf+uiudR1R2RfRL+Rio 1) 1) 判定反饋元件判定反饋元件（電阻和電容）（電阻和電容） (1(1）連接在輸入與輸出之間的元件。）連接在輸入與輸出之間的元件。 (2(2）輸入回路與輸出回路所共有的元件）輸入回路與輸出回路所共有的元件 2) 2) 判定反饋極性判定反饋極性 瞬時極性法瞬時極性法 3) 3) 判定

16、反饋類型判定反饋類型電阻電阻 Rf連接輸入回路和連接輸入回路和輸出回路，所以輸出回路，所以Rf是反是反饋元件，饋元件，與與R1組成反饋組成反饋網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。反饋信號為正，加在反反饋信號為正，加在反相輸入端，使得凈輸入相輸入端，使得凈輸入減小，為減小，為負反饋負反饋。輸出端短路輸出端短路u uf f不消失，不消失，則為則為電流電流反饋；或者計反饋；或者計算算u uf f的值（正比與的值（正比與i io o）在輸入端以電壓加減形在輸入端以電壓加減形式出現(xiàn)（或電路結(jié)構(gòu)）式出現(xiàn)（或電路結(jié)構(gòu)）可見為可見為串聯(lián)串聯(lián)反饋反饋反饋類型：反饋類型：電流電流串聯(lián)串聯(lián)負反饋負反饋4 4）反饋過程分析：反饋過程分析：當

17、當u ui i一定時，負載變化一定時，負載變化LRoifuoidu可見，通過反饋的引入，可見，通過反饋的引入，使得輸出電流得到穩(wěn)定使得輸出電流得到穩(wěn)定5 5）電路分析計算：電路分析計算：ioufuuA由由“虛斷虛斷”：offiiRRRRR uuu11 ,由由“虛短虛短”：fuuufLouRiLfRRRRRR11uo+uf+uiudR1R2RfRL+Rio例例3例例4總結(jié)總結(jié) 基本放大基本放大電路電路AodXoX反饋反饋電路電路FfXiX+dooXXAofXXFfidXXX 反饋電路的基本方程反饋電路的基本方程反饋系數(shù)反饋系數(shù)凈輸入信號凈輸入信號基本放大器基本放大器的放大倍數(shù)的放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍

18、數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)fA開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)oAdooXXAofXXF fidXXX FAAXXAooiof1AAdAFAAdff11dfXX、同相，所以同相，所以AF是正實數(shù)是正實數(shù)負反饋時，負反饋時，。AFAAf 1中，中，dfofdoXXXXXXAF 則有：則有：AAf AF11。Auiufud加反饋前加反饋前加反饋后加反饋后uoui小小大大小小大大小小大大 負反饋是利用失真的波形來改善波形的失真，負反饋是利用失真的波形來改善波形的失真，因此只能減小失真，而不能完全消除失真。因此只能減小失真，而不能完全消除失真。 uoAFoofrFAr)1(0 FArroof01 電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電

19、壓的作用，電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。 電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。1 1）電壓負反饋使電路的輸出電阻降低）電壓負反饋使電路的輸出電阻降低2 2）電流負反饋使電路的輸出電阻提高）電流負反饋使電路的輸出電阻提高引入負反饋使電路的通頻帶寬度增加：引入負反饋使電路的通頻帶寬度增加：oofBFAB)1( fAu無負反饋無負反饋有負反饋有負反饋0 ii11Ruuii FFRuui0 fii 1iFuRRu101RRuuAFi

20、ouf 平衡電阻，保證輸入端對平衡電阻，保證輸入端對地的靜態(tài)電阻相等地的靜態(tài)電阻相等R2=R1/Rf 虛短虛短 u- = u+ = 0 稱稱“虛地虛地” 反相反相 輸入運算的重要特點輸入運算的重要特點1RRuuAFiouf iFouRRu1 uo+.uiR2RFu+u_。 R1.。 。 + 例：電路如下圖所示，已知例：電路如下圖所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。 求：求：1、Auf 和和R2 ； 2、若、若 R1不變，要求不變，要求Au f為為 10，則，則RF和和R2應(yīng)為應(yīng)為 多少？多少？RF+.uiuoR2u+u_。 R1解：解：1、 Au f = RF R1 = 50

21、 10 = 5R2 = R1 /RF = 10*50 （10+50） = 8.3 k 2、 Au f = RF R1 = RF 10 = 10 RF = Auf R1 = 10 10 = 100 k R2 = R1 /RF = 10*100 （10+100）=9.1 k oFuRRRu 11 uu0 iiuu iFuRRu)1(10 11RRuuAFiouf R2=R1/Rfuiuo+.u+u_。 URLR1R2+.uoR2RFu+u_。ui。 R1 此電路是電壓此電路是電壓 串聯(lián)負反饋，輸串聯(lián)負反饋，輸 入電阻高，輸出入電阻高，輸出 電阻低，在電路電阻低，在電路 中的作用與分立中的作用與分立

22、 元件的射極輸出元件的射極輸出 器相同，但是電器相同，但是電 壓跟隨性能更好。壓跟隨性能更好。FoiiiiRuRuRu22110 iFoiiiiRuuRuuRuu 2211)(2211iiFiiFouRRuRRuR2= Ri1/ Ri2/Rf2、1212iiiiuRRRu22111)1(iiiiF ouRRRRRu F ouRRu )1(112121)1 (iiiiFuRRRRR )(1(221112121iiiiiiiiFouRRRuRRRRRu 分析方法一：分析方法一：? U22111212iiiiiiiiuRRRuRRRu uRRuFo)1(1ii根據(jù)平衡條件根據(jù)平衡條件: Ri1/Ri

23、2=R1/RF當當Ri1=Ri2=R1=RF時，時，uo=ui1+ui2+.uoRFu+u_。.ui2。 Ri2R1ui1Ri2+.ui2ui1uoR2RFu+u_。 Ri1Ri2。)(2211iiFiiFouRRuRRu)(1 (221112121iiiiiiiiFouRRRuRRRRRu 2323iuRRRu 11Riuuu uu1111 RRRuuuFioi 1123231)1(iFi FouRRuRRRRRu 平衡條件：平衡條件：R2/R3=R1/RF1123231)1(iFi FouRRuRRRRRu 如果取如果取 R1 = R2 ， R3 = RF )(121iiFouuRRu 則

24、：則： 如果取如果取 R1 = R2 = R3 = RF 12iiouuu 則：則：輸出與兩個輸入信號的輸出與兩個輸入信號的差值差值成正比。成正比。+.ui2ui1uoR3RFu+u-。 R1。R211iF ouRRu o oouuu uRRuF o)1(123231)1(i FuRRRRR +.ui2ui1uoR3RFu+u-。 R1。R2要求電阻必須對稱，但是輸入電阻不高。要求電阻必須對稱，但是輸入電阻不高?？刹捎猛噍斎霚p法器可采用同相輸入減法器+.ui1ui2uo1R4R2R1。R3+.uoR1。R2。同相輸入減法運算同相輸入減法運算第一級為同相輸入比例運算第一級為同相輸入比例運算11

25、21)1 (iouRRu第二級為減法運算第二級為減法運算)(1 ( )1 (1221121221iioiouuRRuRRuRRudtduCRucFi 1dtduCoF dtuCRuiFo 11dtduCicFf 111RuRuuiiicu則則若輸入信號電壓為恒定直流量，若輸入信號電壓為恒定直流量， 即即 ui= Ui時時，則，則 dtUCRuiFo110U iiu0Ui iuuot0-UOM+UOMt0uiFiOMCRUUt10 積分飽和積分飽和線性積分時間線性積分時間線性積分時間線性積分時間輸出電壓隨時輸出電壓隨時間線性變化間線性變化tCRUFi1t0uiuot0-UOM+UOM輸入為方波，輸輸入為方波，輸出為三角波。因出為三角波。因此，積分電路除此，積分電路除了具有運算功能了具有運算功能外，還可用于波外，還可用于波形轉(zhuǎn)換。形轉(zhuǎn)換。fii 1FoiRudtduC 1dtduCRuiFo1 uot0t0ui如果如果則則2. 有源高通濾波器有源高通濾波器電路使電路使頻率大于頻率大于 的信號通過的信號通過 ，而而小于小于 的信號的信號被阻止被阻止3. 帶通濾波器和帶阻濾波器帶通濾波器和帶阻濾波器帶通濾波器使帶通濾波器使通頻帶范圍內(nèi)的信號可以通