第3章 集成運(yùn)算放大器

1、.1第三章 集成運(yùn)算放大器3.1 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器3.2 基本的運(yùn)算電路基本的運(yùn)算電路3.3 放大電路中的反饋放大電路中的反饋3.4 濾波電路濾波電路.23.1 集成運(yùn)算放大器3.1.1 模擬集成電路的特點(diǎn) 1電阻和電容的值不宜做得太大，電路采用直接耦合方式 2為克服直接耦合電路的溫度漂移，常采用差分放大電路 3盡量采用半導(dǎo)體三極管(或場效應(yīng)管)代替電阻、電容和二極管等元件.3集成運(yùn)算放大器的組成n輸入極采用差分放大電路來減小溫度漂移，并提供運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端n中間級主要用來放大，采用共發(fā)射極放大電路來提高電壓增益n輸出極常采用OTL、OCL互補(bǔ)對稱式功率放大電路提高輸出

2、功率和帶負(fù)載能力.4集成運(yùn)算放大器的電路符號1、反相輸入端，用符號“”表示。由此輸入的信號，輸出與輸入信號反相；2、同相輸入端，用符號“+”表示。由此輸入的信號，輸出與輸入信號同相；3、輸出端國際符號國際符號.5集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo 共模抑制比CMR 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)/開環(huán)共模電壓放大倍數(shù) 差模輸入電阻Rid 兩輸入端對差模信號呈現(xiàn)的輸入電阻 差模輸出電阻Ro 開環(huán)狀態(tài)下輸出電阻.6理想集成運(yùn)算放大器 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo= 開環(huán)輸入電阻Rid= 開環(huán)輸出電阻Ro=0 共模抑制比CMR= 若引入反饋：線性區(qū).7理想集成運(yùn)算放大器 虛短 理想運(yùn)放，根據(jù)A

3、uo，則有運(yùn)放兩個輸入端對地的電壓幾乎相等，即U+U-;Uid=0 二者不相連而電位又幾乎相等，相當(dāng)于虛短路，通常稱為“虛短”； 虛斷 根據(jù)差模輸入電阻Rid的理想化條件，運(yùn)放的輸入電流Iid0。 運(yùn)放的兩個輸入端沒有電流流入，即I+=I-0 相當(dāng)于斷開一樣，故通常稱為“虛斷” 。ouo /UUUA.83.2 基本運(yùn)算電路3.3.1 比例運(yùn)算電路1、反相輸入比例運(yùn)算電路及反相器1100ifiiofffoufiuuiiiiuiRuiRRuAuR .9比例運(yùn)算電路2、同相輸入比例運(yùn)算電路及電壓跟隨器為保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，在輸出端和反相輸入端之間接反饋電阻Rf構(gòu)成深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋 11111(1

4、)1ifiiofffoifoufiuuuiiuiRuuiRRuuRRuAuR .10電壓跟隨器 若R1=或Rf=0，則uo=ui，此時電路構(gòu)成電壓跟隨器11foufiRuAuR .11加減運(yùn)算電路1、反相加法運(yùn)算電路 兩個輸入信號ui1、ui2，分別經(jīng)電阻R1、R2加在反 相輸入端1212121212121212,0()iifiiofffoiiuuIIRRIIIuuuRRRRRuuuRR .12加減運(yùn)算電路2、同相加法運(yùn)算電路1231231123123123(1)()( / / / / / /)1()2fiiiofoiiiRuuuuRRRRRRRRRRRRRuuuu當(dāng)時.13加減運(yùn)算電路疊加定

5、理3、減法運(yùn)算電路：如果輸入信號由運(yùn)放的兩個輸入端同時加入，則為減法運(yùn)算電路，也稱差值運(yùn)算電路。當(dāng)四個電阻相同，21oiiuuu123/ / /FRRRR.14積分和微分電路1、積分運(yùn)算電路 積分電路可以完成對輸入信號的積分運(yùn)算，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。電容C引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)。 01( )( )toiu tu t dtRC .15積分電路 基本積分電路的積分波形.16積分和微分電路2、微分運(yùn)算電路 微分是積分的逆運(yùn)算，微分電路的輸出電壓是輸入電壓的微分。圖中R引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋使運(yùn)放工作在線性區(qū)。 ( )( )iodu tu tRCdt .17自動控制系統(tǒng)PID調(diào)

6、節(jié)器122120;11,1222 1111( 1)2211122112 1121 2PNFCIIIIIRFIIICFIIIIIuuiiiduuiCCidtRduRui RuR CRdtduuui dtCdtdtCCdtRCuu dtCRCduRCuouR Cu dtRCdtR C R2=0，PI調(diào)節(jié)器C2=無窮大，為PD調(diào)節(jié)器.183.3 放大電路中的反饋1 . 反饋的基本概念2 . 負(fù)反饋放大電路3 . 反饋放大電路的閉環(huán)增益4 . 負(fù)反饋對放大電路性能的影響.19反饋：將放大電路輸出量(電壓或電流)的一部 分或全部通過反饋網(wǎng)絡(luò)回送到輸入回路反饋的基本概念.20電路是否存在反饋電路的輸出和輸

7、入回路之間有無反饋通路。聯(lián)系輸入回路與輸出回路的元件為反饋元件。.21直流反饋與交流反饋 反饋元件僅存在于直流通路中，則為直流反饋； 反饋元件僅存在于交流通路中，則為交流反饋；.22例例6：判斷如圖電路中：判斷如圖電路中RE3的負(fù)反饋?zhàn)饔?。的?fù)反饋?zhàn)饔谩?UCCT1T2T3RB1RC1RB2RC2RB3RC3RE3uiube1ufie3對直流不起作用對直流不起作用.23對直流起作用，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)對直流起作用，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)uouiiiBiFuFRE2RfRE1RC1RC2+UCCiE2uC1uB2.24電壓反饋與電流反饋 電壓反饋：反饋信號正比于輸出電壓 電流反饋：反饋信號正比于輸出電流U=

8、IR 不容易判斷.25輸出負(fù)載短路法 令輸出端負(fù)載短路 ， 若反饋不存在，則為電壓反饋 反饋仍存在，則為電流反饋0,0LoRU.26電壓反饋與電流反饋 反饋量取自于非信號輸出端的是電流反饋 反饋量取自于信號輸出端的是電壓反饋 電流電壓.27串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋 串聯(lián)反饋：以電壓形式在輸入回路串聯(lián)相比較，調(diào)整輸入電壓 并聯(lián)反饋：以電流形式在輸入節(jié)點(diǎn)并聯(lián)相比較，調(diào)整輸入電流.28串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋 反饋量加到非信號輸入端的是串聯(lián)反饋。 反饋量加到信號輸入端的是并聯(lián)反饋。串聯(lián)并聯(lián).29正反饋和負(fù)反饋 放大電路引入反饋后，削弱了凈輸入信號，使電路的增益降低，這種反饋稱為負(fù)反饋； 反饋量增強(qiáng)了凈輸入信號，

9、使增益提高的反饋稱為正反饋。.30瞬時極性法 判斷反饋極性： 先假設(shè)輸入電壓信號的極性為 ，推出放大電路各點(diǎn)的極性并確定電路從輸出回路反饋到輸入回路的瞬時極性，最后判斷反饋量的極性是增強(qiáng)還是削弱凈輸入信號，便可判定是正負(fù)反饋。 .31正反饋和負(fù)反饋判斷輸入輸出極性的方法： 集成運(yùn)放器： 信號從同相輸入端輸入時，輸出與輸入同相； 信號從反相輸入端輸入時，輸出與輸入反相； 共發(fā)射極電路輸入、輸出反相； 共集電極與共基極電路輸入、輸出同相；判斷正負(fù)反饋的經(jīng)驗(yàn)法： 反饋信號加到輸入端，并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號的極性相反為負(fù)反饋； 反饋信號加到非輸入端，串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號極性相同為負(fù)反饋；

10、.32正反饋和負(fù)反饋 反饋信號加到輸入端時，反饋信號與輸入信號的極性相反為負(fù)反饋； 反饋信號加到非輸入端時，反饋信號與輸入信號極性相同為負(fù)反饋；.33負(fù)反饋放大電路 按反饋信號的輸出取樣方式和輸入連接的比較方式可以組成四種負(fù)反饋： 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電流串聯(lián)負(fù)反饋 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 電流并聯(lián)負(fù)反饋.34電壓串聯(lián)負(fù)反饋 負(fù)反饋:反饋信號加到非輸入端時，反饋信號與輸入信號極性相同； 電壓反饋:反饋量取自于信號輸出端 串聯(lián)反饋:反饋量加到非信號輸入端：串聯(lián)反饋.35電流串聯(lián)負(fù)反饋nR1是聯(lián)系輸入輸出回路的反饋元件，輸出電流Io通過R1產(chǎn)生反饋電壓 將負(fù)載RL短路，R1仍然接在輸入、輸出、回路之間，即反饋

11、仍然存在，故為電流反饋； 反饋電壓Uf加在非信號輸入端，在輸入回路中與輸入電壓Ui串聯(lián)相比較，故為串聯(lián)反饋。.36電壓并聯(lián)負(fù)反饋 Rf是聯(lián)系輸入輸出回路的反饋元件。 反饋信號取自于輸出端的電壓量; 令RL=0，反饋不存在，故為電壓反饋； 反饋量加到信號輸入端，故為并聯(lián)反饋。.37例題.38電流串聯(lián)負(fù)反饋.39電流并聯(lián)負(fù)反饋 R2是反饋元件; 令RL=0時，反饋仍然存在，是電流反饋； 反饋信號加在集成運(yùn)放的信號輸入端，與輸入信號在輸入節(jié)點(diǎn)以電流形式相比較，是并聯(lián)反饋。.40例題.41電壓串聯(lián)負(fù)反饋.42+UCCRCC2C1RfuiuoiibifRf 的作用：的作用：1. 提供靜態(tài)工作點(diǎn)。提供靜態(tài)

12、工作點(diǎn)。2. 直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。3. 交流負(fù)反饋，穩(wěn)定放大倍數(shù)。交流負(fù)反饋，穩(wěn)定放大倍數(shù)。.43電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路1.12211FIFIRuuoRRuuRuouR可看成電壓源，輸出電阻很小OIuAuu.44電流串聯(lián)負(fù)反饋電路121111.1IRRROFOFIOIuiiRiIui RuuiuR可看成電流源，輸出電阻為無窮大OIiAuu.45電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路0,.NPFIFIuouuiiiRuoRiUo僅僅決定于Ii,可將電路看成由電流Ii控制的電壓源Uo,輸出電阻很小OIuAui.46電流并聯(lián)負(fù)反饋電路212120.1.NPIFOOIuuRiiiRRRii

13、RIo僅僅決定于Ii,可將電路看成由電流Ii控制的電流源Io,輸出電阻趨于無窮大OIiAui.47負(fù)反饋的特點(diǎn)電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓 .48負(fù)反饋的特點(diǎn) 電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流.49負(fù)反饋的特點(diǎn)串聯(lián)反饋，輸入信號、反饋信號及凈輸入信號在輸入回路中以電壓形式比較 并聯(lián)反饋，輸入信號、反饋信號及凈輸入信號在輸入回路中以電流形式比較idifUUUidifIII.50反饋放大電路的閉環(huán)增益A為無反饋的基本放大電路；F表示反饋網(wǎng)絡(luò)；X表示輸入量，電壓或電流。idifXXX基本放大電路的開環(huán)增益 反向傳輸時的反饋系數(shù)oidXAXfoXFX.51反饋放大電路的閉環(huán)增益負(fù)反饋放大電路的閉環(huán)增益：11o

14、idfoidfidXXXoXoAAFXXiXXAFX反饋深度(1+AF)：反饋對放大電路性能的影響程度11oidfoidfidXXXoXoAAFXXiXXAFX.52反饋放大電路的閉環(huán)增益 當(dāng)|1+AF|1時，|Af|1，一般滿足|AF|10，即為深度負(fù)反饋時，Af1/F 當(dāng)|1+AF|A|，即引入反饋后提高了放大電路增益-正反饋。正反饋可以提高增益，但使放大電路的性能不穩(wěn)定 當(dāng)|1+AF|=0時，|Af|=，即在沒有輸入信號時也有輸出信號，此時產(chǎn)生了自激振蕩，使放大電路不能正常工作.53深度負(fù)反饋電路閉環(huán)放大倍數(shù)Af只取決于反饋系數(shù)F，和基本放大電路的放大倍數(shù)A無關(guān)。深度負(fù)反饋條件下有反饋量

15、Xf近似等于輸入量Xi，即XiXf。10oioiidifooXAXFXXFXXXFXFX1111/fAAAFAFF.54深度負(fù)反饋電路 串聯(lián)反饋電路，輸入量和反饋量均為電壓 并聯(lián)反饋電路，輸入量和反饋量均為電流0ifidUUU0ifidIII“虛短”“虛斷”.55深度負(fù)反饋條件下的電壓放大倍數(shù)Auf電流串聯(lián)負(fù)反饋1( 12)( 12)/ / 3RIRRIo RRR.56深度負(fù)反饋條件下的電壓放大倍數(shù)Auf.57(Rf+Re1)/Re1.58深度負(fù)反饋條件下的電壓放大倍數(shù)Auf.59(R4+R2)/R2.60負(fù)反饋對電路性能的影響 提高閉環(huán)增益的穩(wěn)定性 放大電路的放大倍數(shù)可能由于環(huán)境溫度的變化、

16、電源電壓的變化等原因而發(fā)生變化。 負(fù)反饋對輸出量有自動調(diào)節(jié)作用，使增益穩(wěn)定 。AAAFAAd11dff閉環(huán)增益的相對變化量為開閉環(huán)增益的相對變化量為開環(huán)增益相對變化量的環(huán)增益相對變化量的AF11.61提高閉環(huán)增益的穩(wěn)定性.62改善波形的失真改善波形的失真.63Xi=Xi-Xf.64減小非線性失真Aouiuo加反饋前加反饋前加反饋后加反饋后ufuiudAoF+ 改善改善uo.65負(fù)反饋對輸入電阻的影響 串聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻增加：iidiididiiif1iuAFiAFuuiuRiif1RAFR.66負(fù)反饋對輸入電阻的影響 并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻減?。篿didididifidiiiif)

17、1 (1iuAFAFiiuiiuiuRAFRR1/iif.67對輸入、輸出電阻的影響對輸入、輸出電阻的影響1. 串聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻增加：串聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻增加：ioifrFAr)1 ( 2. 并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻減?。翰⒙?lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻減?。?1 (FArroiif例如例如:射極輸出器射極輸出器理解：串聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中串聯(lián)了理解：串聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中串聯(lián)了一個電阻，故輸入電阻增加。一個電阻，故輸入電阻增加。理解：并聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中并聯(lián)了理解：并聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中并聯(lián)了一條支路，故輸入電阻減小。一條支路，故輸入電阻減小。.68負(fù)反

18、饋對輸出電阻的影響 電壓負(fù)反饋使放大電路輸出電阻減??； 電流負(fù)反饋使放大電路輸出電阻增大；(1)oofRRA F(1)ofoRRA F.69電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻減小電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻減小)1 (FArrooof例如例如:射極輸出器射極輸出器理解：電壓負(fù)反饋目的是阻止理解：電壓負(fù)反饋目的是阻止 uo的變化，穩(wěn)定的變化，穩(wěn)定輸出電壓輸出電壓。放大電路空載時放大電路空載時可等效右圖框中可等效右圖框中為電壓源：為電壓源：輸出電阻越小，輸出電壓越穩(wěn)定，反之亦然。輸出電阻越小，輸出電壓越穩(wěn)定，反之亦然。roesouoRL.70IURXooofi 0RURUUIooooooAFAF)1 ()(

19、AFRRoof1.71理解：電流負(fù)反饋目的是阻止理解：電流負(fù)反饋目的是阻止 io的變化，穩(wěn)定的變化，穩(wěn)定輸出電流輸出電流。放大電路空載時放大電路空載時可等效為右圖框可等效為右圖框中電流源：中電流源：輸出電阻越大，輸出電流越穩(wěn)定，反之亦然。輸出電阻越大，輸出電流越穩(wěn)定，反之亦然。電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻增加：電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻增加：ooofr )FA(r 1roisoioRL.72IURXooofi 0AFAFRUIRUIoooooo1)(RRoofAF )1 ( .73抑制噪聲.74小結(jié) 直流負(fù)反饋：穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn) 交流負(fù)反饋：要改善放大電路的動態(tài)性能（增益的穩(wěn)定性、穩(wěn)定輸

20、出量、減小失真等） 電壓負(fù)反饋：穩(wěn)定輸出電壓，輸出電阻減小 電流負(fù)反饋：穩(wěn)定輸出電流，輸出電阻增大 串聯(lián)負(fù)反饋：增大輸入電阻 并聯(lián)負(fù)反饋：減小輸入電阻.75小結(jié) 反饋量是取自輸出電壓（電壓反饋） 反饋量取自輸出電流（電流反饋） 反饋量與輸入量以電壓方式疊加（串聯(lián)反饋） 反饋量與輸入量以電流方式疊加（并聯(lián)反饋）.76四種反饋組態(tài)電路的方框圖放大電路引入電壓負(fù)反饋還是電流負(fù)反饋，取決于負(fù)載欲得到穩(wěn)定的電壓（電壓負(fù)反饋）還是穩(wěn)定的電流（電流負(fù)反饋），放大電路引入是串聯(lián)還是并聯(lián)負(fù)反饋，取決于輸入信號源是恒壓源還是恒流源.77放大倍數(shù)的分析1121212UfRFuuUoRRUfIoRFuiRIoIoUo

21、IfRFiuUoUoRIfRFiiIoRR 121111(.)111(,.111(.(1).2UoUoRAuufAufUiUfFuuRIoIoUoIoRLAiufAufRLUiUfFuiUiUfFuiUoUoUoUoRAuifUsIiRsIfRs AusfIiIfFiuUsIfRsFiu RsRsIoIoUoIoRLRLRRLAiifAusfIiIfFiiUsIfRsFii RsRRs .78濾波器的功能：對頻率進(jìn)行選擇濾波器的功能：對頻率進(jìn)行選擇, ,過濾掉噪聲和干擾信過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。濾波器主要用來濾除信號中無號，保留下有用信號。濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，

22、例如，有一個較低頻率的信號，其中用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。包含一些較高頻率成分的干擾。3.4 濾波電路濾波電路.79 濾波器的頻響濾波器的頻響 本章討論由運(yùn)放及RC元件構(gòu)成的濾波器。.80RCR1. 一階一階RC低通濾波器低通濾波器(無源無源)iU oU RC10 j1Rj1UUioRCj11 0j11 CC0j11)j (T 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)20)(11)j (T 幅頻特性幅頻特性一一. 低通有源濾波器低通有源濾波器.8120)(11)j (T ioUU0 10.707 0截止頻率截止頻率此電路的缺點(diǎn)：此電路的缺點(diǎn)：1、帶負(fù)載能力差。、帶負(fù)載能

23、力差。2、無放大作用。、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性、幅頻特性曲線幅頻特性、幅頻特性曲線iU oU RCR.82帶負(fù)載的影響1/11(/)/112 (/)LLLLLLLLRUoAupUiRRRRRRUoAupj CAufUijRR CRRjj CfpfpRR C帶負(fù)載后，通帶放大倍數(shù)減小，通帶頻率升高，無源濾波電路的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負(fù)載變化而變化.83oF11URRRU UURR1RFC+-+iU oU 2.一階有源低通濾波器一階有源低通濾波器Cj11)RR1(UU1Fio 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)RCiUCj1RCj1U iUCj11 RC傳遞函

24、數(shù)中出現(xiàn)傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項(xiàng)的一次項(xiàng),故稱為一故稱為一階濾波器階濾波器.84幅頻特性：幅頻特性：201Fio)(11)RR1(UU )RC1(0 相頻特性：相頻特性：0arg RR1RFC+-+iU oU 幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0Cj11)RR1(UU1Fio 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)RC.851、0 時：時：)RR1(UU1Fio 有放大作用有放大作用3、運(yùn)放輸出，運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。帶負(fù)載能力強(qiáng)。?2、0 時：時：21)RR1(UU1Fio 幅頻特性與一階無幅頻特性與一階無源低通濾波器類似源低通濾波器類似電路特點(diǎn)電路特點(diǎn):.86圖7.4.14 四階低通濾波器方框圖.87三種類型二階LPF的的幅頻特性Q值分別為0.707,0.96,0.56Butterworth的幅頻特性無峰值，在f=f0附近為單調(diào)減Chebyshev在f=f0附近的截止特性最好，曲線的衰減斜率最陡Bessel的過渡性能最好，相頻特性無峰值.88二二. . 高通有源濾波器高通有源濾波器oF11URRRU UUiUCj1RCj1U iUCj11 R1 RCRR1RFC+-+iU oU 高通高通