電工電子ch5集成運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器南京工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子系第五章第五章集成運(yùn)算放大器1、集成運(yùn)算放大器概述2、放大電路中的負(fù)反饋4、集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的運(yùn)用3、集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用返回前一頁(yè)后一頁(yè)1、了解集成運(yùn)放的基本概念、電壓傳輸特性和主要參數(shù)。2、理解反饋的概念，了解反饋的類(lèi)型；了解負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響。3、掌握理想運(yùn)算放大器的基本分析方法，理解集成運(yùn)放組成的比例、加、減、微分和積分電路的工作原理。4、了解單門(mén)限電壓比較器的工作原理?；疽螅汉笠豁?yè)返回前一頁(yè)重點(diǎn)：了解集成運(yùn)放的電壓傳輸特性和主要參數(shù)。理解反饋的概念，了解負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響。掌握理想運(yùn)算放大器的基本分析方法。了解單門(mén)限電壓比較器的工作原理。難點(diǎn)：

反饋的極性和類(lèi)型判斷，理想運(yùn)放虛短、虛斷的概念。第一節(jié)集成運(yùn)算放大器概述一、集成運(yùn)放的基本組成

集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。四個(gè)組成部分：輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路輸入級(jí)：具有較高的輸入電阻，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，采用差動(dòng)放大電路。中間級(jí)：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。常采用一級(jí)或多級(jí)共射放大電路。輸出級(jí)：要向負(fù)載提供一定的功率，要求輸出阻抗Ro小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。常采用射極輸出器或互補(bǔ)射極輸出器組成。偏置電路：提供合適的工作電流。二、集成運(yùn)放的輸入級(jí)—差動(dòng)放大電路

集成運(yùn)放電路主要采用直接耦合方式，因此需要解決零點(diǎn)漂移的問(wèn)題。差動(dòng)放大電路作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)，能夠抑制零點(diǎn)漂移。電路結(jié)構(gòu)T1和T2特性相同，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出uoui1+UCCRCT1RCT2ui2+++–––uo1–uo2–++－UＣＣ+UCCu+uou–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)與uo反相與uo同相三、集成運(yùn)放的封裝電路結(jié)構(gòu)四、集成運(yùn)放的特性1）開(kāi)環(huán)差模電壓增益Ao

是決定運(yùn)放運(yùn)算精度的主要因素。2）最大輸出電壓UOmax

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。

3)輸入失調(diào)電壓UIO4)輸入失調(diào)電流IIO5)輸入偏置電流IIB愈小愈好1．集成運(yùn)放的主要參數(shù)２、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)+Uo-Uoui=u+－u-

uo線性區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)：uo

=Ao（u+－

u－

）飽和區(qū)：u+>u－

時(shí)，uo

=+Uou+<u－

時(shí)，uo

=－Uo

∵uo

=Ao（u+－

u－

）+Uo(sat)-Uo(sat)ui=u+－u－

uo線性區(qū)電壓傳輸特性++∞uou-。u+i+i-３、集成運(yùn)放的理想特性(重點(diǎn))Auo

，rid

，ro0②輸入電流約等于0

即i+=i－0稱(chēng)“虛斷”

∴①差模輸入電壓約等于0

即u+=u－

稱(chēng)“虛短”第二節(jié)放大電路中的負(fù)反饋一、反饋的基本概念二、放大電路中負(fù)反饋的類(lèi)型三、負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善一、反饋的基本概念反饋：將放大電路輸出端的信號(hào)(電壓或電流)

的一部分或全部引回到輸入端。+UCCRE++––+UCCRE++––將輸出電流反饋到輸入將輸出電壓反饋到輸入反饋放大電路的三個(gè)環(huán)節(jié)：基本放大電路比較環(huán)節(jié)反饋電路F反饋電路–+輸出信號(hào)輸入信號(hào)反饋信號(hào)反饋系數(shù)凈輸入信號(hào)基本放大電路Ao放大倍數(shù)直流反饋：反饋只對(duì)直流分量起作用，反饋元件只能傳遞直流信號(hào)。負(fù)反饋：反饋信號(hào)削弱凈輸入信號(hào)，使放大倍數(shù)降低。交流反饋：反饋只對(duì)交流分量起作用，反饋元件只能傳遞交流信號(hào)。

正反饋：反饋信號(hào)增強(qiáng)凈輸入信號(hào)，使放大倍數(shù)提高。二、放大電路中反饋的類(lèi)型1交流反饋與直流反饋

在反饋網(wǎng)絡(luò)中串接隔直電容，可以隔斷直流，此時(shí)反饋只對(duì)交流起作用。

在起反饋?zhàn)饔玫碾娮鑳啥瞬⒙?lián)旁路電容，可以使其只對(duì)直流起作用。

反饋只對(duì)交流信號(hào)起作用，稱(chēng)為交流反饋。反饋只對(duì)直流起作用，稱(chēng)為直流反饋。有的反饋對(duì)交直流均起作用。返回后一頁(yè)前一頁(yè)RE直流反饋RE交直流反饋+UCCRE++––+UCCRE++––返回后一頁(yè)前一頁(yè)2、放大電路中負(fù)反饋的類(lèi)型

1)根據(jù)反饋所采樣的信號(hào)不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。

電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻的作用。

電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻的作用。如果反饋信號(hào)取自輸出電壓，叫電壓反饋。如果反饋信號(hào)取自輸出電流，叫電流反饋。返回后一頁(yè)前一頁(yè)2)根據(jù)反饋信號(hào)在輸入端與輸入信號(hào)比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)，稱(chēng)為串聯(lián)反饋。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，稱(chēng)為并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大，并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。iiifibib=ii-if輸入信號(hào)反饋信號(hào)凈輸入信號(hào)并聯(lián)反饋ube=ui-uf輸入信號(hào)凈輸入信號(hào)串聯(lián)反饋ufuiube+++–––反饋信號(hào)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，即反饋電流信號(hào)與輸入信號(hào)電流比較,稱(chēng)為并聯(lián)反饋。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)，即反饋電壓信號(hào)與輸入信號(hào)電壓比較的，稱(chēng)為串聯(lián)反饋。負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋的分類(lèi)３、負(fù)反饋放大電路的分析分析步驟：3)判別是否負(fù)反饋？1)找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容)。2)判別是交流反饋還是直流反饋？4)是負(fù)反饋！判斷是何種類(lèi)型的負(fù)反饋？返回后一頁(yè)前一頁(yè)例1：1)判反饋元件（電阻和電容）

(1）連接在輸入與輸出之間的元件。

(2）為輸入回路與輸出回路所共有的元件。發(fā)射極電阻RE為輸入回路與輸出回路所共有，所以RE是反饋元件。+UCCRE++––返回后一頁(yè)前一頁(yè)例1：2）判斷是交流反饋還是直流反饋交、直流分量的信號(hào)均可通過(guò)RE，所以RE引入的是交、直流反饋。

如果有發(fā)射極旁路電容，RE中僅有直流分量的信號(hào)通過(guò)，這時(shí)RE引入的則是直流反饋。ＣE+UCCRE++––返回后一頁(yè)前一頁(yè)例1：

3)判斷反饋類(lèi)型重點(diǎn)討論交流反饋凈輸入信號(hào)：

ui與uf

串聯(lián)，以電壓形式比較——串聯(lián)反饋

ui正半周時(shí)，uf也是正半周，即兩者同相減小---負(fù)反饋

uf

正比于輸出電流——電流反饋

——電流串聯(lián)負(fù)反饋跳轉(zhuǎn)2+UCCRE++––+–+–返回后一頁(yè)前一頁(yè)1）判斷負(fù)反饋的方法：瞬時(shí)極性法：假設(shè)輸入級(jí)基極瞬時(shí)極性為正，根據(jù)集電極瞬時(shí)極性與基極相反、發(fā)射極瞬時(shí)極性與基極相同的原則，標(biāo)出相關(guān)各點(diǎn)的瞬時(shí)極性。++－++－+－

輸入與反饋極性相同為負(fù)反饋

輸入與反饋極性相反為正反饋

輸入與反饋極性相反為負(fù)反饋

輸入與反饋極性相同為正反饋返回后一頁(yè)前一頁(yè)2）判斷串、并聯(lián)反饋+－+－反饋到基極為并聯(lián)反饋反饋到發(fā)射極為串聯(lián)反饋返回后一頁(yè)前一頁(yè)在一個(gè)點(diǎn)比較,比較信號(hào)為電流時(shí)是并聯(lián)在兩個(gè)點(diǎn)比較,比較信號(hào)為電壓/位時(shí)是串聯(lián)RLioiE

從集電極引出為電壓反饋

從發(fā)射極引出為電流反饋共發(fā)射極電路3）判斷電壓、電流反饋uoRL+–返回后一頁(yè)前一頁(yè)判斷反饋類(lèi)型的口訣：共發(fā)射極電路：集出為壓，射出為流，基入為并，射入為串。例1：判斷圖示電路中RE1、RE2的負(fù)反饋?zhàn)饔?。RCRB1RB2RE1RE2CEC2C1+UCCuouiRE2對(duì)交流不起作用，RE1對(duì)交、直流均起作用電流串聯(lián)反饋思考++––返回后一頁(yè)前一頁(yè)例2：判斷Rf是否負(fù)反饋，若是，判斷反饋的類(lèi)型。+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+UCCuoui+–T1T2Rf電壓串聯(lián)負(fù)反饋（交流反饋）－－返回后一頁(yè)前一頁(yè)+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1C3C2+UCCuoui+–T2Rf

若Rf與T２發(fā)射極相接如圖所示，引入的是何種類(lèi)型的反饋？T1－－－－正反饋思考返回后一頁(yè)前一頁(yè)例3：判斷圖示電路Rf的反饋類(lèi)型。uouiRE2RfRE1RC1RC2+UCC電流并聯(lián)負(fù)反饋（交、直流反饋）－－+－思考––++返回后一頁(yè)前一頁(yè)三、負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響基本放大電路A反饋電路F+–反饋電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號(hào)基本放大器的放大倍數(shù)返回后一頁(yè)前一頁(yè)1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性閉環(huán)放大倍數(shù)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)返回后一頁(yè)前一頁(yè)負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。引入負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。同相，所以AF是正實(shí)數(shù)負(fù)反饋時(shí)，放大倍數(shù)下降1+|AF|倍，其穩(wěn)定性提高1+|AF|倍。中，則有：返回后一頁(yè)前一頁(yè)若稱(chēng)為深度負(fù)反饋，此時(shí)：

在深度負(fù)反饋的條件下，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。——反饋深度返回后一頁(yè)前一頁(yè)2.減小非線性的失真Auiufud加反饋前加反饋后uoui小大小大小大

負(fù)反饋是利用失真的波形來(lái)改善波形的失真，因此只能減小失真，但不能完全消除失真。uoAF返回后一頁(yè)前一頁(yè)擴(kuò)展寬通頻帶

(知道有這么個(gè)結(jié)論即可)引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：fAu無(wú)負(fù)反饋有負(fù)反饋跳轉(zhuǎn)返回后一頁(yè)前一頁(yè)4.對(duì)輸入電阻的影響在同樣的Ib下，Ui=Ube+Uf

>Ube，rif提高。1）串聯(lián)負(fù)反饋無(wú)負(fù)反饋時(shí)：有負(fù)反饋時(shí)：uiubeib++––uf+–使電路的輸入電阻提高返回后一頁(yè)前一頁(yè)if無(wú)負(fù)反饋時(shí)：有負(fù)反饋時(shí)：在同樣的Ube下，Ii=Ib+If>Ib，rif降低。2）并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻降低iiibube+–返回后一頁(yè)前一頁(yè)

電壓負(fù)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。

電流負(fù)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。1）電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻降低2）電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻提高5.對(duì)輸出電阻的影響返回后一頁(yè)前一頁(yè)第三節(jié)集成運(yùn)放器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用一、比例運(yùn)算

二、加法運(yùn)算

三、減法運(yùn)算

四、積分運(yùn)算

五、微分運(yùn)算后一頁(yè)返回前一頁(yè)一、比例運(yùn)算1、反相比例運(yùn)算（1）電路組成

以后如不加說(shuō)明，輸入、輸出的另一端均為地（）。（2）電壓放大倍數(shù)∵

虛斷∵

虛短∴

u-=u+=0

稱(chēng)“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)uo++∞.uiR2RFu+u_。。R1.。。++––i1ifi-i+一、比例運(yùn)算

∵要求靜態(tài)時(shí)u+、u-對(duì)地電阻相同，∴平衡電阻

R2=R1//RF∵

虛短∴

u-=u+=0

稱(chēng)“虛地”—反相輸入運(yùn)算的重要特點(diǎn)uo++∞.uiR2RFu+u_。。R1.。。++––1、反相比例運(yùn)算電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻低，共模電壓

0－－后一頁(yè)返回前一頁(yè)

⑤電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻低.

結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui極性相反?！遳i加在反相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④∵

u-=u+=0，∴反相輸入端“虛地”。例：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF

=50k。求：1、Auf

；

2、若R1不變，要求Auf為–10，則RF

應(yīng)為多少？RF++∞..uiuoR2u+u_。。

R1解：1、Auf=–RF

R1

=–5010=–52、∵

Auf=–RF

R1

=–RF

10=–10

∴RF=Auf

R1=1010=100

返回∵虛短

∴∵虛斷++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1iFi1輸入電阻高2、同相比例運(yùn)算電路（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)電壓串聯(lián)負(fù)反饋⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低。

結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui極性相同。∵ui

加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u-=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。后一頁(yè)返回前一頁(yè)

當(dāng)R1=或RF=0時(shí)，uiuo++∞.u+u_。。

URLR1R2++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1uo=ui，

Auf=1，稱(chēng)電壓跟隨器。

此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高，輸出電阻低，在電路中的作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能更好。后一頁(yè)返回前一頁(yè)二、加法運(yùn)算∵虛短u-=u+=0∵虛斷++∞...ui2ui1uoR2RFu+u_。。

Ri1Ri2。i1i2iFi-i1+i2=if，即∵后一頁(yè)返回前一頁(yè)三、減法運(yùn)算由虛斷可得：由虛短可得：分析方法一：++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一頁(yè)返回前一頁(yè)

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如果取R1

=R2

=R3

=RF

輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一頁(yè)返回前一頁(yè)分析方法二：利用疊加原理減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一頁(yè)返回前一頁(yè)四、積分運(yùn)算由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifiF=?CF++∞.uoR2u+u_。R1ui。.i1if+–后一頁(yè)返回前一頁(yè)若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui時(shí)，則uot0-UOM+UOMt0ui積分飽和線性積分時(shí)間輸出電壓隨時(shí)間線性變化后一頁(yè)返回前一頁(yè)當(dāng)電容CF的初始電壓為uc(t0)時(shí)，則有前一頁(yè)后一頁(yè)采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故u0是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例—積分運(yùn)算電路。這種運(yùn)算器又稱(chēng)PI調(diào)節(jié)器，常用于控制系統(tǒng)中，以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。返回比例—積分運(yùn)算電路的輸出電壓++∞..uiuoR2RFu+u-。。

R1CFiFi1uc輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例—積分上式表明：

改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，以滿足控制系統(tǒng)的要求。iF前一頁(yè)后一頁(yè)—PI調(diào)節(jié)器+–返回五、微分運(yùn)算uot0t0ui++∞.uoR2u+u_。uiRF。.C1i1if前一頁(yè)后一頁(yè)由虛短及虛斷性質(zhì)可得返回比例—微分運(yùn)算輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例—微分上式表明：

控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。++∞.uoR2u+u_。RFui。.C1i1ifR1iR—PD調(diào)節(jié)器前一頁(yè)后一頁(yè)返回第四節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用

一、有源濾波器二、電壓比較器前一頁(yè)后一頁(yè)返回一、有源濾波器濾波器：

選頻電路。它能選出有用頻率信號(hào)，而抑制無(wú)用頻率信號(hào)。無(wú)源濾波器：

由電阻、電容和電感元件組成的濾波器。有源濾波器：

由運(yùn)算放大器組成的濾波器。缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。特點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。前一頁(yè)后一頁(yè)返回二、電壓比較電路

電壓比較電路用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。功能：用途：

數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。前一頁(yè)后一頁(yè)返回電壓傳輸特性-Uo+Uo有運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)1、基本電壓比較器

可見(jiàn)，在ui

=UR

處輸出電壓uo發(fā)生躍變。門(mén)限電平：輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。即uiuooUR++∞uiuou+u_。。

R1+_URR2uitoouot+UO–UOt1t2UR電壓傳輸特性-Uo+UouiuooUR單限電壓比較電路：