集成運算放大器

集成運算放大器第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二7.1

集成運算放大器概述集成運算放大器的特點和組成集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。特點：高增益、小尺寸，輸入電阻大，輸出電阻小，零點漂移小，抗干擾能力強輸入級輸出級中間級輸入級—差動放大器輸出級—射極輸出器或互補對稱功率放大器中間級—電壓放大器第2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二+UCC–UEEuoU+U-電路的簡單說明輸入級中間級輸出級反相輸入端輸出端同相輸入端輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，

中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。輸出級：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二uiuou+u–2.集成運算放大器的符號輸出端反相輸入端同相輸入端A0信號傳輸方向開環(huán)電壓放大倍數(shù)第4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––7.2.1

什么是放大電路中的負(fù)反饋反饋：將放大電路輸出端的信號(電壓或電流)的一部分或全部通過某種電路引回到輸入端。7.2

放大電路中的負(fù)反饋esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS通過RE將輸出電壓反饋到輸入通過RE將輸出電流反饋到輸入第5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二反饋放大電路的三個環(huán)節(jié)：基本放大電路比較環(huán)節(jié)反饋放大電路的方框圖反饋電路輸出信號輸入信號反饋信號反饋系數(shù)凈輸入信號開環(huán)放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+閉環(huán)放大倍數(shù)第6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二2.

反饋的類型1)正反饋和負(fù)反饋反饋信號與輸入信號作用相同，使凈輸入信號增加。這種反饋稱為正反饋；反饋信號與輸入信號作用相反，使凈輸入信號減小。這種反饋稱為負(fù)反饋；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。第7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二2)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。如果反饋信號取自輸出電壓，叫電壓反饋。如果反饋信號取自輸出電流，叫電流反饋。3)

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。反饋信號與輸入信號串聯(lián)，稱為串聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號并聯(lián)，稱為并聯(lián)反饋。第8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二直流反饋：反饋只對直流分量起作用，反饋元件只能傳遞直流信號。交流反饋：反饋只對交流分量起作用，反饋元件只能傳遞交流信號。引入交流負(fù)反饋的目的：改善放大電路的性能引入直流負(fù)反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二負(fù)反饋交流反饋直流反饋電壓串聯(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)反饋的類型穩(wěn)定靜態(tài)工作點第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二3.反饋類型的判別步驟2)

判別是否負(fù)反饋？3)

是負(fù)反饋！判斷是何種類型的負(fù)反饋？1)

找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容）。第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二

1

判別反饋元件（一般是電阻、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。uoRFuiR2R1++––++–RLuoRFuiR2R1+–++–+–RL第12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二

2

利用瞬時極性法判斷負(fù)反饋i1if

iduoRFuiR2R1++––++–RL－+–uf+–uduoRFuiR2R1+–++–+–RL

1若反饋元件接回到信號輸入端一側(cè)，則反饋信號和輸入信號是以電流的形式進(jìn)行比較的；

2若反饋元件接回到接地輸入端一側(cè)，則反饋信號和輸入信號是以電壓的形式進(jìn)行比較的；

3

串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋比較電流為并聯(lián)反饋，比較電壓為串聯(lián)反饋第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二

4電壓反饋還是電流反饋1圖中反饋電流取自輸出電壓——電壓反饋2圖中反饋電壓取自輸出電壓——電壓反饋總結(jié)：反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負(fù)載電阻RL的靠近“地”端引出的，是電流反饋；第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二7.3

運算放大器電路中的負(fù)反饋并聯(lián)電壓負(fù)反饋i1if

iduoRFuiR2R1++––++–RL－設(shè)輸入電壓ui

為正，差值電流id=i1–

if各電流的實際方向如圖if削弱了凈輸入電流(差值電流)

——負(fù)反饋反饋電流取自輸出電壓——電壓反饋

反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較——并聯(lián)反饋第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二串聯(lián)電壓負(fù)反饋+–uf+–uduoRFuiR2R1+–++–+–RL設(shè)輸入電壓ui為正，差值電壓ud=ui–

uf各電壓的實際方向如圖uf削弱了凈輸入電壓(差值電壓)

——負(fù)反饋反饋電壓取自輸出電壓——電壓反饋反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較

——串聯(lián)反饋第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二串聯(lián)電流負(fù)反饋uouiR2RL+–++–ioR+–uf–+ud設(shè)輸入電壓ui

為正，差值電壓ud=ui–

uf各電壓的實際方向如圖uf削弱了凈輸入電壓(差值電壓)

——負(fù)反饋反饋電壓取自輸出電流——電流反饋

反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較

——串聯(lián)反饋uf=Rio第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二并聯(lián)電流負(fù)反饋RFR1uiR2RL+–++–ioRi1ifid設(shè)輸入電壓ui

為正，差值電流id=i1–

if各電流的實際方向如圖if削弱了凈輸入電流(差值電流)——負(fù)反饋反饋電流取自輸出電流——電流反饋

反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較

——并聯(lián)反饋－第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二例1：試判別下圖放大電路中從運算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。uf+–uo1uiR+–++–uo++–RLA1A2解：因反饋電路直接從運算放大器A2的輸出端引出，所以是電壓反饋；串聯(lián)反饋；因輸入信號和反饋信號的極性相同，所以是負(fù)反饋。－－串聯(lián)電壓負(fù)反饋先在圖中標(biāo)出各點的瞬時極性及反饋信號；第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二例2：試判別下圖放大電路中從運算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。解：因反饋電路是從運算放大器A2的負(fù)載電阻RL的靠近“地”端引出的，所以是電流反饋；因輸入信號和反饋信號均加在同相輸入端上，所以是并聯(lián)反饋;因凈輸入電流id等于輸入電流和反饋電流之差，所以是負(fù)反饋。－并聯(lián)電流負(fù)反饋uo1uiR++–uo++–RLA1A2i1ifid第20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二

1)

判別反饋元件（一般是電阻、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。例1：RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–第21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–2)判斷是交流反饋還是直流反饋交、直流分量的信號均可通過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通過，這時RE引入的則是直流反饋。ＣE例1：第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二例1：

3)判斷反饋類型凈輸入信號：

ui

與

uf串聯(lián),以電壓形式比較——串聯(lián)反饋

ui正半周時,uf也是正半周,即兩者同相——負(fù)反饋

uf正比于輸出電流——電流反饋

——串聯(lián)電流負(fù)反饋+uf–+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–ieube

ube

=ui-

uf

uf

=ieRE

icRC第23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二分析射極輸出器的反饋類型串聯(lián)電壓負(fù)反饋+VCCRBC1C2RSTRLui

REuS++uo

uf=uo

，輸出電壓全部反饋到輸入端。ube

=ui–

uf，完是串聯(lián)比較，且三者同相，uf

削弱了ube

，uf

第24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二負(fù)反饋對放大電路性能的影響反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+第25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二1.

降低放大倍數(shù)負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。則有：射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電壓放大倍數(shù)較低就是因為電路中引入了負(fù)反饋。若|AF|>>1，稱為深度負(fù)反饋，此時：在深度負(fù)反饋的情況下，閉環(huán)放大倍數(shù)僅與反饋電路的參數(shù)有關(guān)。第26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二例：|A|=300，|F|=0.01。第28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二3.展寬通頻帶引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加無負(fù)反饋有負(fù)反饋BWfBWf|Au|O第29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二4.

改善波形失真Auiufud加反饋前加反饋后uo大略小略大略小略大負(fù)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。uoAF小接近正弦波正弦波ui第30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二uiubeib++––5.

對輸入電阻的影響在同樣的

ui下，ib減小，所以

rif

提高。1)串聯(lián)負(fù)反饋無負(fù)反饋時：有負(fù)反饋時：uf+–使電路的輸入電阻提高第31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二if無負(fù)反饋時：有負(fù)反饋時：在同樣的ui下，ii

=ib+if>ib，所以rif

降低。2)并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻降低iiibui+–第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二電壓負(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6.對輸出電阻的影響第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二理想運算放大器及其分析依據(jù)1.理想運算放大器Ao

，ri，ro0，KCMR2.電壓傳輸特性uo=f(ud)線性區(qū)：uo

=Ao(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+UoM

u+<u–

時，uo=–UoM

+UoMuduo–UoM線性區(qū)理想特性實際特性uo++u+u–+UCC–UEE–飽和區(qū)

O第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二3.理想運放工作在線性區(qū)的特點所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”

(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性++∞uou–u+i+i––

ud

uo線性區(qū)–UoM+UoM

O第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二1.

反相比例運算uoRFuiR2R1++––++–－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號和反饋信號加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋7.5基本運算電路第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二1.

反相比例運算（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求靜態(tài)時u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF第37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因為ui加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二例：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求：1.Auf

、R2；

2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF

、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二2.同相比例運算電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端—串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負(fù)反饋uoRFuiR2R1++––++–第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二2.同相比例運算因虛斷，所以u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFu+u–第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因為ui加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二當(dāng)R1=且RF

=0時，uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–由運放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。（完）uo+–++–15kRL15k+15V

7.5k例：第43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二加法運算電路

1.反相加法運算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以ii1+ii2=if

第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二2.(補充內(nèi)容）同相加法運算電路(wan)根據(jù)疊加原理

ui1單獨作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨作用時ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二uoRFuiR2R1++––++–uoRFuiR2R1++––++–R3uoui++––++–uo+–++–15kRL15k+15V

7.5k總結(jié)：第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–第47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二減法運算電路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––R2//R3

=R1

//RF如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。第48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二分析方法利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二

11ui121

2.兩級反相輸入減法運算電路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2F2uo=

—–

?

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12F1F2F2第50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二微分運算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui第51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二比例-微分運算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分—PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC第52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二積分運算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–第53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uitO積分飽和線性積分時間–UoMuotO+UoM輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui第54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二

將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運算電路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分這種運算器又稱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。第55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二理想運算放大器及其分析依據(jù)1.理想運算放大器Ao

，ri，ro0，KCMR2.電壓傳輸特性uo=f(ud)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+UoM

u+<u–

時，uo=–UoM

+UoMuduo–UoM線性區(qū)理想特性uo++u+u–+UCC–UEE–飽和區(qū)

O第56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二1.理想運放工作在線性區(qū)的特點所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”

(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性++∞uou–u+i+i––

ud

uo線性區(qū)–UoM+UoM

O第57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二2理想運放工作在飽和區(qū)的特點：1.輸出只有兩種可能+Uo

M

或–UoM

當(dāng)u+>u－

時，uo=+Uo

M

u+<u－

時，uo=–

UoM

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－=0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性uo

u+–u–

–UoM+UoM飽和區(qū)O第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)或正反饋。第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二電壓傳輸特性

–UoM

+UoM運放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時，uo=+Uo

M

u+<u–

時，uo=–Uo

M

即ui<UR時，uo=+Uo

M

ui

>UR

時，uo=–

Uo

M可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。(完)參考電壓第60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二關(guān)于實驗:運算放大器外形圖第61頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二判斷共射放大電路的反饋類型凈輸入信號：

ui

與

uf串聯(lián),以電壓形式比較——串聯(lián)反饋

ui正半周時,uf也是正半周,即兩者同相——負(fù)反饋

uf正比于輸出電流——電流反饋

——串聯(lián)電流負(fù)反饋+uf–+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–ieube

ube

=ui-

uf

uf

=ieRE

icRC第62頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二判斷射極輸出器的反饋類型串聯(lián)電壓負(fù)反饋+VCCRBC1C2RSTRLui

REuS++uo

uf=uo

，輸出電壓全部反饋到輸入端。ube

=ui–

uf，完是串聯(lián)比較，且三者同相，uf

削弱了ube

，uf

第63頁，共71頁，2023年，2月20日，星期二

正弦波振蕩電路用來產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號。它的頻率范圍很廣，可以從一赫以下到幾百兆以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉(zhuǎn)換而來的。7.7正弦波振蕩電路常用的正弦波振蕩器LC振蕩電路:輸出功率大、頻率高。RC振蕩電路:輸出功率小、頻率低。

應(yīng)用：無線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號發(fā)生器、半導(dǎo)體接近開關(guān)等。第64頁，共71頁，2023