電工電子技術(shù)課件 第八章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

第八章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用本章知識(shí)點(diǎn)1.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2.理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，掌握其基本分析方法。3.掌握用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和積分運(yùn)算電路的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。5.能判別電子電路中的直流反饋和交流反饋、正反饋和負(fù)反饋以及負(fù)反饋的四種類型。6.理解負(fù)反饋對(duì)放大電路工作性能的影響。7.掌握正弦波振蕩電路自激振蕩的條件。8.了解RC振蕩電路的工作原理。8.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介8.1.1集成運(yùn)算放大器的符號(hào)、類型及主要參數(shù)

利用硅平面工藝技術(shù)將半導(dǎo)體、電阻、小電容等器件以及它們間的連線集中制作在一塊小的半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的完整電路稱為集成電路。

集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，它實(shí)際上是一個(gè)多級(jí)直接耦合高電壓放大倍數(shù)的放大器。

集成運(yùn)放一般包括輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四個(gè)部分，如圖8-2所示。8.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介8.1.1集成運(yùn)算放大器的符號(hào)、類型及主要參數(shù)

輸入級(jí)是提高集成運(yùn)放質(zhì)量的關(guān)鍵部分，其主要作用是提高放大電路的輸入電阻，減小零漂，有效地抑制干擾信號(hào)。輸入級(jí)一般采用具有恒流源的差動(dòng)放大電路。

中間級(jí)的主要作用是進(jìn)行電壓放大，一般由共發(fā)射級(jí)電路組成。

輸出級(jí)主要向負(fù)載提供足夠大的輸出功率，并具有較低的輸出電阻和較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。此外，還設(shè)有過載保護(hù)電路。輸出級(jí)一般由射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱電路組成。

偏置電路的作用是為上述各級(jí)電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，一般由各種恒流源電路組成。8.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介8.1.2集成運(yùn)算放大器的理想模型

理想運(yùn)算放大器應(yīng)滿足以下各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：

開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud→∞

輸入電阻rid→∞

輸出電阻rod→0

共模抑制比KCMR→∞

實(shí)際上真正的理想運(yùn)放并不存在，但各項(xiàng)指標(biāo)與理想運(yùn)放非常接近，因此在分析計(jì)算和應(yīng)用中，往往將實(shí)際集成運(yùn)放理想化，以簡(jiǎn)化分析過程。8.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介8.1.2集成運(yùn)算放大器的理想模型

1．線性放大區(qū)

當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，其輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)作線性變化，即uod=Aud（u+-u-）

對(duì)于理想集成運(yùn)放，由于Aud→∞，而uod為有限值（不超過電源電壓），可得uid=u+-u-=uod/Aud≈0，即u+≈u-

上式表明，集成運(yùn)放同相端和反相端的電位近似相等，即兩輸入端為近似短路狀態(tài)，并稱之為“虛短”。

其次，又因?yàn)閞id→∞，兩輸入端幾乎不取用電流，即兩輸入端都接近于開路狀態(tài)，并稱之為“虛斷”，記為i+=i-≈08.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介8.1.2集成運(yùn)算放大器的理想模型

2．非線性工作區(qū)

當(dāng)集成運(yùn)放的輸入信號(hào)過大，或未采取相關(guān)措施時(shí)，由于Aud很大，只要有微小的輸入信號(hào)，電路立即進(jìn)入飽和狀態(tài)。

當(dāng)集成運(yùn)放工作在飽和狀態(tài)時(shí)，兩輸入端的電流依然為零，即i+=i-≈0。

綜上所述，在分析具體的集成運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí)，可將集成運(yùn)放按理想運(yùn)放對(duì)待，判斷它是否工作在線性區(qū)。一般來說集成運(yùn)放引入負(fù)反饋時(shí)，將工作在線性區(qū)；引入正反饋或開環(huán)狀態(tài)時(shí)，將工作在非線性區(qū)。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.1反饋的一般概念

將放大電路的輸出信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部，通過某種電路（稱為反饋網(wǎng)絡(luò)）引回到輸入端，從而影響凈輸入信號(hào)的過程稱為反饋。從輸出端反送到輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。

含有反饋網(wǎng)絡(luò)的放大電路稱為反饋放大電路，其組成框圖如圖8-7所示。圖中A表示沒有反饋的放大電路稱作基本放大電路。F表示反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)一般由線性元件組成。由圖8-7可見反饋放大電路由基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因此又把它稱為閉環(huán)放大電路。而把沒有反饋的基本放大電路成為開環(huán)放大電路。xi、xf、xid和xo分別表示電路的輸入量、反饋量、凈輸入量和輸出量，它們可以是電壓，也可以是電流。

判斷一個(gè)電路是否存在反饋，要看該電路的輸出回路和輸入回路之間有無起聯(lián)系作用的元件（網(wǎng)絡(luò)），若有則該元件（網(wǎng)絡(luò)）成為反饋元件。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.1反饋的一般概念8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.2負(fù)反饋放大電路中的物理量間的基本關(guān)系

由此可得，放大電路閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為

反饋有正負(fù)之分，如果反饋量使凈輸入量得到增強(qiáng)，則稱為正反饋；反之，若反饋量使凈輸入量減弱，則稱為負(fù)反饋。

1+AF稱為反饋深度，其值越大，則負(fù)反饋越深。工程中，通常把（1+AF）＞＞1時(shí)的反饋稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

1.反饋極性

通常采用瞬時(shí)極性法來判斷反饋的極性。具體方法是：先假定輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)對(duì)地極性為正，并用標(biāo)示，然后順著信號(hào)的傳輸方向，逐步推出輸出信號(hào)和反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性，并用

或Θ標(biāo)示，最后判斷反饋信號(hào)是增強(qiáng)還是減弱輸入信號(hào)，如果是增強(qiáng)則為正反饋，反之則為負(fù)反饋。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

例8-1判斷圖8-9所示電路的反饋極性。

圖8-9（a）：假定輸入電壓對(duì)地瞬時(shí)極性為，根據(jù)運(yùn)放同相輸入的特性，輸出電壓uo對(duì)地的瞬時(shí)極性也為，通過反饋支路，將反饋電壓uf送到反相輸入端，瞬時(shí)極性仍為。由于uid=ui-uf，uf使凈輸入量減少，則該電路為負(fù)反饋。上述過程可表示為：

ui→u+→uo→uf→u-→uid=ui-uf凈輸入量減少圖（b）：假定輸入信號(hào)對(duì)地瞬時(shí)極性為，則各點(diǎn)電壓變化過程為ui→u-→uoΘ→ufΘ→u+Θ→uid=ui-uf凈輸入量增強(qiáng)，則該電路為正反饋。

(a)ui∞uo++-+RL++uiduf(b)uoui+∞++-uid+-ufΘΘ圖8-9例8-1圖

(a)正反饋

（b)負(fù)反饋8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

2.交流反饋和直流反饋

反饋還有交流和直流之分。若反饋信號(hào)是交流量，則稱為交流反饋，它影響電路的交流性能；若反饋信號(hào)是直流量，則稱為直流反饋，它影響電路的直流性能；若反饋信號(hào)中既有交流量，又有直流量，則反饋對(duì)電路的交、直流性能都有影響。

3.反饋電路的類型

根據(jù)反饋信號(hào)在輸出端的取樣和在輸入端的連接方式，放大電路可以組成四種不同類型的負(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)反饋和電流并聯(lián)負(fù)反饋。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

（1）電壓反饋和電流反饋

電壓反饋還是電流反饋是按照反饋信號(hào)在放大器輸出端的取樣方式來分類的。若反饋信號(hào)取自輸出電壓，即反饋信號(hào)與輸出電壓成比例，稱為電壓反饋；若反饋信號(hào)取自輸出電流，即反饋信號(hào)與輸出電流成比例，稱為電流反饋。

（2）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋是按照反饋信號(hào)在放大器輸入端的連接方式來分類的。若反饋信號(hào)在放大器輸入端以電壓形式出現(xiàn)，即與輸入信號(hào)串聯(lián)，則為串聯(lián)反饋；若反饋信號(hào)在放大器輸入端以電流形式出現(xiàn)，即與輸入信號(hào)并聯(lián)，則為并聯(lián)反饋。判斷方法：如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)加在同一端上，則為并聯(lián)反饋；若加在不同端上則為串聯(lián)反饋。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

例8-2電路如圖8-10所示，判斷反饋類型。

假定輸入信號(hào)對(duì)地瞬時(shí)極性為負(fù)，由于三極管的集電極和基極的信號(hào)相位相反，而發(fā)射極的信號(hào)相位跟隨基極相位，所以經(jīng)兩級(jí)共射放大電路反相后，uo為正，反饋電壓uf為正。因凈輸入量uid=ube=ui-uf減少，電路為負(fù)反饋。

在輸入端，輸入信號(hào)與反饋信號(hào)分別加在三極管b、e兩端，由上述概念，反饋信號(hào)線和輸入信號(hào)線不在一個(gè)端，故為串聯(lián)反饋。在輸出端，若將負(fù)載電阻處短路，則輸出信號(hào)通地，反饋信號(hào)隨之消失，故為電壓反饋。

綜上所述，電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。圖8-10例8-2圖uo+VCCui+++---ufΘ8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

4．本級(jí)和級(jí)間反饋

本級(jí)反饋是指由一個(gè)三極管或一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成一級(jí)電路產(chǎn)生的反饋，而級(jí)間反饋是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上的三極管或運(yùn)算放大器構(gòu)成的多級(jí)電路中級(jí)與級(jí)之間發(fā)生的反饋。在多級(jí)電路中主要研究級(jí)間反饋。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.4負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響

1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性

引入深度負(fù)反饋后，電路的閉環(huán)增益僅取決于反饋系數(shù)F，因?yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)大多由線性元件構(gòu)成，穩(wěn)定性比較高，因此放大倍數(shù)比較穩(wěn)定。

2.減小非線性失真

由于三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等元件的非線性，會(huì)造成輸出信號(hào)的非線性失真，引入負(fù)反饋后可以減小這種失真。其原理如圖8-11所示。圖8-11負(fù)反饋減小非線性失真id

必須指出，負(fù)反饋只能減小放大電路內(nèi)部引起的非線性失真，對(duì)于信號(hào)本身固有的失真則無能為力。此外，負(fù)反饋只能減小而不能消除非線性失真。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.4負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響

3.改善頻率響應(yīng)

由于電路中電抗元件的存在，如耦合電容、旁路電容以及三極管本身的結(jié)電容等，放大器的放大倍數(shù)會(huì)隨頻率而變化。實(shí)驗(yàn)證明，放大電路在高頻區(qū)和低頻區(qū)的電壓放大倍數(shù)比中頻區(qū)低。

4.改變輸入電阻和輸出電阻

根據(jù)不同的反饋類型，負(fù)反饋對(duì)放大器的輸入電阻、輸出電阻有不同的影響。

負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響取決于反饋信號(hào)在輸出端的取樣方式。因電壓負(fù)反饋可穩(wěn)定輸出電壓，具有恒壓特性，因此電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小。因電流負(fù)反饋可穩(wěn)定輸出電流，具有恒流特性，由恒流源特性可知，電流負(fù)反饋使輸出電阻變大。8.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

由集成運(yùn)算放大器可以組成各種線性和非線性應(yīng)用電路，如信號(hào)運(yùn)算電路、信號(hào)處理電路、信號(hào)產(chǎn)生電路和信號(hào)變換電路等。本節(jié)將介紹集成運(yùn)放電路和電壓比較器電路。

由于集成運(yùn)放開環(huán)增益很高，所以其構(gòu)成的基本運(yùn)算電路均為深度負(fù)反饋電路，在兩個(gè)輸入端之間滿足“虛短”和“虛斷”，以下電路均是根據(jù)這一特性進(jìn)行分析。

１.集成運(yùn)放的線性應(yīng)用

（1）反相比例運(yùn)算

圖8-12所示為反相比例運(yùn)算電路，輸入信號(hào)ui通過電阻R1加到集成運(yùn)放的反相輸入端，反饋電阻RF接在輸出端和反相輸入端之間，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。R2=R1//RF為直流平衡電阻，其作用是保證當(dāng)ui為零時(shí)，uo也為零，從而消除輸入偏置電流以及溫漂對(duì)放大電路的影響。圖8-12反相比例運(yùn)算電路uo∞i1uiifR1R2RFi-i+++A8.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

根據(jù)“虛斷”的概念，可得：

當(dāng)R1=RF=R時(shí)，，即輸出電壓與輸入電壓大小相等、相位相反，圖8-12所對(duì)應(yīng)的電路則稱為反相器。

（2）同相比例運(yùn)算電路

圖8-13所示為同相比例運(yùn)算電路，輸入信號(hào)ui通過電阻R2加到集成運(yùn)放的同相輸入端，反饋電阻RF接在輸出端和反相輸入端之間，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。R2為直流平衡電阻，滿足R2=R1//RF的關(guān)系。

根據(jù)u+≈u-，i+=i-≈0，由圖8-13可得

如取RF=0或R1=∞，可得8.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用圖8-14電壓跟隨器uo∞ui++(a)uoRF∞ui++(b)圖8-13同相比例運(yùn)算電路R2∞i1uouiifR1RFi-i+++A圖8-15加法電路∞i1ui1ifR1RFi-i+++R2R3iii2i4ui2ui3uoR48.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

（3）加法運(yùn)算

圖8-15所示為三個(gè)輸入信號(hào)的加法運(yùn)算電路，輸入信號(hào)采用反相輸入方式。直流平衡電阻R4=R1//R2//R3//RF。

根據(jù)“虛斷”的概念，由圖8-15可得：ii≈if

又ii=i1+i2+i3

再根據(jù)“虛地”的概念，可得

則8.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

（4）減法運(yùn)算

圖8-16所示為減法運(yùn)算電路，它是反相端和同相端都有信號(hào)輸入的放大器，也稱差分輸入放大器。其中ui1通過R1加到反相端，而ui2通過R2、R3分壓后加到同相端。

由“虛短”的概念，得

整理可得圖8-16減法電路uo∞ui1R1R3++ui2R2i1RF8.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

（5）積分運(yùn)算

圖8-17所示為積分運(yùn)算電路，它和反相比例運(yùn)算電路的差別僅是用電容C代替反饋電阻RF。圖中直流平衡電阻R2=R1。

根據(jù)運(yùn)放反相端的“虛地”概念和圖示電壓、電流的參考方向，可得

即8.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用

（6）微分運(yùn)算

微分與積分互為逆運(yùn)算。將圖8-17中C與R1互換位置，即成為微分運(yùn)算電路，如圖8-18所示。

由圖8-18所示電壓、電流的參考方向以及“虛地”概念可得8.4用集成運(yùn)放構(gòu)成振蕩電路

8.4.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識(shí)

1.自激振蕩現(xiàn)象

信號(hào)發(fā)生器正是利用自激振蕩的原理來產(chǎn)生正弦波的。信號(hào)發(fā)生器為什么不需要輸入信號(hào)，就能得到一定頻率一定幅度的正弦波信號(hào)輸出呢？

2.自激振蕩形成的條件

我們可以借助圖8-24所示的方框圖來分析正弦波振蕩形成的條件。8.4用集成運(yùn)放構(gòu)成振蕩電路8.4.1

正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識(shí)

圖8-24是自激振蕩框圖。當(dāng)開關(guān)S處在“1”時(shí)，放大電路與電源接通，此時(shí)，電路的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和反饋信號(hào)分別為、和，它們相互間的關(guān)系已在圖中標(biāo)出。若適當(dāng)選擇電路參數(shù),使=，且將開關(guān)S打到“2”處，用反饋電壓代替原輸入電壓。

由框圖中各電量關(guān)系可以推出，自激振蕩形成的條件是

（１）振幅平衡條件

反饋信號(hào)的幅值與輸入信號(hào)的幅值大小相等，可表示為AF=1

（2）相位平衡條件

反饋信號(hào)與原輸入信號(hào)的相位相同，即電路中必須引入正反饋。8.4用集成運(yùn)放構(gòu)成振蕩電路

3.振蕩的建立與穩(wěn)定

當(dāng)放大電路接通電源的瞬間，隨著電源電壓由零開始的突然增大，電路受到擾動(dòng)，在放大器的輸入端產(chǎn)生一個(gè)微弱的擾動(dòng)電壓，經(jīng)放大器放大、正反饋、再放大、再反饋……，如此反復(fù)循環(huán)，輸出信號(hào)的幅度很快增加。

起振條件應(yīng)為

穩(wěn)幅后的幅度平衡條件為

4.正弦波振蕩電路的組成

（1）放大電路（2）反饋網(wǎng)絡(luò)

（3）選頻網(wǎng)絡(luò)（4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)8.4用集成運(yùn)放構(gòu)成振蕩電路

RC正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠,用來產(chǎn)生幾兆赫茲以下的低頻信號(hào),常用的RC振蕩電路有RC橋式振蕩電路和移相式振蕩電路。

1.串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由和并聯(lián)后與和串聯(lián)組成,如右圖所示。

設(shè)、的串聯(lián)阻抗用表示,和的并聯(lián)阻抗用

表示,輸入電壓加在與串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的兩端，輸出電壓從兩端取出。將輸出電壓與輸入電壓之比作為RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)，記為，那么在實(shí)際電路中取,,由數(shù)學(xué)推導(dǎo)得(8-14)8.4用集成運(yùn)放構(gòu)成振蕩電路

由以上分析可知：串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)只在

即2.橋式振蕩電路RC橋式振蕩電路如圖所示。

圖