第十章集成運(yùn)算放大器

第十章集成運(yùn)算放大器10.1

集成運(yùn)算放大器概述10.3

負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善10.2

反饋的基本概念10.4

理想運(yùn)算放大器10.5

基本運(yùn)算放大器10.6

電壓比較器10.7

RC正弦波振蕩電路第10章目錄集成電路的特點(diǎn)1.元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；2.二極管大多用三極管的發(fā)射結(jié)代替；3.電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器均需外接；4.電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接。集成運(yùn)放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。10.1

集成運(yùn)算放大器概述第10章10

1

(一)集成運(yùn)算放大器的組成輸入級(jí)偏置電路輸出級(jí)中間級(jí)輸入級(jí)—差動(dòng)放大器輸出級(jí)—射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器中間級(jí)—電壓放大器偏置電路—由鏡像恒流源等電路組成輸入輸出第10章10

1輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)輸出集成運(yùn)放

741的電路原理圖+VCCuo+-反相輸入-VEE同相輸入T12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C

第10章10

1uduou+u

集成運(yùn)算放大器的符號(hào)輸出端反相輸入端同相輸入端信號(hào)傳輸方向理想運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)AO實(shí)際運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)

(一)集成運(yùn)算放大器的組成第10章10

1

（二）運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性UOM-UOMUim-Uim

uo=f

(

ud

)

,其中

ud

=

u+-u

uduoo線性區(qū)uo

=Ao

ud

正飽和區(qū)

uduo++

Ao負(fù)飽和區(qū)

u+u

第10章10

1正反饋xd=xi

+

xf負(fù)反饋xd=xi

xfA=

xo

/

xdF=

xf

/

xo放大電路反饋電路xoxixdxf

xi—總輸入信號(hào)xd

—凈輸入信號(hào)xf

—反饋信號(hào)開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)xo—輸出信號(hào)反饋：將放大器輸出信號(hào)的一部分或全部經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)送回輸入端。10.2

反饋的基本概念第10章10

2（一）負(fù)反饋分類1.串聯(lián)反饋2.并聯(lián)反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以并聯(lián)的形式作用于凈輸入端。并均以電流的形式出現(xiàn)。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端。并均以電壓的形式出現(xiàn)。ud=ui

-uf<uiid=ii

-if<ii放大電路反饋電路idiiifRLuo反饋電路放大電路uiudufRLuo第10章10

2舉例串聯(lián)反饋并聯(lián)反饋id=ii

-

if<

iiud=ui

-uf（一）負(fù)反饋分類ifidiiR1uiuo

RfR2A0++RLuduiuoRLR1R2A0++Rf

+uf第10章10

23.電壓反饋4.電流反饋反饋信號(hào)取自輸出電壓，與輸出電壓成比例。uf與uo成正比，為電壓反饋。反饋信號(hào)取自輸出電流，與輸出電流成比例。if與io成正比，為電流反饋。ioif反饋電路放大電路uiudufRLuo反饋電路放大電路uiudufRLuo（一）負(fù)反饋分類第10章10

2舉例uf=uo

R1Rf+R1uf與uo成正比串聯(lián)電壓負(fù)反饋uduiuoRLR1R2A0++Rf

+ufuf與io成正比串聯(lián)電流負(fù)反饋（一）負(fù)反饋分類設(shè)Rf

>>R,uduiRLR1R2A0++Rf

+uf+

ioRif+

uRuR=ioRuf=uRR1

/(Rf+R1)

uf=ioR

R1

/(Rf+R1)

第10章10

2舉例并聯(lián)電壓負(fù)反饋ifidiiR1uiuo

RfR2A0++RLuiRLR1R2A0++Rfii+

ioR+

ifid并聯(lián)電流負(fù)反饋第10章10

2并聯(lián)電壓負(fù)反饋串聯(lián)電壓負(fù)反饋并聯(lián)電流負(fù)反饋串聯(lián)電流負(fù)反饋串聯(lián)反饋：xi與

xf分別接在運(yùn)放兩個(gè)輸入端并聯(lián)反饋：xi

與xf接在運(yùn)放同一個(gè)輸入端xf直接接在輸出端，若將輸出端短路，則uo等于零，為電壓反饋；否則為電流反饋。

反饋類型：（二）負(fù)反饋的判斷是壓是流看輸出;是并是串看輸入第10章10

2Rf電壓串聯(lián)正反饋(級(jí)間)Rf1電壓串聯(lián)負(fù)反饋(本級(jí))Rf2電壓并聯(lián)負(fù)反饋(本級(jí))例：判斷Rf、Rf1、Rf2反饋類型。R11RfA0++A0++Rf1Rf2ui

+ud

+ufR12u01R21R22u0ui

u01

u0

uf

ud=ui

uf

瞬時(shí)極性法：第10章10

2分析分壓式偏置電路中的反饋。+UCCRCC1C2TRLRB2RE++RB1uoRSuS瞬時(shí)極性法：ui

uBE

iE

REiE

uBE=ui

REiE

串聯(lián)電流負(fù)反饋直流反饋：反饋信號(hào)是直流分量。交流反饋：反饋信號(hào)是交流分量uiBEC第10章10

210.3

負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善Af

=—

=

———xoxiAo1+

AoF閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng)AoF>>1時(shí)稱為深度負(fù)反饋1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性——=———11+

AFdAfAfdAoAo——2.加寬了通頻帶無負(fù)反饋0.707AoAfffLfH有負(fù)反饋AoAfAo0.707AffLffHfOBfBo第10章10

3uouo3.改善非線性失真加入負(fù)反饋無負(fù)反饋4.

改變輸入電阻和輸出電阻串聯(lián)負(fù)反饋提高輸入電阻

rif

>ri并聯(lián)負(fù)反饋降低輸入電阻

rif<ri電流負(fù)反饋提高輸出電阻

rof>ro電壓負(fù)反饋降低輸出電阻

rof<ro5.電壓負(fù)反饋穩(wěn)定了輸出電壓。電流負(fù)反饋穩(wěn)定了輸出電流。10.3

負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善第10章10

3=uoudAo（一）理想運(yùn)算放大器的主要條件：1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)AO接近于無窮大u+

>

u–時(shí)，

uo=+UOM

+UCCu+<

u–時(shí)，

uo=–UOM

–UCC2.開環(huán)輸入電阻ri接近于無窮大3.開環(huán)輸出電阻ro接近于零riro010.4

理想運(yùn)算放大器++

idudriuou–u+

第10章104相當(dāng)于兩輸入端之間短路idudri=u+

u–

相當(dāng)于兩輸入端之間斷路，但又未真正斷路，故稱

“虛斷路”id

0=uoudAo(二)理想運(yùn)算放大器在線性區(qū)工作的基本依據(jù)：=uoAoud但又未真正短路，故稱

“虛短路”2.輸入電阻ri接近于無窮大ud

=

u+

u–

01.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Ao接近于無窮大，引入深度負(fù)反饋后，uo為有限值。++

idudriuou–u+

++

idudriuou–u+

第10章104由“虛斷路”原則

id=0,有u+=0

由“虛短路”原則u+

u–=0

結(jié)論：反相輸入端為“虛地”。3.當(dāng)同相輸入端接地時(shí)，ifidiiR1uiuo

RfR2

++RL4.有載和空載時(shí)的輸出電壓相等(二)理想運(yùn)算放大器在線性區(qū)工作的基本依據(jù)：第10章104“虛斷路”原則存在（三）理想運(yùn)放非線性工作的分析依據(jù)注意：“虛短路”原則

不成立！第10章104（一）比例運(yùn)算電路虛斷：id=0虛地：uii1

=—R1i1=if

uo

=

uiRfR1故有：平衡電阻

R2=R1//Rfifidi1R1uiuo

RfR2

++RL1.反相比例運(yùn)算電路并聯(lián)電壓負(fù)反饋uoif

=

—Rf閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：Af

=

RfR110.5

基本運(yùn)算放大器第10章105又uii1

=——R1例：設(shè)

Rf

>>R4

,求Af.u'o

=R4R3R4+uo解：R4R3R4+uo=-Rf1且

i1=if

由Rf

>>R4

,得則Af=

=

-R1Rf(1+)R4R3uiuou'o1.反相比例運(yùn)算電路uiR3R1R2

++Rfi1+

R4+ifuou

oif

=

—Rf第10章1052.同相比例運(yùn)算電路虛斷：

id=0虛短：u+=

uiuiuoRLR1R2

++Rf

+ufuf=

uoR1R1+Rfu+

u–=uf=ui則uo=R1Rf）ui（1+Af=

=R1Rfuiuo1+同相跟隨器uo=

uiuiuo

++id第10章105若R11=R12=R1

uo=-（

+）

ui2ui1

RfRfR11R12ii1

+ii2=ifuo

=–Rfif=

–Rf

(ii1

+ii2)

（二）加法運(yùn)算電路ifii1R12ui1uo

RfR2

++RLR11ui2ii2ui1ii1

=—R11ui2ii2

=—R12則

uo=

-

（

ui1+ui2

）

RfR1平衡電阻R2=R11//R12//Rf第10章105u+=ui2

R3R2+R3利用疊加原理ifR1ui1uo

RfR2

++RLui2R3ui1單獨(dú)作用時(shí)：uo1

=

ui1RfR1ui2單獨(dú)作用時(shí)：ui1

和ui2同時(shí)作用時(shí)：uo2=R1Rf）u+（1+uo2=R1Rf）（1+ui2

R3R2+R3uo=uo1+uo2

=

ui1RfR1+R1Rf）（1+ui2

R3R2+R3（三）減法運(yùn)算電路第10章105RLui1

和ui2同時(shí)作用時(shí)：ifR1ui1uo

RfR2

++ui2R3uo=uo1+uo2

=

ui1RfR1+R1Rf）（1+ui2

R3R2+R3平衡電阻R2//

R3=R1//Rf若R1=R2=R3=Rf，則uo=ui2

ui1（三）減法運(yùn)算電路第10章105R13uo

Rf2R22

++RLR12ui2R11ui1uo1

Rf1R12

++Rf1uo1ui1R11=–—

兩級(jí)反相輸入減法運(yùn)算電路uoui2Rf2R12=–—

uo1Rf2R13–—

uoui2Rf2R12=–—

Rf2R13+—

Rf1ui1R11—

（三）減法運(yùn)算電路第10章105例：已知ui1=0.1V,ui2=0.2V,ui3=0.3V

求uo。N1ui3ui1

30K

N2uoui2

30K

30K

10K

10K

10K

10K

10K

uo1uo1=–ui1–ui2uo

=–uo1+2u+

u+=ui3

1/2

uo

=+ui1+ui2+2ui3

1/2=ui1+ui2

+

ui3

uo=0.1+0.2+0.3=0.6V

第10章105uiuo若輸入為方波則輸出波形為uo

=–Rf

ifui=uCif=i1=Cdtdui（四）微分運(yùn)算電路u+

u–=0ifi1uiuo

RfR2

++RL+uC

u+u–uo

=–RfCdtdui平衡電阻R2=Rf第10章105由于微分和積分互為逆運(yùn)算，將電容與電阻位置對(duì)調(diào)即可。（五）積分運(yùn)算電路RLifi1uiuo

R1R2

+++uC

u+u–if=i1=CdtduCi1=

uiR1

uo=-uC=

∫i1dt1C所以

uo=

∫ui

dt1CR1tuiUi0tuo

UOM0平衡電阻R2=R1第10章105UxUoV+—1.同相輸入式直流電壓表原理電路R1R2RF集成運(yùn)放在信號(hào)測(cè)量方面的應(yīng)用Uo=（1+RFR1）Ux第10章105RFuoR++N1N2N3ui2R1R1RPABRRFuo2uo12.測(cè)量放大器ui1uo=

(1+

)(ui2-ui1)RFR2R1RP第10章105ui為輸入電壓UR為參考電壓ui>UR時(shí)，uo=–UOMui

UR時(shí)，uo=+UOM（一）基本電壓比較器10.6

電壓比較器R1R2uouiUR

1.

反相輸入U(xiǎn)OM-

UOMuiuo0UR電壓傳輸特性第10章106（一）基本電壓比較器uoUOM-UOMuio10.6

電壓比較器R1R2uoui

當(dāng)UR=0，稱過零比較器電壓傳輸特性u(píng)i>0時(shí)，uo=

UOMui

0時(shí)，uo=+UOM第10章106ui>UR時(shí)，uo=+UOMui

UR時(shí)，uo=–UOMUOM-UOMuiuooUR?2.

同相輸入R1R2uouiUR

電壓傳輸特性（一）基本電壓比較器第10章106UR=0R1R2uoui

ui>0時(shí)，uo=+UOMui

0時(shí)，uo=–UOMuo-UOMuiUOMo電壓傳輸特性2.

同相輸入（一）基本電壓比較器第10章106例題：試根據(jù)ui的波形畫出uo的波形。tuiotuooUOM-UOMR1R2uoui

UOM-UOMuiouo第10章106R1R2

uoURui例：圖中所示為運(yùn)放組成的過溫保護(hù)電路，R3是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。KA是繼電器，溫度升高，超過規(guī)定值，KA動(dòng)作，自動(dòng)切斷電源。分析其工作原理。R3R4RKA+UCC溫度未超過規(guī)定值ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不動(dòng)作T溫度超過規(guī)定值，ui>UR，uo=+UOM，T導(dǎo)通。KA動(dòng)作第10章106-UZuiUZuoo1.

同相輸入過零限幅比較器（二）限幅比較器R1R2uouiR3

UZDz

第10章1062.

反相輸入過零限幅比較器R1R2uouiR3

UZDz

uoUZ-UZuio（二）限幅比較器第10章106電壓比較器的分析方法1.

輸出電壓躍變的條件2.

電壓傳輸特性輸出端不接DZ時(shí)，

uo

=

UOM輸出端接DZ限幅時(shí)，

uo

=

UZu+

u–u+

u–時(shí)，uo

0；

u+

<

u–時(shí)，uo

<0。

第10章106Rf=———UR

+———UOMR2

+RfR2

+RfR2u+=UH

=———（UOM–UR）+UR

R2

+RfR2（四）遲滯電壓比較器當(dāng)uo=+UOM，當(dāng)uo=–UOM

，u+=UL

=———(

UOM–UR）+UR

R2

+RfR2Rf=———UR

–———UOMR2

+RfR2

+RfR2R1R2uouiUR

Rf第10章106uiuoUOM-UOMoULUH當(dāng)ui<UL,u+

u–uo=+UOM

,u+=UH；當(dāng)ui>UH

，u+

<

u–uo=-UOM

,u+=UL；當(dāng)ui<UL,u+

u–uo=+UOM

,u+=UH。（四）遲滯電壓比較器R1R2uouiUR

RfU=UH

UL遲滯寬度第10章1061.產(chǎn)生自勵(lì)振蕩的條件Uf=?Ui?建立自勵(lì)條件Uo?Ud?AoF=Uo?Uf?=1Uo?AoUi=?（一）自勵(lì)振蕩10.7

RC正弦波振蕩電路沒有外加輸入信號(hào)作用，依靠電路自身的條件而產(chǎn)生一定頻率和幅值的交流輸出信號(hào)的現(xiàn)象稱為自勵(lì)振蕩。Uf=F?Uo?又反饋電路F放大電路AOUiRL?Uf?+

+Uo?

+第10章107自勵(lì)振蕩的條件:(1)相位條件:反饋電壓Uf與輸入電壓?Ui?同相,即正反饋，=

A

F+=2n

(n=0,1,2…)(2)幅度條件：反饋電壓與輸入電壓的大小相等，Uf

=UiUo?Ud?AoF=Uo?Uf?=1第10章107（一）自勵(lì)振蕩

Ao

F1才能起振2

起振過程振蕩建立時(shí)應(yīng)滿足：Uf>Ui不斷通過放大反饋再放大再反饋，使Uo不斷增大，一直到晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)Ao開始減小，當(dāng)Ao減小到滿足Ao

F=1時(shí)輸出電壓不再增加，振蕩達(dá)