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船舶无线电技术基础 第3章 集成运算放大器 上篇 模拟电路 主讲教师：杨梅 1 3.1 集成运算放大器 n 概述 n集成电路：在半导体制造工艺基础上，把整个电 路中的元器件（晶体管、场效应管、二极管、电 阻和电容等）及它们之间的连线制作在一块硅基 片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路 。 n集成电路分类：模拟集成电路和数字集成电路。 集成放大电路被广泛应用于各种模拟信号的运算 上，称为集成运算放大器（简称集成运放）。 2 3.1.1 集成运算放大器概述 集成运放：直接耦合，高放大倍数的集成电路。 n运放一般结构图 输入级：差动放大器。 中间级：电压放大器实现，高放大倍数。 输出级：带负载功放实现，射极跟随器或互 补对称电路。 输入级 差放 中间级 电压放 大 输出级 功放 公共偏置电路 v- v+ 3 n符号 nF007（5G24）集成运放的外形结构和引脚排列 “” 反相输入端 “ + ” 同相输入端 vO 输出端 金属圆壳式 陶瓷双列直插式 3.1.1 集成运算放大器概述 4 2为反相输入端。 3为同相输入端。 4为负电源端。接15V稳压电源 7为正电源端。接+15V稳压电源 6为输出端。 1和5为外接调零电位器（通常为 10k）的两个端子。 8为空脚。 nF007（5G24）集成运放的外部连接图 3.1.1 集成运算放大器概述 5 3.1.2集成运放的主要性能指标及传输特性 （1）主要性能指标 差模开环电压放大倍数Avo：运放工作在线性区、而 且无反馈的情况下的差模电压放大倍数。 Avo越高，运算电路越稳定，运算精度也越高 Avo 一般为：104107。 差模输入电阻rid：输入 (vv)时的输入电阻 最大输出电压VOPP：能使输出电压和输入电压保持 不失真关系的最大输出电压。 6 3.1.2集成运放的主要性能指标及传输特性 （2）传输特性：表示输出电压vO与输入电压vi（vi=v+- v-） 之间的关系。 n工作区域：线性区、饱和区 （1）线性区：v0和vi呈线性关系 结构特点：运放必引入深度负反馈 应用：运算电路、有源滤波电路 。 vOAvO（vv-） 7 3.1.2集成运放的主要性能指标及传输特性 （2）饱和区 当vv时， vo=+Vo(sat) 当vv时， vo=-Vo(sat) 结构特点：运放无反馈或有正反馈 应用：电压比较器、非正弦波发生器 。 线性 饱和 8 3.1.3 集成运放的理想化条件 n集成运放理想化条件： 1、差模开环电压放大倍数 2、差模输入电阻 3、输出电阻 9 （1）线性区：结构决定必引入：深度负反馈 v0和vi呈线性关系 vOAvo（vv-） （vv-） vO/ Avo Avo （vv-） 0 v = v- 1、（vv-） 0 v = v- “虚短”原则 若v=0，v= v =0 “虚地” 3.1.4 线性区和饱和区的分析方法 10 3.1.4 线性区和饱和区的分析方法 rid ii 0 2、 输入电流节ii （vv-）/rid 0 “虚断”原则 n当运放工作在线性区时，“虚短”和“虚断” 原则是分析输入和输出信号关系的两个重要依据 。 11 （2）饱和区： 结构特点：运放无反馈或有正反馈 当vv时， vo=+Vo(sat) 当vv时， vo=-Vo(sat) “虚断”原则仍适用 “虚短”原则不适用 3.1.4 线性区和饱和区的分析方法 12 3.2 反馈 n反馈放大器定义 n组成框图 vi 放大器 vo 反馈 反馈-放大器的输出信号 （电压或电流），按一定 路径回送到放大器输入端 的过程。 闭环 开环 开环放大倍数 闭环放大倍数 13 3.2.1 反馈放大器的基本概念 n反馈放大器组成框图 开环放大倍数 反馈系数 净输入信号 闭环放大倍数Af： 环路增益 反馈深度 14 3.2.2 反馈的极性和作用 1 深度负反馈 反馈深度 负反馈：凡是使净输入量减小的反馈。 正反馈：凡是使净输入量增大的反馈。 自激： n正反馈应用在振荡器中 n负反馈具有改善放大电路性能的作用 15 3.2.3负反馈的四种基本类型 n从负反馈在输出端取样方式 电压 电流 n在输入端和输入信号比较方式 电压 电流 四种形式： 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联 串联 并联 16 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 n 有无反馈的判断 n直流反馈与交流反馈的判断 n反馈极性的判断 n负反馈类型的判断 17 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 n有无反馈的判断：是否存在输出回路与输入回 路相连接的通路，并影响了放大器的净输入 无有 无 18 n直流反馈与交流反馈的判断 n直流反馈：仅在直流通路中存在的反馈。 n交流反馈：仅在交流通路中存在的反馈 。 n交、直流反馈同时存在。 n通过反馈是存在于放大电路的直流通路还是交 流通路中，来判断电路引入的是直流反馈还是 交流反馈。 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 19 n举例：直流反馈与交流反馈的判断 （a）电路 直流通路 （有） （c）交流通路（无） 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 直流通路：C开路，无反馈 交流通路：C短路，有反馈 20 若 负反馈 若 正反馈 反馈极性的判断 瞬时极性法： 假设电路输入信号在某一时刻的瞬时极性（对地的 极性），用 “+”（） 或 “”（） 表示。 根据输出信号与输入信号的相位关系，逐级判断电 路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得到 输出信号的极性。 根据输出信号的极性判断反馈信号的极性。 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 21 n反馈信号极性判断举例：瞬时极性法 vD = vi - vf vD = vi - vf i- = ii - if 负反馈 正反馈负反馈 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 22 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 n 负反馈类型的判断 （1）电压和电流反馈 电压反馈 输出短路法： 当RL=0vo=0,反馈消失，电压反馈；反馈存在，电流反馈 输出短路法 反馈消失 23 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 n电压和电流反馈举例 电流反馈 输出短路法： 当RL=0vo=0,反馈消失，电压反馈；反馈存在，电流反馈； 反馈存在 输出短路法 24 n负反馈类型的判断 （2）串联和并联的判断 n反馈信号和输入信号实现电压比较，串联反馈 ；实现电流比较，并联反馈。 串联反馈并联反馈 n输入信号和反馈信号接到同一个输入点上， 则为并联反馈；否则为串联反馈。 3.2.4 反馈极性与负反馈类型的判断 25 3.2.5 负反馈对放大电路性能的影响 （1）提高闭环放大倍数Af的稳定性 n电压负反馈稳定输出电压，电流负反馈稳定电流。 （2）展宽放大电路的通频带 一定时： 带宽增益乘积为常数 负反馈展宽通频带，但它是以降低放大倍数为代价的。 26 （3）减小非线性失真 3.2.5 负反馈对放大电路性能的影响 27 （4）改变输入输出电阻 并联反馈：输入电阻rif 串联反馈：输入电阻rif 电压反馈：输出电阻减小,rof 电流反馈：输出电阻增大,rof （b) 输出电阻的影响 (a) 输入电阻的影响 3.2.5 负反馈对放大电路性能的影响 28 n反馈类型判断举例 电压串联负反馈 n稳定输出电压; n输出电阻减小; n输入电阻 增大; n 有无反馈的判断 n直流反馈与交流反馈的判断 n反馈极性的判断 n负反馈类型的判断 反馈极性与负反馈类型的判断举例 29 n反馈类型判断 电流串联负反馈 n稳定输出电流; n输出电阻增大; n输入电阻 增大; 反馈极性与负反馈类型的判断举例 30 n反馈类型判断 电压并联负反馈 n稳定输出电压; n输出电阻减小; n输入电阻 减小; 反馈极性与负反馈类型的判断举例 31 n反馈类型判断 电流并联负反馈 n稳定输出电流; n输出电阻减小; n输入电阻 减小; 反馈极性与负反馈类型的判断举例 32 总结：负反馈 n引入负反馈对电路性能的影响 n直流负反馈：稳定放大电路的静态工作点 n交流负反馈：改善电路性能 n电压负反馈：减小输出电阻，稳定电压。 n电流负反馈：增大输出电阻，稳定电流。 n串联负反馈：增大输入电阻 n并联负反馈：减小输入电阻 n对放大性能的改善：使Af稳定，展宽通频带， 减小非线性失真 33 3.3 集成运算放大器的应用 n集成运放的使用 引入深度负反馈 n分析集成运算电路时，“虚短”和“虚断” 是重要依 据。 Z1、Z2、Zf： 可为容性、感性或纯阻性元件 运放工作在线性区 线性应用：运算电路和有源滤波电路 Zf：反馈元件引入负反馈，保证 电路工作于线性区。 34 3.3.1 比例运算电路 1. 反相比例电路 特点：输入信号和反馈信号都 加在集成运放的反相输入端。 反相比例放大 电压并联负反馈 虚短： 虚断： R1=Rf，vo=vs反相器 R2= R1/Rf 35 n同相比例放大 特点：输入信号在同相输入端 反馈信号在反相输入端 静态： 调R2调零，要求：R2R1/Rf 动态： 电压跟随器当 1）Rf0 2）R1 vo=vs 虚短： 虚断： 3.3.1 比例运算电路 36 3.3.2 减法运算电路 （双端输入 差动运算器） 1）令vs20，反相比例电路 2）令vs10，同相比例电路 3）叠加原理 ： 若：R1=R2，Rf=R3时 若：R1=Rf vovs2-vs1 37 A1：电压跟随器 vo1=vs1 A2：差动运算电路 举例：求输出电压vo的表达式 3.3.2 减法运算电路 38 3.3.3 加法运算电路 n反相加法运算电路 若：R1R22Rf vo （vs1vs2）/2 “虚短”和“虚断” 原则 v= v+=0 “虚断”原则 39 3.3.3 加法运算电路 n同相加法运算电路 若Rf=R3，R1=R2，则vo=vS1+vS2，故称为同相加法器 1）vs1单独作用时，令vs2=0 2）vs2单独作用时，令vs1=0 3）叠加原理： 40 3.3.4 积分和微分电路 积分电路 “虚短” 原则 v= v+=0 =R1C：时间常数 “虚断” 原则 41 3.3.4 积分和微分电路 微分电路 “虚短” 原则 v= v+=0 “虚断” 原则 42 3.3.5 模拟乘法器 n模拟乘法器：完成两个模拟信号相乘。 n电路符号 n应用：模拟信号的运算（乘法、平方、除法、开方 ） 、通信（调制、混频、同步检波、鉴相、鉴频 ） 43 3.4 滤波器 n滤波器的幅频特性分类 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器 （a）低通滤波器 （b）高通滤波器 P:截止频率 n滤波器：选频电路，允许一定频率范围内的信号顺利通 过，抑制或滤除不需要的频率。 44 3.4 滤波器 n滤波器的幅频特性 （c）带通滤波器 （d）带通滤波器 PL：下限截止频率； PH：上限截止频率 45 第三章集成运算放大器小结 n传输特性： n工作区域：线性区、饱和区 n线性区： vOAvo（vv-） （vv-） 0 n重要原则：虚短 虚断 n结构决定必引入：深度负反馈 n饱和区：达到限幅值，结构上：没有反馈或有正反馈 n反馈： n性能指标： 理想化条件： 46 第三章集成运算放大器小结 n反馈的极性： 反馈的作用 n负反馈的自动调节作用改善放大电路的性能 n提高闭环放大倍数Af的稳定性 n展宽放大电路的通频带 n减小非线性失真 n改变输入输出电阻 n正反馈非线性应用：振荡器 负反馈：凡是使净输入量减小的反馈。 正反馈：凡是使净输入量增大的反馈。 47 第三章集成