第3章 集成运算放大器

1、.1第三章 集成运算放大器3.1 集成运算放大器集成运算放大器3.2 基本的运算电路基本的运算电路3.3 放大电路中的反馈放大电路中的反馈3.4 滤波电路滤波电路.23.1 集成运算放大器3.1.1 模拟集成电路的特点 1电阻和电容的值不宜做得太大，电路采用直接耦合方式 2为克服直接耦合电路的温度漂移，常采用差分放大电路 3尽量采用半导体三极管(或场效应管)代替电阻、电容和二极管等元件.3集成运算放大器的组成n输入极采用差分放大电路来减小温度漂移，并提供运放的同相输入端和反相输入端n中间级主要用来放大，采用共发射极放大电路来提高电压增益n输出极常采用OTL、OCL互补对称式功率放大电路提高输出

2、功率和带负载能力.4集成运算放大器的电路符号1、反相输入端，用符号“”表示。由此输入的信号，输出与输入信号反相；2、同相输入端，用符号“+”表示。由此输入的信号，输出与输入信号同相；3、输出端国际符号国际符号.5集成运算放大器的主要参数 开环差模电压放大倍数Auo 共模抑制比CMR 开环差模电压放大倍数/开环共模电压放大倍数 差模输入电阻Rid 两输入端对差模信号呈现的输入电阻 差模输出电阻Ro 开环状态下输出电阻.6理想集成运算放大器 开环差模电压放大倍数Auo= 开环输入电阻Rid= 开环输出电阻Ro=0 共模抑制比CMR= 若引入反馈：线性区.7理想集成运算放大器 虚短 理想运放，根据A

3、uo，则有运放两个输入端对地的电压几乎相等，即U+U-;Uid=0 二者不相连而电位又几乎相等，相当于虚短路，通常称为“虚短”； 虚断 根据差模输入电阻Rid的理想化条件，运放的输入电流Iid0。 运放的两个输入端没有电流流入，即I+=I-0 相当于断开一样，故通常称为“虚断” 。ouo /UUUA.83.2 基本运算电路3.3.1 比例运算电路1、反相输入比例运算电路及反相器1100ifiiofffoufiuuiiiiuiRuiRRuAuR .9比例运算电路2、同相输入比例运算电路及电压跟随器为保证运放工作在线性区，在输出端和反相输入端之间接反馈电阻Rf构成深度电压串联负反馈 11111(1

4、)1ifiiofffoifoufiuuuiiuiRuuiRRuuRRuAuR .10电压跟随器 若R1=或Rf=0，则uo=ui，此时电路构成电压跟随器11foufiRuAuR .11加减运算电路1、反相加法运算电路 两个输入信号ui1、ui2，分别经电阻R1、R2加在反 相输入端1212121212121212,0()iifiiofffoiiuuIIRRIIIuuuRRRRRuuuRR .12加减运算电路2、同相加法运算电路1231231123123123(1)()( / / / / / /)1()2fiiiofoiiiRuuuuRRRRRRRRRRRRRuuuu当时.13加减运算电路叠加定

5、理3、减法运算电路：如果输入信号由运放的两个输入端同时加入，则为减法运算电路，也称差值运算电路。当四个电阻相同，21oiiuuu123/ / /FRRRR.14积分和微分电路1、积分运算电路 积分电路可以完成对输入信号的积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正比。电容C引入电压并联负反馈，运放工作在线性区。 01( )( )toiu tu t dtRC .15积分电路 基本积分电路的积分波形.16积分和微分电路2、微分运算电路 微分是积分的逆运算，微分电路的输出电压是输入电压的微分。图中R引入电压并联负反馈使运放工作在线性区。 ( )( )iodu tu tRCdt .17自动控制系统PID调

6、节器122120;11,1222 1111( 1)2211122112 1121 2PNFCIIIIIRFIIICFIIIIIuuiiiduuiCCidtRduRui RuR CRdtduuui dtCdtdtCCdtRCuu dtCRCduRCuouR Cu dtRCdtR C R2=0，PI调节器C2=无穷大，为PD调节器.183.3 放大电路中的反馈1 . 反馈的基本概念2 . 负反馈放大电路3 . 反馈放大电路的闭环增益4 . 负反馈对放大电路性能的影响.19反馈：将放大电路输出量(电压或电流)的一部 分或全部通过反馈网络回送到输入回路反馈的基本概念.20电路是否存在反馈电路的输出和输

7、入回路之间有无反馈通路。联系输入回路与输出回路的元件为反馈元件。.21直流反馈与交流反馈 反馈元件仅存在于直流通路中，则为直流反馈； 反馈元件仅存在于交流通路中，则为交流反馈；.22例例6：判断如图电路中：判断如图电路中RE3的负反馈作用。的负反馈作用。+UCCT1T2T3RB1RC1RB2RC2RB3RC3RE3uiube1ufie3对直流不起作用对直流不起作用.23对直流起作用，稳定静态工作点对直流起作用，稳定静态工作点uouiiiBiFuFRE2RfRE1RC1RC2+UCCiE2uC1uB2.24电压反馈与电流反馈 电压反馈：反馈信号正比于输出电压 电流反馈：反馈信号正比于输出电流U=

8、IR 不容易判断.25输出负载短路法 令输出端负载短路 ， 若反馈不存在，则为电压反馈 反馈仍存在，则为电流反馈0,0LoRU.26电压反馈与电流反馈 反馈量取自于非信号输出端的是电流反馈 反馈量取自于信号输出端的是电压反馈 电流电压.27串联反馈与并联反馈 串联反馈：以电压形式在输入回路串联相比较，调整输入电压 并联反馈：以电流形式在输入节点并联相比较，调整输入电流.28串联反馈与并联反馈 反馈量加到非信号输入端的是串联反馈。 反馈量加到信号输入端的是并联反馈。串联并联.29正反馈和负反馈 放大电路引入反馈后，削弱了净输入信号，使电路的增益降低，这种反馈称为负反馈； 反馈量增强了净输入信号，

9、使增益提高的反馈称为正反馈。.30瞬时极性法 判断反馈极性： 先假设输入电压信号的极性为 ，推出放大电路各点的极性并确定电路从输出回路反馈到输入回路的瞬时极性，最后判断反馈量的极性是增强还是削弱净输入信号，便可判定是正负反馈。 .31正反馈和负反馈判断输入输出极性的方法： 集成运放器： 信号从同相输入端输入时，输出与输入同相； 信号从反相输入端输入时，输出与输入反相； 共发射极电路输入、输出反相； 共集电极与共基极电路输入、输出同相；判断正负反馈的经验法： 反馈信号加到输入端，并联反馈：反馈信号与输入信号的极性相反为负反馈； 反馈信号加到非输入端，串联反馈：反馈信号与输入信号极性相同为负反馈；

10、.32正反馈和负反馈 反馈信号加到输入端时，反馈信号与输入信号的极性相反为负反馈； 反馈信号加到非输入端时，反馈信号与输入信号极性相同为负反馈；.33负反馈放大电路 按反馈信号的输出取样方式和输入连接的比较方式可以组成四种负反馈： 电压串联负反馈 电流串联负反馈 电压并联负反馈 电流并联负反馈.34电压串联负反馈 负反馈:反馈信号加到非输入端时，反馈信号与输入信号极性相同； 电压反馈:反馈量取自于信号输出端 串联反馈:反馈量加到非信号输入端：串联反馈.35电流串联负反馈nR1是联系输入输出回路的反馈元件，输出电流Io通过R1产生反馈电压 将负载RL短路，R1仍然接在输入、输出、回路之间，即反馈

11、仍然存在，故为电流反馈； 反馈电压Uf加在非信号输入端，在输入回路中与输入电压Ui串联相比较，故为串联反馈。.36电压并联负反馈 Rf是联系输入输出回路的反馈元件。 反馈信号取自于输出端的电压量; 令RL=0，反馈不存在，故为电压反馈； 反馈量加到信号输入端，故为并联反馈。.37例题.38电流串联负反馈.39电流并联负反馈 R2是反馈元件; 令RL=0时，反馈仍然存在，是电流反馈； 反馈信号加在集成运放的信号输入端，与输入信号在输入节点以电流形式相比较，是并联反馈。.40例题.41电压串联负反馈.42+UCCRCC2C1RfuiuoiibifRf 的作用：的作用：1. 提供静态工作点。提供静态

12、工作点。2. 直流负反馈，稳定静态工作点。直流负反馈，稳定静态工作点。3. 交流负反馈，稳定放大倍数。交流负反馈，稳定放大倍数。.43电压串联负反馈电路1.12211FIFIRuuoRRuuRuouR可看成电压源，输出电阻很小OIuAuu.44电流串联负反馈电路121111.1IRRROFOFIOIuiiRiIui RuuiuR可看成电流源，输出电阻为无穷大OIiAuu.45电压并联负反馈电路0,.NPFIFIuouuiiiRuoRiUo仅仅决定于Ii,可将电路看成由电流Ii控制的电压源Uo,输出电阻很小OIuAui.46电流并联负反馈电路212120.1.NPIFOOIuuRiiiRRRii

13、RIo仅仅决定于Ii,可将电路看成由电流Ii控制的电流源Io,输出电阻趋于无穷大OIiAui.47负反馈的特点电压负反馈可以稳定输出电压 .48负反馈的特点 电流负反馈可以稳定输出电流.49负反馈的特点串联反馈，输入信号、反馈信号及净输入信号在输入回路中以电压形式比较 并联反馈，输入信号、反馈信号及净输入信号在输入回路中以电流形式比较idifUUUidifIII.50反馈放大电路的闭环增益A为无反馈的基本放大电路；F表示反馈网络；X表示输入量，电压或电流。idifXXX基本放大电路的开环增益 反向传输时的反馈系数oidXAXfoXFX.51反馈放大电路的闭环增益负反馈放大电路的闭环增益：11o

14、idfoidfidXXXoXoAAFXXiXXAFX反馈深度(1+AF)：反馈对放大电路性能的影响程度11oidfoidfidXXXoXoAAFXXiXXAFX.52反馈放大电路的闭环增益 当|1+AF|1时，|Af|1，一般满足|AF|10，即为深度负反馈时，Af1/F 当|1+AF|A|，即引入反馈后提高了放大电路增益-正反馈。正反馈可以提高增益，但使放大电路的性能不稳定 当|1+AF|=0时，|Af|=，即在没有输入信号时也有输出信号，此时产生了自激振荡，使放大电路不能正常工作.53深度负反馈电路闭环放大倍数Af只取决于反馈系数F，和基本放大电路的放大倍数A无关。深度负反馈条件下有反馈量

15、Xf近似等于输入量Xi，即XiXf。10oioiidifooXAXFXXFXXXFXFX1111/fAAAFAFF.54深度负反馈电路 串联反馈电路，输入量和反馈量均为电压 并联反馈电路，输入量和反馈量均为电流0ifidUUU0ifidIII“虚短”“虚断”.55深度负反馈条件下的电压放大倍数Auf电流串联负反馈1( 12)( 12)/ / 3RIRRIo RRR.56深度负反馈条件下的电压放大倍数Auf.57(Rf+Re1)/Re1.58深度负反馈条件下的电压放大倍数Auf.59(R4+R2)/R2.60负反馈对电路性能的影响 提高闭环增益的稳定性 放大电路的放大倍数可能由于环境温度的变化、

16、电源电压的变化等原因而发生变化。 负反馈对输出量有自动调节作用，使增益稳定 。AAAFAAd11dff闭环增益的相对变化量为开闭环增益的相对变化量为开环增益相对变化量的环增益相对变化量的AF11.61提高闭环增益的稳定性.62改善波形的失真改善波形的失真.63Xi=Xi-Xf.64减小非线性失真Aouiuo加反馈前加反馈前加反馈后加反馈后ufuiudAoF+ 改善改善uo.65负反馈对输入电阻的影响 串联负反馈使电路的输入电阻增加：iidiididiiif1iuAFiAFuuiuRiif1RAFR.66负反馈对输入电阻的影响 并联负反馈使电路的输入电阻减小：ididididifidiiiif)

17、1 (1iuAFAFiiuiiuiuRAFRR1/iif.67对输入、输出电阻的影响对输入、输出电阻的影响1. 串联负反馈使电路的输入电阻增加：串联负反馈使电路的输入电阻增加：ioifrFAr)1 ( 2. 并联负反馈使电路的输入电阻减小：并联负反馈使电路的输入电阻减小：)1 (FArroiif例如例如:射极输出器射极输出器理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。一个电阻，故输入电阻增加。理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路，故输入电阻减小。一条支路，故输入电阻减小。.68负反

18、馈对输出电阻的影响 电压负反馈使放大电路输出电阻减小； 电流负反馈使放大电路输出电阻增大；(1)oofRRA F(1)ofoRRA F.69电压负反馈使电路的输出电阻减小电压负反馈使电路的输出电阻减小)1 (FArrooof例如例如:射极输出器射极输出器理解：电压负反馈目的是阻止理解：电压负反馈目的是阻止 uo的变化，稳定的变化，稳定输出电压输出电压。放大电路空载时放大电路空载时可等效右图框中可等效右图框中为电压源：为电压源：输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。roesouoRL.70IURXooofi 0RURUUIooooooAFAF)1 ()(

19、AFRRoof1.71理解：电流负反馈目的是阻止理解：电流负反馈目的是阻止 io的变化，稳定的变化，稳定输出电流输出电流。放大电路空载时放大电路空载时可等效为右图框可等效为右图框中电流源：中电流源：输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。电流负反馈使电路的输出电阻增加：电流负反馈使电路的输出电阻增加：ooofr )FA(r 1roisoioRL.72IURXooofi 0AFAFRUIRUIoooooo1)(RRoofAF )1 ( .73抑制噪声.74小结 直流负反馈：稳定放大电路的静态工作点 交流负反馈：要改善放大电路的动态性能（增益的稳定性、稳定输

20、出量、减小失真等） 电压负反馈：稳定输出电压，输出电阻减小 电流负反馈：稳定输出电流，输出电阻增大 串联负反馈：增大输入电阻 并联负反馈：减小输入电阻.75小结 反馈量是取自输出电压（电压反馈） 反馈量取自输出电流（电流反馈） 反馈量与输入量以电压方式叠加（串联反馈） 反馈量与输入量以电流方式叠加（并联反馈）.76四种反馈组态电路的方框图放大电路引入电压负反馈还是电流负反馈，取决于负载欲得到稳定的电压（电压负反馈）还是稳定的电流（电流负反馈），放大电路引入是串联还是并联负反馈，取决于输入信号源是恒压源还是恒流源.77放大倍数的分析1121212UfRFuuUoRRUfIoRFuiRIoIoUo

21、IfRFiuUoUoRIfRFiiIoRR 121111(.)111(,.111(.(1).2UoUoRAuufAufUiUfFuuRIoIoUoIoRLAiufAufRLUiUfFuiUiUfFuiUoUoUoUoRAuifUsIiRsIfRs AusfIiIfFiuUsIfRsFiu RsRsIoIoUoIoRLRLRRLAiifAusfIiIfFiiUsIfRsFii RsRRs .78滤波器的功能：对频率进行选择滤波器的功能：对频率进行选择, ,过滤掉噪声和干扰信过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。滤波器主要用来滤除信号中无号，保留下有用信号。滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，

22、例如，有一个较低频率的信号，其中用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。包含一些较高频率成分的干扰。3.4 滤波电路滤波电路.79 滤波器的频响滤波器的频响 本章讨论由运放及RC元件构成的滤波器。.80RCR1. 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器(无源无源)iU oU RC10 j1Rj1UUioRCj11 0j11 CC0j11)j (T 传递函数传递函数20)(11)j (T 幅频特性幅频特性一一. 低通有源滤波器低通有源滤波器.8120)(11)j (T ioUU0 10.707 0截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差。、带负载能

23、力差。2、无放大作用。、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。幅频特性、幅频特性曲线幅频特性、幅频特性曲线iU oU RCR.82带负载的影响1/11(/)/112 (/)LLLLLLLLRUoAupUiRRRRRRUoAupj CAufUijRR CRRjj CfpfpRR C带负载后，通带放大倍数减小，通带频率升高，无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载变化而变化.83oF11URRRU UURR1RFC+-+iU oU 2.一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数RCiUCj1RCj1U iUCj11 RC传递函

24、数中出现传递函数中出现 的一次项的一次项,故称为一故称为一阶滤波器阶滤波器.84幅频特性：幅频特性：201Fio)(11)RR1(UU )RC1(0 相频特性：相频特性：0arg RR1RFC+-+iU oU 幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数RC.851、0 时：时：)RR1(UU1Fio 有放大作用有放大作用3、运放输出，运放输出，带负载能力强。带负载能力强。?2、0 时：时：21)RR1(UU1Fio 幅频特性与一阶无幅频特性与一阶无源低通滤波器类似源低通滤波器类似电路特点电路特点:.86图7.4.14 四阶低通滤波器方框图.87三种类型二阶LPF的的幅频特性Q值分别为0.707,0.96,0.56Butterworth的幅频特性无峰值，在f=f0附近为单调减Chebyshev在f=f0附近的截止特性最好，曲线的衰减斜率最陡Bessel的过渡性能最好，相频特性无峰值.88二二. . 高通有源滤波器高通有源滤波器oF11URRRU UUiUCj1RCj1U iUCj11 R1 RCRR1RFC+-+iU oU 高通高通