电路与电子技术第6章集成运算放大器及其应用3

1、所谓理想运放理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化，即认为集成运放的各项指标为：6.4 放大电路的反馈6.4.1 理想运放的技术指标理想运放的技术指标1、什么是理想运放、什么是理想运放 在分析估算集成运放的应用电路时，工程上允许实际运放造成的误差可认为是理想运放，如无特别说明，均将集成运放作为理想运放进行讨论。开环差模电压增益Aod = ；差模输入电阻RId = ；输出电阻Ro = 0；共模抑制比KCMR = ；上限截止频率fH = ； 输入失调电压、失调电流以及它们的零漂均为零。 集成运放的工作状态有线性和非线性两种状态，在其传输特性曲线上对应两个区域，即线性区线性区和非线性区非线性区。

2、2 理想运放的两种工作状态理想运放的两种工作状态运放在电路中的符号及电压传输特性曲线运放在电路中的符号及电压传输特性曲线ui(-)ui(+)uo_+A国标符号国标符号A_+uo国标符号国标符号ui(-)ui(+)uId =（u+ - u -）差动输入差动输入线性区非线性区非线性区uoudo电压传输特性+uOM-uOM理想特性实际特性实际特性 当工作在线性区时，集成运放的输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即 )(odOuuAu1. 线性区线性区 式中uo是集成运放的输出端电压；u+ 和u-分别是其同相输入端和反相输入端电压；Aod是其开环差模电压增益。ui(-)ui(+)uo_

3、+A国标符号国标符号uId =（u+ - u -）差动输入差动输入0/odOAuuu uu 上式表明同相输入端与反相输入端的电位相等，如同将该两点短路一样，但实际上该两点并未真正被短路，因此常将此特点简称为虚短虚短。 实际集成运放的Aod，因此u+ 与u- 不可能完全相等。但是当Aod足够大时，集成运放的差模输入电压（u+ - u -）的值很小，可以忽略。理想运放工作在线性区时有两个重要特点：理想运放工作在线性区时有两个重要特点：（1）理想运放的差模输入电压等于零理想运放的差模输入电压等于零虚短虚短因理想运放的Aod = ，所以由上式可得)(odOuuAuuId =（u+ - u -）差动输入

4、差动输入uoui(-)ui(+)_+A 由于理想运放的差模输入电阻R I d = ，因此在其两个输入端均没有电流，即有0ii 此时运放的同相输入端和反相输入端的电流都等于零，如同该两点被断开一样，将此特点简称为虚断虚断。（2）理想运放的输入电流等于零）理想运放的输入电流等于零-虚断虚断 虚短虚短和虚断虚断是理想运放工作在线性区时的两个重要特点。这两个特点常常作为今后分析运放应用电路的出发点。 如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，则输出电压与输入电压不再满足线性区的表达式2. 非线性区非线性区理想运放工作在非线性区时，也有两个重要特点：uoui(-)ui(+)_+AR I d = )(odO

5、uuAu即 在非线性区内，运放的差模输入电压（u+ - u -）可能很大，即 u +u - ，此时不存在虚短虚短现象。 （1）理想运放的输出电压uo只有两种取值：或等于运放的正向最大输出电压+UOM，或等于其负向最大输出电压-UOM，当当u + u - 时，时，u o = +UOM 因为理想运放的RId = ，故在非线性区仍满足输入电流等于零，即式对非线性工作区仍然成立。 当当u + u - 时，时，u o = -UOM uoudo理想特性实际特性+uOM-uOM（2）理想运放的输入电流等于零0iiuoui(-)ui(+)_+AR I d = 如上所述，理想运放工作在不同状态时，其表现出的特点

6、也不相同。因此，在分析各种应用电路时，首先必须判断其中的集成运放究竟工作在哪种状态。 集成运放的开环差模电压增益Aod通常很大，为了保证运放工作在线性区，一般情况下，必须在电路中引入深度负反馈，以减小直接施加在运放两个输入端的净输入电压。反馈放大器的方框图 净输入Xf反馈量输出量输入量+基本放大电路AXo反馈网络FXiiX 所谓反馈所谓反馈就是将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路形式（反馈网络）引回到它的输入端来影响输入量（电压或电流）的连接方式。 1 反馈的基本概念反馈的基本概念反馈放大电路的方框图6. 4 .2负反馈的基本概念及判别方法负反馈的基本概念及判别方法

7、叫开环放大倍数； 叫反馈系数； 叫闭环放大倍数。因为所以ioXXA0XXFfiofXXA fiiXXXFAAXXAiof1净输入Xf反馈量输出量输入量+基本放大电路AXo反馈网络FXiiX定义iifiiFAXXXXX即：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2 反馈的分类及判别方法反馈的分类及判别方法反馈的各类反馈的各类负反馈正反馈电压负反馈电流负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈有无反馈的判断有无反馈的判断 若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路，即反馈网络，并影响放大电路的净输入量并影响放大电路的净输入量，则表明电路中引入了反馈。寻找电

8、路中有无反馈通路是判断电路中是否引入反馈的主要方法。+AuuoR2Ii.，If.Ii.R1ui+AuuoR2ui无反馈有反馈无反馈+Auuoui0XiXfX 如果反馈量 增强了净输入 ，使输出量 有所增大，称为正反馈正反馈 如果反馈量 削弱了净输入量 ，使输出量 有所减小，则称为负反馈负反馈。 fXiX0X反馈放大器的方框图 净输入Xf反馈量输出量输入量+基本放大电路AXo反馈网络FXiiX正、负反馈的判断正、负反馈的判断正负正负反馈判断反馈判断的基本的基本方法方法：一般用瞬时极性法（1）首先假设输入信号某一时刻的瞬时极性为正（用“+”表示）或负（用“-”表示），“+”号表示该瞬间信号有增大的

9、趋势，“-”则表示有减小的趋势（2）根据输入信号与输出信号的相位关系，逐步推断电路有关各点此时的极性，最终确定输出信号和反馈信号的瞬时极性。（3）再根据反馈信号与输入信号的连接情况，分析净输入量的变化，如果反馈信号使净输入量增强，即为正反馈，反之为负反馈。反馈类型判断的反馈类型判断的步骤步骤例例 试判断图所示电路中引入的是正反馈还是负反馈。i b = i i i f+AuuoR2uiR1uiuF+_+_+AuuoR2uiR1uiuF+_+uI= uI - uFuI= uI + uF+_UoRLUCCRcRfIiRsClC2+sU+IfIb负反馈负反馈负反馈负反馈正反馈正反馈+AuuoR2Ii.

10、，If.Ii.R1uiCR3+AuuoR2uiCR1直流反馈交流反馈（2）直流反馈和交流反馈）直流反馈和交流反馈 按反馈量中包含交、直流的成分的不同，有直流反馈和交流反馈。在集成运放反馈电路中，往往是两者兼有。 如果反馈量中只含有直流成分，称为直流反馈直流反馈。主要作用是稳定静态工作点 如果反馈量中只含交流成分，称为交流反馈交流反馈。交流负反馈则影响电路的动态性能。交、直流反馈共存仅有直流反馈 输出电压为0，若反馈量随之为0，则为电压反馈；若反馈量依然存在，则为电流反馈。电路引入了电压负反馈判定方法输出短路法输出短路法。将反馈放大器的输出端对交流短路, 若其反馈信号随之消失, 则为电压反馈电压

11、反馈, 否则为电流反馈。 因为输出端对交流短路后, 输出交变电压为零, 若反馈信号随之消失, 则说明反馈信号正比于输出电压, 故为电压反馈；若反馈信号依然存在, 则说明反馈信号不正比于输出电压, 故不是电压反馈, 而是电流反馈。(3) 电压反馈和电流反馈的判定：电压反馈和电流反馈的判定：UoRLUCCRcRfUiRsClUsC2+ReUoRLUCCRcRbUiRsClUsC2+电流反馈电流反馈电压反馈电压反馈电流仍然存在反馈量随之为0引入电压负反馈稳定输出电压引入电流负反馈稳定输出电流仅受基极电流的控制电路引入了电流负反馈反馈电流FINiiiFIDuuu引入了并联反馈引入了串联反馈Fu（4）串

12、联反馈和并联反馈）串联反馈和并联反馈 若放大电路输入端，输入量、反馈量和净输入量电流信号的形式方式叠加，为并联反馈。fiiIIIfiiUUU 若放大电路输入端，输入量、反馈量和净输入量以电压信号的形式方式叠加，为串联反馈。 总结：判别反馈步骤 1）采用瞬时极性法，若是负反馈，需进一步判断反馈的组态； 2）从输出端，判别电压、电流反馈-反馈信号直接从输出电压取为电压负反馈，否则为电流负反馈； 3）从输入端，判别串联、并联负反馈-若输入端信号是电压、串联叠加形式的为串联负反馈，以电流、并联形式叠加的为并联负反馈ReUoRLUCCRcRbUiRsClUsC2+UoRLUCCRcRfUiRsClUsC

13、2+电流串联反馈电流串联反馈电压并联反馈电压并联反馈fiiIIIfiiUUUUiUfUi,IfIiIi, 图示电路有无引入反馈？是直流反馈还是交流反馈？是正反馈还是负反馈？若为交流负反馈，其组态为哪种？分立元件放大电路中反馈的分析+_+_uF引入了电流串联负反馈放大器电路反馈的判断举例放大器电路反馈的判断举例串联电压负反馈放大器电路串联电压负反馈放大器电路 Rb2Rc222RbRc1Rb1CeT2TlC2RfUCC+Uo+Ui+Re1Re2UoRLUCCRcRfUiRsClUsC2+电压并联反馈电压并联反馈_+_UF+_IFIi,Ii串联电流负反馈放大器串联电流负反馈放大器UoCeRe3CIc

14、21UbeRLRfRcUCC+C14Uf+UioI+2Rb1Rb并联电流负反馈放大器并联电流负反馈放大器 C1UsoCUCC+IfRsUiIiRfUoRLI+1Rc1Re2Rc1Ib1Ce2Re2Ue2Ie2Ic2单级电压串联负反馈电路单级电压串联负反馈电路RBUCC+C1+Ui.C2+Ui.，REUf=Uo.RLUo.反馈网络+RBUCCC1Ui.C2Ui.,RERL反馈网络反馈网络+Uf.RofRCIc.+单级电流串联负反馈电路单级电流串联负反馈电路R2UCC+C2Ui.RERLUo.CER1If.Ii.Ii,RC反馈网络反馈网络+Ui.单级电压并联负反馈电路单级电压并联负反馈电路串联电压

15、负反馈串联电压负反馈R2c1R1R5R4R6RLC1Ui.Uf.R3+C3V1V2c2C2UoUCC+Ui.反馈网络反馈网络e1b1+,+并联电流负反馈并联电流负反馈R2+CCUi.R3RLUo.R6CER1Ii.c1If.Ui.e1V1e2UCCR4V2R5Rof反馈网络反馈网络b1Ii.c2+，+串联电流负反馈电路串联电流负反馈电路 R2+Ui.R3c1Ui.T1c2R4T2R5CBUf.R8b1R1CCRLUo.+e3UCCR6T3R7反馈网络反馈网络，三级并联电压负反馈电路三级并联电压负反馈电路 Ui.V1+R3CE1R1If.Ii.IiR2c1R4R6CE3R8R7UCCV2V3b1

16、RifR1反馈网络反馈网络Uo.c2c3R5.Ui. ,=,+6.4.3 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响 闭环放大倍数Af, 仅是开环放大倍数A的(1+FA)分之一。 1 使放大器的放大倍数下降使放大器的放大倍数下降根据负反馈的定义可知, 负反馈总是使净输入信号减弱。iiXX 对负反馈放大器则有ioioXXXX所以FAAAf1净输入Xf反馈量输出量输入量+基本放大电路AXo反馈网络FXiiXioXXA0XXFfiofXXA AAf即负反馈对放大电路性能的影响，主要表现在以下几个方面：AFAAf1 可见Af A 式中，1+AF称为反馈深度，当1+AF 1时， ，称放大电路为深度

17、负反馈。FAf1（1）若（1+AF）1，则Af A，说明引入反馈后使放大倍数减小，这种反馈称为负反馈负反馈。负反馈放大电路是以牺牲放大倍数作为代价换来整个电路性能的稳定。讨论：讨论：可简化为 ，这表明，当反馈深度（1+AF）1时，闭环放大倍数Af基本上等于反馈系数F的倒数，而与放大电路的放大倍数与放大器本身的A无关，只于反馈系数有关，称为深度负反馈称为深度负反馈FAf1在负反馈情况下，如果反馈深度（1+AF）1，则式AFAAf1 如温度等因素变化而导致放大网络的放大倍数A发生变化，只要F的值一定，就能保证闭环放大倍数Af稳定，这是深度负反馈放大电路的一个突出优点。深度负反馈放大电路的一个突出优

18、点。（2）若（1+AF）1，则AfA，即引入反馈后放大倍数比原来增大，因此这种反馈称为正反馈称为正反馈。（3）若（1+AF）= 0，即AF = 1，则Af。说明当Xi= 0时，Xo0，放大电路在没有外加输入信号，也有一定的输出信号。放大电路的这种状态。 有时为产生正弦波或其它波形信号，有意识地在放大电路中引入一个正反馈，并使之满足自激振荡的条件。例如，当A变化10 %时，若1+AF = 100，则Af仅变化0.1%。 2 提高放大倍数的稳定性。提高放大倍数的稳定性。 应当指出，Af的稳定性是以损失放大倍数作为代价的，即Af减小到A的（1+AF）分之一，才使其稳定性提高到A的（1+AF）倍。22

19、)1 (1)1 ()1 (FAFAAFFAdAdAfAFAAf1FAFA1111AAFAf11AAFAdAdAff)1 (1AdAFAAdAff)1 (1开环放大倍数相对稳定度为AA闭环放大倍数相对稳定度为ffAA减小非线性失真和抑制干扰、噪声 负反馈减小非线性失真 3 改善非线性失真改善非线性失真 无反馈无反馈AXiX0w w t大大小小w w t大大小小w w t 小小w w t大大有无反馈有无反馈AFXiXi,X0Xfw w tw w t小小w w t大大负反馈改善放大器频率响应的示意图 4 展宽频带展宽频带fbwf=(1+FA)fbw无反馈放大器的频率响应有负反馈放大器的频率响应AIAI3 dBAIfAIf3 dBfLfH无反馈放大器的带宽负反馈放大器的带宽fLffHf增益f(频率)A引入负反馈后，电压放大倍数下降几分之一，通频带就展宽几倍。可见，引入负反馈可以展宽通频带，但这也是以降低放大倍数作为代价的。1)对输入电阻的影响iiiifiiiifiiiIAFUUIUUIURIURiif)1 (RAFR 对输入电阻的影响仅与反馈网络与基本放大电路输入端的接法有关，即决定于是串联反馈还是并联反馈。串联负反馈增大了输入电阻串联负反馈增大了输入电阻5. 负反馈可以改变输入、输出电阻负反馈可以改变输入、输出电阻ioUX