第11章运算放大器

1、+VCCRBRCC1C2T 固定偏置共射极放大电路固定偏置共射极放大电路uiRSusuoRLVCCRCC1C2TRL+RB1uoRSusRB2RE+CE能够自动稳定静态工作点能够自动稳定静态工作点T+uiuoRSC1RBC2RERL+VCC静态分析静态分析动态分析动态分析估算法估算法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法图解法图解法11.1.111.1.1运算放大器的组成运算放大器的组成1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好；2. 二极管多用三极管的发射结代替；二极管多用三极管的发射结代替；3. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电阻的阻值受到限制，大

2、电阻常用三极管恒流源代替， 电位器需外接；电位器需外接；4. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。和变压器均需外接。集成运放是具有集成运放是具有很高开环电压放大倍数很高开环电压放大倍数的的直接耦合直接耦合放大器。放大器。 a. 集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器中间级中间级 电压放大器电压放大器b. 集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号uu+ uo u u+ uo反相反相输入端输入端同相

3、同相输入端输入端 ri 大大: :几百几百 k k 以上以上c.运放的特点：运放的特点：共模抑制比共模抑制比KCMR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 开环开环A o 很大很大:10:104 4 10 107 7理想理想运放：运放： ri KCMR ro 0 0Ao u u+ uo输入级输入级中间级中间级 输出级输出级-UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2ISd.原理框图：原理框图： 输入级输入级中间级中间级输出级输出级+UCCUEE u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS对输入级的要求：对输入

4、级的要求：尽量抑制零点漂移和共模噪声尽量抑制零点漂移和共模噪声 , , 增大输入阻抗增大输入阻抗 ri 。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。输入级输入级中间级中间级 输出级输出级UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级 输出级输出级UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，即输出主要提高带负载能力，即输出阻抗阻抗 ro小。给出足够的输出电流小。给出足够的输出电流io 。F007

5、电路原理图电路原理图信号测量放大器应用举例信号测量放大器应用举例 1. 运算放大器的电压传输特性运算放大器的电压传输特性 uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uiuo+2. 理想运放工作在理想运放工作在线性区线性区的分析依据的分析依据+iiuiriduO+uiiirid=对于理想运放对于理想运放:相当于两输入端之间相当于两输入端之间断路断路ii 0rid,2. 理想运放工作在理想运放工作在线性区线性区的分析依据的分析依据uiuO+相当于两输入端之间相当于两输入端之间短路短路ui 0,对于理想运放对于理想运放 u u+Auouo=uiu=u Auo+“虚断路虚断路”成立；

6、成立；3. 理想运放工作在理想运放工作在非线性区非线性区的分析依据的分析依据注意注意: u+ = u 输出输出u0只有两种可能：只有两种可能：u+u-时，时，u0= UOM;u+0 A0 uo uI开环开环 A0 uo uIR1R2闭环闭环R1、R2组成反馈网络组成反馈网络例：例：反馈极性的判断：反馈极性的判断：瞬时极性法瞬时极性法 先假设输入端信号先假设输入端信号在某一时刻对地的极性，在某一时刻对地的极性，依此向输出端逐级判断依此向输出端逐级判断电路中各相关点电位的电路中各相关点电位的极性或电流的流向，从极性或电流的流向，从而得到输出信号的极性；而得到输出信号的极性；再判断出反馈信号的极再判

7、断出反馈信号的极性，若反馈信号使基本性，若反馈信号使基本放大电路的净输入信号放大电路的净输入信号减小，则为负反馈，否减小，则为负反馈，否则为正反馈。则为正反馈。+R1 ，R2:引入负反馈引入负反馈+iiiFid uIR1 A0 uoR2R1R2R3RFDzuOuiUZ+RF, R2: 引入正反馈引入正反馈ud例：例：同相比例运算电路同相比例运算电路R2uiu oRLRFR1+ud+RF, R1:引入负反馈引入负反馈例：例：VCCRCC1C2TRL+RB1uoRSusRB2RE+CERE: 引入直流负反馈引入直流负反馈+例：例：uiuoR1RLRuf+-+ud+i0+R: 引入交直流负反馈引入交

8、直流负反馈例：例：+-R1R3R5A1A2R4R2+-vivo例：例：+R5：局部反馈：局部反馈+ 正反馈正反馈判断反馈的极性判断反馈的极性负反馈负反馈R1R3R5A1A2R4R2vivo例：例：+R2：全局反馈：全局反馈 判断反馈的极性判断反馈的极性AFxoxixdxf A= xo / xd开环放大倍数开环放大倍数F= xf / xo反馈系数反馈系数Af = = xo xiA 1+ AF闭环放大倍数（负反馈）闭环放大倍数（负反馈）, AF0负负反反馈馈交流反馈交流反馈直流反馈直流反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈电流并联负反

9、馈稳定或提供静态稳定或提供静态工作点工作点串联反馈串联反馈：ui = = uid +uf例图例图uiuoR1RLRuf+-+ud+i0uf i0R并联反馈：并联反馈：ii = = iid + + if例图例图uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif oRF电压反馈电压反馈：例图例图uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif oRF 0反馈信号取自输出电压反馈信号取自输出电压信号并与之成正比。信号并与之成正比。电流反馈电流反馈：例图例图uiuoR1RLRuf+-+ud+i0ufi0R 0反馈信号取自输出电流反馈信号取自输出电流信号并与之成正比。信号并与之成正比。 A0 uo+_+_ u

10、iRRL例例1：判断反馈的组态。：判断反馈的组态。串联电流串联电流+RR引入引入 交直流负交直流负反馈反馈iR2uu oRLRFR1例例2：判断反馈的组态。：判断反馈的组态。T+uiuoRSC1RBC2RERL+VCC+RE:串联电压负反馈串联电压负反馈例例3：判断反馈的组态。：判断反馈的组态。+uoR2RF 引入极间：引入极间： 负反馈负反馈uf+串联串联 电流电流例例4：判断反馈的组态。：判断反馈的组态。RF 1 、RF2分别引入本极：分别引入本极： 并联电压负反馈并联电压负反馈uiRRF1RF2N1N2N3uORF1并联电压负反馈并联电压负反馈(级间级间)RF2串联电压负反馈串联电压负反

11、馈(级间级间)例例5：判断：判断RF1、RF2引入的反馈组态。引入的反馈组态。do=XXAof=XXFfid=XXXAFAXXAf+=1iofXdXoXiX+则有：则有：AA fdfXX 、同相，所以同相，所以 AF 是正实数是正实数负反馈时，负反馈时，中中，在在 1 fAFAA+ += =dodo=XXXXXXAFff 射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电射极输出器、不带旁路电容的共射放大电路的电压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈。压放大倍数较低就是因为电路中引入了负反馈。AFAA+ += =1f若若|AF| 1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 1）. 串

12、联反馈使电路的输入电阻增加：串联反馈使电路的输入电阻增加：ioifR)FA(R+= 1i iT+uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE: 电压串联负反馈电压串联负反馈FArr0ifi1+ += =o0of)1(rFAr+ += =FArr0oof1+ += = 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。即有恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。即有恒流输出特性，故输出电阻提高。T+uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE: 电压串

13、联负反馈电压串联负反馈5. 改善波形的失真改善波形的失真uf加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FufAuiuo+uiduo大大小小uiA接近正弦波接近正弦波改善了波形失真改善了波形失真6. 对通频带的影响对通频带的影响引入负反馈使电路的通频带宽度增加：引入负反馈使电路的通频带宽度增加：bwobwff)FA(f+= 1fA(f)OAm0.707AmfLfHBWAf(f)Amf0.707AmffLffHfBWf理想运放工作在理想运放工作在线性区线性区的分析依据的分析依据+iiuiriduOii 0+ u u+RF引入深度负反馈引入深度负反馈uii1 = R1uif = oRFuo = ui RF

14、 R1故：故：uiuoi1ifRFR1R21. 反相比例运算电路反相比例运算电路由虚断路：由虚断路：i1 if且且 u+=0 ；称：称：“虚地虚地” u+ u = 0由由“虚短路虚短路”原则：原则：虚地：虚地：ui1 = iR1反相比例运算电路反相比例运算电路, ,设设: RFR4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uouo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFRFRR1 12uiuo2. 同相比例运算电路同相比例运算电路ufRFR1 1 uo = 1+ u+ = 1+ ui RF

15、 R1 1虚断路虚断路id 0虚短路虚短路uiu =+uou = fR1R1 RF+u-u =+故有：故有：u-u = f_+ + uiuoiouuuu=+此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与输出电阻小，在电路中作用与射极输出器射极输出器相相同，但是电压跟随性能好。同，但是电压跟随性能好。电压跟随器电压跟随器理想运放工作在理想运放工作在线性区线性区的分析依据的分析依据+iiuiriduOii 0+ u u+uo = ui RF R1uiuoi1ifRFR1R2反相比例运算电路反相比例运算电路RFRR1 12uiuouf同相比例运算电

16、路同相比例运算电路 uo = 1+ ui RF R1 1F1u o3Pui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3if11.3.2 2uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析ui1i2uu0=uo+u0= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R311.3.3 减法运算电路减法运算电路 11ui121例：例： 两级反相输入减法运算电路两级反相输入减法运算电路132212N2N1uoF1uRRR

17、RRRRi2F2uo= ui1 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2uo1uO = (1 + )(ui2 ui1)RFR2R1RP3. 精密测量放大电路精密测量放大电路ui反相积分运算电路反相积分运算电路CFuo211.3.4 积分电路积分电路由虚断和虚地由虚断和虚地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt作业题作业题 11.3.13:已知电源电压为已知电源电压为15V15V，u ui1i1=1.1V, =1.1V, u ui2i2=1V=1V。问：输出电压问：输出电压uouo由由0 0上升到上升到10V1

18、0V所需时间。所需时间。uuOi 11.3.5 反相微分运算电路反相微分运算电路C1 duidtuo= RF C1 uouiF输出与输入的关系式为输出与输入的关系式为若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出波形为ic1ic1CF应用举例：应用举例：PID调节器调节器21uouiC1F输出与输入的关系式为输出与输入的关系式为duiu = ( + ) + RFC1 + ui dt ouiRFR1R1CFC1CFdt1“虚断路虚断路”成立；成立；理想运放工作在理想运放工作在非线性区非线性区的分析依据的分析依据注意注意: u+ = u 输出输出u0只有两种可能：只有两种可能：u+u-时，时，u0= UOM;u+u-时，时，u0= -UOM;（u+-u-）R1R2uouiUOM-UOMuiuo(1) 反相输入过零比较器反相输入过零比较器0-UOMUOM(2) 同相输入过零比较器同相输入过零比较器uiuo0R1R2uouiR1R2UOM-UOMttUOM-UOM000uiuouOuiuiuo-UZUZ0uiuoR1R2R3DzuiuoUZ2. 过零限幅比较器过零限幅比较器作业作业3 3：P335P33