北航电工电子学第10章集成运算放大器(4学时)

1、第第1010章章 集成运算放大器集成运算放大器101 101 概述概述一、一、集成运放的集成运放的特点特点集成、高曾益、集成、高曾益、DC AMP可完成可完成 +,d/dt,dt,指数指数,对数对数 1. 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偏置电路偏置电路 由各种恒流源等电路组成由各种恒流源等电路组成u+u-uo三、集成运算的符号三、集成运算的符号uiuou+u输出端输出端同相同相输入端输入端反相反相输入端输入端u+uouiuuo=A

2、(u+ u)AUOMUOMUOMUOMUimUim实际运放实际运放理想运放理想运放 uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uOui0uiuo+uiuO0饱和区饱和区饱和区饱和区线性区线性区102 102 理想运放理想运放 （理想化（理想化简化分析）简化分析）AO；u+u- 虚短路虚短路 ri ； Iin 虚开路虚开路 rO0； uO Aoud 与负载无关与负载无关 4 共模抑制比共模抑制比 U-U+UdUorirO+AOudIin如此高的如此高的GAIN必须加以控制方能利用必须加以控制方能利用负反馈，负反馈，牺牲牺牲gain，换取其他好处换取其他好处103 反馈的基本概念

3、反馈的基本概念一、一、反馈的反馈的概念概念传递函数传递函数 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 / Xi 闭环放大倍数闭环放大倍数二、反馈的作用二、反馈的作用改变电路的性能改变电路的性能FXdXOAXiXf三、反馈的分类三、反馈的分类正负反馈；正负反馈； 电压电流；电压电流； 串联并联；串联并联； DC/AC； 单级多级单级多级四、反馈的判断四、反馈的判断正负反馈正负反馈瞬时极性法瞬时极性法电压电流电压电流看看 Xf 来自于来自于 UO / IO 串联并联串联并联看看Xf 与与 Xi 的作用形式的作用形式四、反馈的判断四、反馈

4、的判断, 例例 1+ ARRfuouiR1图图(a)电压串联负反馈电压串联负反馈ufuf = uo RR+Rf uiud电压反馈电压反馈+正负反馈正负反馈电压电流电压电流串联并联串联并联ud = ui uf串联反馈串联反馈四、反馈的判断四、反馈的判断, 例例 2+ ARRfuouiR1图图(b)电压并联负反馈电压并联负反馈IinIdIfIf =u-uoRf 电压反馈电压反馈uo + ARRfuouiR1图图(a)四、反馈的判断四、反馈的判断, 例例 3uoui图图(c)AR2RLR1电流并联负反馈电流并联负反馈ioi1io = i1 = ui/R1与与RL无关无关+ ARRfuouiR1图图(

5、b)四、反馈的判断，例四、反馈的判断，例4电流串联负反馈电流串联负反馈uE与与uo无关无关uEiC+VCCRCC1C2TRLRB2RB1uoRSus+uiiBBCERE电流反馈电流反馈ube = ui uE串联反馈串联反馈ube四、反馈的判断，例四、反馈的判断，例5温度变化时，可稳定静态工作点温度变化时，可稳定静态工作点+VCCRBRCC1C2Tuoui+VCCRBRCC1C2TuouiIBICIE电压并联负反馈电压并联负反馈五、五、负负反馈对放大电路性能的影响反馈对放大电路性能的影响1 1、提高放大倍数的稳定性、提高放大倍数的稳定性 = 1 1+ AFdAfAfdA A 不难推导，不难推导，

6、闭环闭环 Af =A1+ AFAAf下降了下降了但是但是尤其是当尤其是当AF1时，时，稳定性稳定性Af 1F与与A无关无关!(1+AF) 反馈深度反馈深度2. 2. AFxoxixdxf 无负反馈无负反馈0.707 AumAufffLfH有负反馈有负反馈AuAufmAum0.707 AufmfLffHfBWfBWBWf 1 AF BW加入负反馈使放大器的通频带展宽加入负反馈使放大器的通频带展宽0注意到：注意到：A BW=AfBWf带宽增益积不变！带宽增益积不变！Aufuouiuiuoud负反馈负反馈改善了波形失真改善了波形失真FA加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈串联串联负反馈负反馈提高提高

7、输入电阻输入电阻 rif ri并联并联负反馈负反馈降低降低输入电阻输入电阻 rif ro电压电压负反馈负反馈降低降低输出电阻输出电阻 rof ro因为：电压负反馈稳定了输出电压。因为：电压负反馈稳定了输出电压。因为：电流负反馈稳定了输出电流。因为：电流负反馈稳定了输出电流。 104 基本运放电路基本运放电路一、比例电路一、比例电路（反相、同相、跟随）（反相、同相、跟随）uiuoi1ifidRFR1R2= R1/RF虚断路虚断路id 0虚地虚地uif = oRFi1 ifRF引入引入电压并联电压并联负反馈负反馈故有：故有： uo= ui RF R11. 反相比例运算电路反相比例运算电路若若RF=

8、R1，则，则uo= ui该电路称为该电路称为反相器反相器R2uii1 =R1=2. 同相比例运算电路同相比例运算电路 uo = 1+ u+RFR1 1虚断路虚断路 i+ 0由虚短路由虚短路uiu =+uou = fR1R1 RF+u+= u-=uf故有：故有：RF引入引入电压串联电压串联负反馈负反馈R2= R1/RFRFR1uiuoufudR2 = 1+ ui RFR13. 同相电压跟随电路同相电压跟随电路uiuouo = uiRFR运算关系不变运算关系不变可否直接连通？可否直接连通？RP=R1/R2/R3/RF1 1、反相、反相 uo= ( ui1 RFR1+ ui2 RFR2+ ui3)

9、RFR3可完成：平均值、加权平均值、可完成：平均值、加权平均值、DA变换变换F1u o3Pui1 ui3ui2 i1i2i3if22、同相、同相由节点法，由节点法， u+=(ui1/R1+ui2/R2+ui3/R3)/(1/R1+1/R2+1/R3)u= R4uO/(R4+RF) ， 由虚短路由虚短路， u+= u uO= (1+RF/R4) (ui1R/R1+ui2R/R2+ui3R/R3)其中其中: R= R1R2R3ui1 i11u o3ui3ui2 i2i3if2RFR4先看先看2个输入的情形个输入的情形应用叠加定理应用叠加定理进行分析进行分析- - ui1 = 1+ ui2 uoRF

10、R1R2 + R3R3RFR11Fo(1u)RR(1u1F)RRi2323uRRR=i11FouRRu- -=R2/R3=R1/RFRFuoR1R2R3ui1ui2减法运算电路（续）减法运算电路（续） uo= ui2 - - ui1 RFR- - ui1 = ui2 uoR1 +RFR1R2 + R3R3RFR1当当R1= R2=R, R3=RF时，时，特别地特别地，当，当R = RF 时，时， uo= ui2 - - ui1RFuoRRRFui1ui21312o1F2i2F2ouRRuRRu- - -= = uoui1 ui2 11RRRRRR 1312F1F2F2o1R11RF1u =-=

11、-ui1应用举例：试求应用举例：试求uo与与ui的关系的关系N2N1R12R13R22R21R11ui2uoui1uo1RF2RF1四四、微分运算电路微分运算电路 duidtuo= RF C uiuo若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出波形为输出与输入的关系式为输出与输入的关系式为iC=CduC/dtuuOiCFi iCi iR=Cdui/dt= uo/RF虚地虚地= iR五、五、积分运算电路积分运算电路uiCFuo2由虚断路和虚地由虚断路和虚地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt即即 CF duo/dt =

12、 ui /R1五、五、积分运算电路（续）积分运算电路（续）)(11oitotFotudtuCRu-=如果开始积分前，电容已储能，则如果开始积分前，电容已储能，则积分运算电路例题积分运算电路例题)t(tCRU12F1i- - -uiuott00t1t2Ui注意注意: uo Uom假设开始积分前，电容没有储能，则假设开始积分前，电容没有储能，则105 105 1、 反相输入比较器反相输入比较器u+ = uR , u- = ui当当 ui uR时，时，u- uR时，时，u- u+ ，uO = uOm 由由uO可知可知 ui与与uR 的关系的关系电压比较器电压比较器R1R2uouiuRUOM-UOMu

13、iuo0URuO翻转时所对应的翻转时所对应的ui称称门限电压，门限电压，记为记为UT2、同相输入比较器同相输入比较器R1R2uoui-UOMUOMuiuo0URu+ = ui , u- = uR当当 ui uR时，时， u+ uR时，时， u+ u- ，uO = + uOm UT = uRuR3、同相过零比较器同相过零比较器R1R2uoui-UOMUOMuiuo0UT特殊地，特殊地， UR = 0时，时，ui , ,与与“0”比较比较由由uo可知可知ui的的过零过零比较器比较器ttUOM-UOM00UOM-UOM0uiuouiuoR1R2uOuit1t2t3整形整形二、二、 滞回电压比较器滞回

14、电压比较器1 1、基本型、基本型UZ-UZUT2UT10uiuoR1R2R3RFDzuOuiUZiuu = =- -22RRRuuFo = = 221RRRUUFZT = =222RRRUUFZT - -= =1.1.问题提出问题提出2.2.解决方案解决方案3.3.传输特性传输特性4.4.回差电压回差电压5.5.翻转灵敏度翻转灵敏度UT1UT2 回差电压回差电压t UT1UT20t UZ-UZ0UZ-UZUT2UT10uiuououiR1R2uOuiR3RF过零滞回比较器过零滞回比较器DzUZUZuiuo0UT2UT1URR1R2uOuiR3RFUZDzu+=u_= uiRFR2+ RF+ uRR2R2+ RFuoRFR2+ RF+ uRuT1= R2R2+ RF+ UZRFR2+ RF+ uRuT2= R2R2+ RFUZUT2UT1-UZ1. 输出电压跃变的条件输出电压跃变的条件uu =+由此可求出电压比较器的门限电压由此可求出电压比较器的门限电压UT对过零比较器对过零比较器 门限电压门限电压 UT = 0 02. 电压传输特性电压传输特性uu +uo0 0；时，时，uu +uo0 正反馈正反馈2. 幅值条件：幅值条件： A F1 起振起振三、起振过程三、起振过程UiUo01. 起振起振正反馈正反馈2. 稳幅稳幅非线性非线性A = Uo/UiF = Ui/