第4章集成运算放大器

1、1第四章第四章 集成运算放大器集成运算放大器2 4.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述 4.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈 4.3 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用4.4 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用 4.5 集成运算放大器在波形产生方面的应用集成运算放大器在波形产生方面的应用第四章第四章 集成运算放大器集成运算放大器 3 4.1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述1. 集成电路诞生之前集成电路诞生之前4.1.1 集成电路和集成运算放大器概述集成电路和集成运算放大器概述45672. 集成电路诞生与发展集成电路诞生与发展 1958年，美国

2、德州仪器公司展示了全球第一块集成电年，美国德州仪器公司展示了全球第一块集成电路板，这标志着世界从此进入到了集成电路的时代。集路板，这标志着世界从此进入到了集成电路的时代。集成电路具有体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点，成电路具有体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点，同时成本也相对低廉，便于进行大规模生产。同时成本也相对低廉，便于进行大规模生产。 在近在近50年的时间里，集成电路已经广泛应用于工业、年的时间里，集成电路已经广泛应用于工业、军事、通讯和遥控等各个领域。用集成电路来装配电子军事、通讯和遥控等各个领域。用集成电路来装配电子设备，其装配密度相比晶体管可以提高几十倍至几千倍，设备，其

3、装配密度相比晶体管可以提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可以大大提高。设备的稳定工作时间也可以大大提高。8第一块集成电路板第一块集成电路板 第一块集成电路板第一块集成电路板 ：几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，就形：几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，就形成了历史上第一个集成电路。虽然它看起来并不美观，但事实证明，其工成了历史上第一个集成电路。虽然它看起来并不美观，但事实证明，其工作效能要比使用离散的部件要高得多。历史上第一个集成电路出自杰克作效能要比使用离散的部件要高得多。历史上第一个集成电路出自杰克- -基基尔比之手。以晶体管的发明弥补了电子管的不足，尔比之手。以晶体管的发

4、明弥补了电子管的不足，但为了制作和使用但为了制作和使用电子电路，必须用电子电路，必须用手工组装和连接各手工组装和连接各种分立元件，如晶种分立元件，如晶体管、二极管、电体管、二极管、电容器等。很明显，容器等。很明显，这种做法是不切实这种做法是不切实际的。于是，基尔际的。于是，基尔比提出了集成电路比提出了集成电路的设计方案。的设计方案。9半导体设备与铅结构模型半导体设备与铅结构模型 : :是是2020世纪世纪5050年代，许多工程师都想到了的集成年代，许多工程师都想到了的集成电路的概念。美国仙童公司联合创始人罗伯特电路的概念。美国仙童公司联合创始人罗伯特- -诺伊斯就是其中之一。在诺伊斯就是其中之

5、一。在基尔比研制出第一块可使用的集成电路后，诺伊斯提出了一种基尔比研制出第一块可使用的集成电路后，诺伊斯提出了一种“半导体设半导体设备与铅结构备与铅结构”模型。模型。19601960年，仙童公司制造年，仙童公司制造出第一块可以实际使用出第一块可以实际使用的单片集成电路。诺伊的单片集成电路。诺伊斯的方案最终成为集成斯的方案最终成为集成电路大规模生产中的实电路大规模生产中的实用技术。基尔比和诺伊用技术。基尔比和诺伊斯都被授予斯都被授予“美国国家美国国家科学奖章科学奖章”。他们被公。他们被公认为集成电路共同发明认为集成电路共同发明者。者。 10分子电子计算机分子电子计算机 分子电子计算机分子电子计算

6、机： 集成电路集成电路优点明显，首先引起了军事优点明显，首先引起了军事及政府部门的兴趣。及政府部门的兴趣。19611961年，年，德州仪器为美国空军研发出德州仪器为美国空军研发出第一个基于集成电路的计算第一个基于集成电路的计算机，即所谓的机，即所谓的“分子电子计分子电子计算机算机”。美国宇航局也开始。美国宇航局也开始对该技术表示了极大兴趣。对该技术表示了极大兴趣。当时，当时，“阿波罗导航计算机阿波罗导航计算机”和和“星际监视探测器星际监视探测器”都采都采用了集成电路技术。用了集成电路技术。 11集成电路应用于导弹制集成电路应用于导弹制导系统导系统 : : 19621962年，德州年，德州仪器为

7、仪器为“民兵民兵-I”-I”型和型和“民兵民兵-II”-II”型导弹制导型导弹制导系统研制系统研制2222套集成电路。套集成电路。这不仅是集成电路第一这不仅是集成电路第一次在导弹制导系统中使次在导弹制导系统中使用，而且是电晶体技术用，而且是电晶体技术在军事领域的首次运用。在军事领域的首次运用。到到19651965年，美国空军已年，美国空军已超越美国宇航局，成为超越美国宇航局，成为世界上最大的集成电路世界上最大的集成电路消费者。消费者。 12戈登戈登- -摩尔提出摩尔提出摩尔定律摩尔定律：英：英特尔公司的联合创始人之一戈特尔公司的联合创始人之一戈登登- -摩尔在集成电路的早期发摩尔在集成电路的早

8、期发展进程中扮演着重要的角色。展进程中扮演着重要的角色。早在早在19651965年年，摩尔就曾对集成，摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。他推算，电路的未来作出预测。他推算，到到19751975年每块芯片上集成的电年每块芯片上集成的电子元件数量将达到子元件数量将达到6500065000个个。而实际上，每过而实际上，每过1212个月芯片上个月芯片上集成的电子元件数量都会翻一集成的电子元件数量都会翻一番。这就是现在我们所了解的番。这就是现在我们所了解的计算机计算机“摩尔定律摩尔定律”。 13141516“BusicomBusicom 141-PF” 141-PF”计算机计算机 ：在在2020世纪世纪

9、6060年代，计算机通年代，计算机通常都是笨重的庞然大物。常都是笨重的庞然大物。集集成电路的出现改变了计算机成电路的出现改变了计算机形象形象。19691969年年，英特尔公司，英特尔公司为日本计算机公司最新研发为日本计算机公司最新研发的的 “ “BusicomBusicom 141-PF” 141-PF”计算计算机设计机设计1212块芯片。但英特尔块芯片。但英特尔公司的工程师泰德公司的工程师泰德- -霍夫等人霍夫等人却根据日本公司的需求提出却根据日本公司的需求提出了另一套设计方案。于是诞了另一套设计方案。于是诞生了历史上第一个微处理器生了历史上第一个微处理器 -4004-4004。 17英特尔

10、英特尔40044004微处理器微处理器 ：随着：随着历史的前进，集成电路早已让历史的前进，集成电路早已让路于微处理器。英特尔公司的路于微处理器。英特尔公司的40044004微处理器虽然并不是首个微处理器虽然并不是首个商业化的微处理器，但却是商业化的微处理器，但却是第第一个在公开市场上出售的计算一个在公开市场上出售的计算机元件机元件。据霍夫介绍，。据霍夫介绍，40044004微微处理器的计算能力其实并不输处理器的计算能力其实并不输于世界上第一台计算机于世界上第一台计算机ENIAC(ENIAC(电子数字积分计算机电子数字积分计算机) )，但却比但却比ENIACENIAC小得多。小得多。 ENIAC

11、ENIAC使用了使用了1800018000个真空管，占据个真空管，占据了整个房间。了整个房间。 18“普尔萨普尔萨”数字手表数字手表 ：继：继便携式计算器和数字手表之便携式计算器和数字手表之后，集成电路的下一个主要后，集成电路的下一个主要商业应用也许就是商业应用也许就是“手腕计手腕计算机算机”。“MicromaMicroma”液晶液晶数字表是应用数字表是应用“系统芯片系统芯片”技术的首款产品。汉米尔顿技术的首款产品。汉米尔顿公司推出的公司推出的“普尔萨普尔萨”是世是世界上第一只数字手表。界上第一只数字手表。19701970年，普尔萨刚刚上市时售价年，普尔萨刚刚上市时售价为为21002100美元

12、。美元。 193. 集成电路工艺沿革集成电路工艺沿革 集成电路工艺突飞猛进如今，芯片制造商集成电路工艺突飞猛进如今，芯片制造商( (如英特尔、如英特尔、AMDAMD等公司等公司) )生产的芯片上所集成的晶体管数量已达到了空前的水平，而且每个晶生产的芯片上所集成的晶体管数量已达到了空前的水平，而且每个晶体管的体积变得非常微小。比如，一个针尖上可以容纳体管的体积变得非常微小。比如，一个针尖上可以容纳30003000万个万个4545毫毫微米大小的晶体管。此外，现在的处理器上单个晶体管的价格仅仅是微米大小的晶体管。此外，现在的处理器上单个晶体管的价格仅仅是19681968年晶体管价格的百万分之一。年晶

13、体管价格的百万分之一。 202122232425262728294. 集成运算放大器概述集成运算放大器概述 集成运算放大器是一种放大倍数很高的多级放大的集成电路。它是模拟集成电路中最重要的品种，广泛应用于各种电子电路中。它能够放大从直流至一定频率范围的交流电压。集成运放是模拟集成电路的重要组成部分。 集成运算放大器一般由输入级、中间级和输出级及偏置电路组成。输入级与信号源相连，通常要求有很高的输入电阻，能有效地抑制共模信号，并且要求有很强的抗干扰能力。因此，集成运放的输入级通常采用差分放大电路；中间级用来完成电压放大功能，多级共射放大电路构成；输出级直接与负载相连，使集成运放有较强的带负载能力

14、，一般采用是互补对称放大电路（射极跟随器）。偏置电路为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。30 （b b）国内符号）国内符号 （c c）国际符号）国际符号 (1) (1) 集成运放的总体结构集成运放的总体结构31图图4-4 几种集成运算放大器的实物几种集成运算放大器的实物 32+T1Rc1sIRc2c3R2T4T5T3TVCC+EEV-u-u+ou反反 相相 输输 入入 端端同同 相相 输输 入入 端端输输入入级级中中间间级级输输出出级级电路原理示意图：电路原理示意图：（2 2）原理电路及各级作用）原理电路及各级作用33输入级：输入级：要求输入电阻

15、高，差模放大倍数高，抑制零点漂移要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。都采用差分放大电路。和共模干扰信号的能力强。都采用差分放大电路。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。放大电路构成。偏置电路：偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对

16、称电路或射极输出器构成。般由互补对称电路或射极输出器构成。中间级：中间级： 提供足够的电压放大倍数，本身还应有高的输提供足够的电压放大倍数，本身还应有高的输入电阻，以减小对前级的影响。入电阻，以减小对前级的影响。344.1.2 集成运算放大器的传输特性集成运算放大器的传输特性 集成运算放大器电压集成运算放大器电压传输特性是指传输特性是指开环输出时开环输出时输出电压与输入电压的关输出电压与输入电压的关系曲线系曲线，所谓开环是指电，所谓开环是指电路中只有正向传输，没有路中只有正向传输，没有反向传输。图反向传输。图4-54-5所示的所示的是电压传输特性曲线，它是电压传输特性曲线，它包含一个线性区和饱

17、和区。包含一个线性区和饱和区。要使集成运放稳定地工作要使集成运放稳定地工作在线性区，必须引入在线性区，必须引入深度深度的电压负反馈的电压负反馈。图图4-5 4-5 电压传输特性电压传输特性 354.1.3 集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的主要技术指标2.2.输入失调电输入失调电U UIOIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。的指标。 3. .输入失调电流输入失调电流 I IIOIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电

18、流之差，在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。用于表征差分级输入电流不对称的程度。 2B1BIOIII 1. 1. 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数( (开环增益开环增益) ) Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 AuoAuo愈高，愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。364.4.输入偏置电流输入偏置电流I IIBIB ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入

19、电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 2B1BIB21III 5.5.最大共模输入电压最大共模输入电压U Ui icmaxcmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。去共模抑制能力。37 6.6.最大差模输入电压最大差模输入电压U Uidmaxidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时时, ,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击

20、穿现象。 7.7.共模抑制比共模抑制比 K KCMRCMR ： K KCMRCMR=20lg(=20lg(A Av vd d / / A Av vc c ) ) (dB)(dB)其典型值在其典型值在80dB80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB180dB。384.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据1. 理想运算放大器理想运算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui)线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时

21、，时， uo = + Uo(sat) u+0AF0时，电路引入负反馈；时，电路引入负反馈； 当当AF0AF11+AF 1， 则则F1Af称为深度负反馈称为深度负反馈 此时，放大倍数仅决定于反馈网络而与基本放大电路无此时，放大倍数仅决定于反馈网络而与基本放大电路无关。关。561. 1. 电压串联负反馈电压串联负反馈 4.2.2 4.2.2 负反馈放大器四种类型的判别方法负反馈放大器四种类型的判别方法VVV-fARi+duu-f-R+u1+uRo 电压串联负反馈的典型电路如图所示，集成运放为基本放电压串联负反馈的典型电路如图所示，集成运放为基本放大环节大环节R Rf f和和R R1 1构成反馈环节

22、，输入信号构成反馈环节，输入信号u ui i通过通过R R加于集成运放的加于集成运放的同相输入端，输出电压同相输入端，输出电压u u0 0; R; Rf f和和R R1 1分压，分在分压，分在R R1 1上的电压即为上的电压即为反馈信号，从图中可以得出反馈信号，从图中可以得出iufRRRuu11of可见，反馈电压正比于输出电压，可见，反馈电压正比于输出电压，所以为电压反馈。所以为电压反馈。 57分立电路分立电路, ,电压串联负反馈电压串联负反馈RL uO uf ud(ube) uO 电压负反馈的特性电压负反馈的特性稳定输出电压稳定输出电压稳定过程：稳定过程：负载变化时，负载变化时，输出电压稳定

23、输出电压稳定输出电阻输出电阻VVfL+VCC+TRbe+e2Rc2c1-O-uRfuRRCb1b1Rb2Cu+-2T1+iu-Re1VVfL+VCC+TRbe+e2Rc2c1-O-uRfuRRCb1b1Rb2Cu+-2T1+iu-Re1ui一定一定582. 2. 电压并联负反馈电压并联负反馈i id d = = i ii i - -i if f从输入端看有：从输入端看有：因为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。因为反馈量与输出电压成比例，所以是电压反馈。 反馈电流：反馈电流：ffRuRuuioofVCC_CIRCLEVCC_CIRCLE+A+LRRfifid1i1Ruoiu59分立电路分立

24、电路, ,电压并联负反馈电压并联负反馈ffRuRuuiioof反馈量与输出电压成反馈量与输出电压成比例，所以是电压反比例，所以是电压反馈。馈。i id d = = i ii i - -i if f在输入端有在输入端有故为并联负反馈。故为并联负反馈。 因为反馈电流：因为反馈电流：+TLR-cui-b+iCC+sRi+VOuu-ssRRffi60 3. 3.电流串联负反馈电流串联负反馈 反馈电压：反馈电压：u uf f= =i io oR Rf fu-uR+1f-o+LRR+iA+-du+-fuoiRuRuiifo 61i io o u uf f u ud d i io o 引入电流负反馈的目的引

25、入电流负反馈的目的稳定输出电流稳定输出电流稳定过程：稳定过程：负载变化时，负载变化时，输出电流稳定输出电流稳定输出电阻输出电阻R RL L 4. 4.电流并联负反馈电流并联负反馈oFf)(iRRRi 反馈电流：反馈电流：因为反馈量与输出电流因为反馈量与输出电流成比例，所以是成比例，所以是电流反电流反馈。馈。uu-1AiiR-+i+oidifiofRRLR+-62又因为在输入端有又因为在输入端有: : id = ii -if故为并联负反馈。故为并联负反馈。引入电流负反馈的目的引入电流负反馈的目的稳定输出电流稳定输出电流稳定过程：稳定过程：负载变化时，负载变化时，输出电流稳定输出电流稳定输出电阻输

26、出电阻R RL L i io o( (i ic2c2) ) i if f i id d （i ib b） i io o( (i ic2c2) ) 63 5.5.反馈类型及判别方法总结反馈类型及判别方法总结646566例例 3 3 AF电压串联电压串联负负反馈反馈 u uo o 经经 R Rf f 与与 R R1 1 分压反馈到输入回路，故有反馈。分压反馈到输入回路，故有反馈。反馈使净输入电压反馈使净输入电压 u uidid 减小，为负反馈。减小，为负反馈。R RL L = 0= 0，无反馈，故为电压反馈。，无反馈，故为电压反馈。u uf f = = u uo oR R1 1/(/(R R1 1

27、 + + R Rf f) ) 也说明是电压反馈。也说明是电压反馈。u uidid = = u ui i u uf f 故为串联反馈。故为串联反馈。67例例 4 4 R Rf f 为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。 反馈使净输入电压反馈使净输入电压 u uidid 减小，为负反馈。减小，为负反馈。R RL L = 0= 0，反馈存在，故为电流反馈。，反馈存在，故为电流反馈。u uf f = = i io oR Rf f ，也说明是电流反馈。，也说明是电流反馈。u uidid = = u ui i u uf f 故为串联反馈。故为串联反馈。A AF

28、 F电流串联负反馈电流串联负反馈68例例 5 5 R Rf f 为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。反馈使净输入电流反馈使净输入电流 i iidid 减小，为负反馈。减小，为负反馈。R RL L = 0 = 0，无反馈，故为电压反馈。，无反馈，故为电压反馈。i iidid = = i ii i i if f ，故为并联反馈。，故为并联反馈。A AF F电压并联电压并联负负反馈反馈694.2.3 4.2.3 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响1. 1. 提高增益的稳定性提高增益的稳定性A Af f 的相对变化量的相对变化量A A

29、的相对变化量的相对变化量放大倍数稳定性提高放大倍数稳定性提高0 f0 f0dd 11 AA A FAA负反馈，fA,1ooAA F200f)1 (1FAdAdA000FF11AdAFAAdA702. 2. 减少失真减少失真u uf f加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈F Fu uf fA Au ui iu uo o+ +u uididu uo o大大小小u ui iA A接近正弦波接近正弦波改善了波形失真改善了波形失真动画动画712 2、扩展通频带、扩展通频带 BWBW无反馈时：无反馈时： BWBW = = f fH H f fL L f fH H引入反馈后，引入反馈后， 1f，AFAA F

30、AAAFAAAFAAALLLfm m mf HHHf1 ,1 1 ，f fA A( (f f) )O OA Am m0.7070.707A Am mf fL Lf fH HBWBWA Af f( (f f) )A Amfmf0.7070.707A Amfmff fLfLff fHfHfBWBWf f可证明：可证明：f fHfHf = (1 + = (1 + AFAF) ) f fH Hf fLfLf = = f fL L / (1 + / (1 + AFAF) )= (1 + = (1 + AFAF) ) f fH H f fHfHf = (1 + = (1 + AFAF) ) BWBW BW

31、BWf f = = f fHfHf f fLfLf724. 4. 改变放大电路的输入和输出电阻改变放大电路的输入和输出电阻（1 1）对输入电阻的影响）对输入电阻的影响A. A. 串联负反馈使输入电阻增大串联负反馈使输入电阻增大R RififiididifidiiifiAFuuiuuiuR )1(i ifRAFR 深度负反馈：深度负反馈： ifRi ii i A A F Fu ui iu uididu uf fR Ri iAFuAFuidid73B. B. 并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈使输入电阻减小R Rififidididf ididiiifAFiiuiiuiuR AFRR 1i if深

32、度负反馈：深度负反馈：0ifRi if fi ii id di ii i A A F Fu ui iR Ri iAFiAFiidid74（2 2）对输出电阻的影响）对输出电阻的影响A. A. 电压负反馈电压负反馈 F F 与与 A A 并联，使输出电阻减小。并联，使输出电阻减小。A AF FR Ro oR RofofFARR 1o ofA A 为负载开路时的源电压放大倍数。为负载开路时的源电压放大倍数。深度负反馈：深度负反馈：0ofRB. B. 电流负反馈电流负反馈 F F 与与 A A 串联，使输出电阻增大串联，使输出电阻增大A AF FR Ro oR Rofof )1(o ofRFAR A

33、 A 为负载短路时的源电压放大倍数。为负载短路时的源电压放大倍数。深度负反馈：深度负反馈： ofR75 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数

34、，而与运算放定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。的结构形式，就可以实现不同的运算。761i1Ruui FofRuui （1 1）电路组成）电路组成 以后如不加说明，输入、以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地输出的另一端均为地( ( ) )。（2 2）电压放大倍数）电压放大倍数因因虚短虚短, , 所以所以u u= =u u+ += 0= 0，称反相输入端称反相输入端“虚地虚地” 反反相输入的重要特点相输入的重要特点因因虚断，虚断，i i+ += i= i =

35、 0 = 0 ， i1FouRRu i if fi i1 1i ii i+ +oFFi1uRAuR u uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + 所以所以 i i1 1 i if f 因要求静态时因要求静态时u u+ +、 u u 对对地电阻相同，地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 R R2 2 = = R R1 1 / / R RF F77i1FouRRu oFFi1uRAuR u uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + 反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈输入信号和反馈信号加在输入信号和反

36、馈信号加在同一输入端同一输入端并联反馈并联反馈反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈78oF11uRRRu 因因虚断，虚断，所以所以u u+ + = = u ui i i1Fo)1(uRRu （1 1）电路组成）电路组成（2 2）电压放大倍数）电压放大倍数oFFi11uRAuR u uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + 因因虚短，虚短，所以所以 u u = = u ui i ，反相输入端不反相输入端不“虚地虚地” 因要求静态时因要求静态时u u+ +、u u 对地电对地电阻相同，阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R R2 2= =R

37、R1 1/R RF Fu u+ +u u79 输入信号和反馈信号分别输入信号和反馈信号分别加两个输入端加两个输入端串联反馈串联反馈反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈 oFFi11uRAuR i1Fo)1(uRRu 反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈u uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + 8081例例1 1：电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知 R R1 1= 10 k= 10 k ，R RF F = 50 k= 50 k 。求：求：1. 1. A Au uf f 、R R2 2 ； 2. 2.

38、若若 R R1 1不变，要求不变，要求A Au uf f为为 10 10，则，则R RF F 、 R R2 2 应为应为 多少？多少？解：解：1. 1. A Af f = = R RF F R R1 1 = 50 = 50 10 = 510 = 5R R2 2 = = R R1 1 R RF F =10 =10 50 50 ( (10+50) 10+50) = 8.3 = 8.3 k k 2. 2. 因因 A Af f = = R RF F / / R R1 1 = = R RF F 1010 = = 10 10 故得故得 R RF F = A = Au uf f R R1 1 = (10)

39、= (10) 10 =100 10 =100 k k R R2 2 = 10 = 10 100 100 ( (10 +100) = 9. 1 10 +100) = 9. 1 k k u uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + 82 当当 R R1 1= = 且且 R RF F = = 0 0 时，时，u uo o = u = ui i ， A Au uf f = 1 = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。u uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输

40、出 电阻低，电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出器更好。u uo ou ui i+ + + + + u uo o+ + + + 15k15k R RL L15k15k +15V+15V 7.5k7.5k 例：例：8311LRuii 1xGRUI 1iRu 84因因虚短虚短, , u u= u= u+ += = 0 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故得故得 平衡电阻：平衡电阻： R R2 2= R= Ri1i1 / R/ Ri2i2 / R/ RF Fi ii2i2i ii1i1i if fFo2i2i1i1iRuuRuuRuu u ui2i2u uo oR RF F

41、u ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R2 2+ +因因虚断虚断，i i = 0 = 0 所以所以 i ii1i1+ i+ ii2 i2 = = i if f 01212()ffiiRRuuuRR 851i2i1i2iuRRRu 同理，同理，u ui2i2单独作用时单独作用时 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R1 1+ +动画

42、动画86方法方法2 2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou u+ +)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u u+ +=?=?u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R1 1+ +87)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R1 1+ +u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R Ri2i2R Ri1i1+ + + R R

43、2 2+ +01212()ffiiRRuuuRR88由虚断可得：由虚断可得：2i3 23uRRRu 由虚短可得：由虚短可得： uuu ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R R3 3R R2 2+ + + R R1 1+ + + + 如果取如果取 R R1 1 = R= R2 2 ，R R3 3 = R= RF F )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如如 R R1 1 = R= R2 2 = = R R3 3 = R= RF F 1i2iouuu 则：则：R R2 2 / R / R3 3 = R= R1 1 / R/ RF F输出与两个输入信号的差值成正比。输出与两个输入信

44、号的差值成正比。常用做测量常用做测量放大电路放大电路)1(1i1F2i3231FouRRuRRRRRu 1F11io1i RRRuuu 1R1i uuu 动画动画89 uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u u+ +1i1F ouRRu oo ouuu u ui2i2u uo oR RF Fu ui1i1R R3 3R R2 2+ + + R R1 1+ + + + 90 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i i1 1 = i = if ftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCd

45、dFF 1i1Rui i if f =?=?i if fi i1 1u uo oC CF Fu ui iR R2 2R R1 1+ + + + + u uC C+ + oiF1od10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt 91 tUCRud1iF1otCRUF1i u ui it tO OF1iOM0CRUUt 积分饱和积分饱和线性积分时间线性积分时间线性积分时间线性积分时间U Uo(so(satat) )u uo ot tO O+ + U Uo(sato(sat) )u ui i = U = Ui i 0 0 u ui i = = U Ui i 0 0时，时，| | T

46、T(j(j )|)| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0 0的信的信号顺利通过，衰减很小，而使高号顺利通过，衰减很小，而使高于于 0 0的信号不易通过，衰减很大，的信号不易通过，衰减很大，称一称一 阶有源低通滤波器。阶有源低通滤波器。 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 0 0 时信号衰减得更快些，时信号衰减得更快些，常将两节常将两节RCRC滤波环节串接起滤波环节串接起来，来，组成二阶有源低通滤波组成二阶有源低通滤波器。器。u uo oR RF FC CR R+ + + R R1 1+ +u ui i+ +R RC C一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA

47、 0 0| | A Au uf0f0 | | | T T(j(j ) ) | | O O99 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo频率频率角角称为截止称为截止RC1: 式中0 u ui iu uo oR RF FC CR R+ + + R R1 1+ + +设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有故：故：100 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 0 的信的信号被阻止，称为号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(j

48、uAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0 0| | A Au uf0f0 | | | T T(j(j ) ) | | O O101模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 S Su uC C+ +u ui i+ +u uo o+ + + + 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模 - - 数转换电路（数转换电路（A/DA/D）之前）之前。由于由于A/D A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D A/D 转换前必须转换前必须对

49、模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器102 u uG G为高电平，为高电平， S S 闭合闭合( (场效应管导通场效应管导通) )， u ui i对存储电容对存储电容C C充电，充电， u uo o= u= uC C = u= ui i 。 u uG G为为 0 0， S S 断开断开( (场效应管截止场效应管截止) )，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。u ui it to ou uG

50、Gt to o采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 S Su uC C+ +u ui i+ +u uo o+ + + + 103 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和大小和极性。极性。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及

51、变换等场合以及波形产生及变换等场合 。 运算放大器工作在开环状态或引入正反馈时，由于其运算放大器工作在开环状态或引入正反馈时，由于其放大倍数非常大，所以输出仅存在正、负饱和两个状态。放大倍数非常大，所以输出仅存在正、负饱和两个状态。此种状态称为运算放大器的非线性应用。此种状态称为运算放大器的非线性应用。104电压传输特性电压传输特性阈值电压阈值电压( (门限电平门限电平) )：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 u ui iu uo oO OU UR RU UR Ru uo ou ui iR R2 2+ + + R R1 1+ + + + 可见，在可见，在 u ui i =

52、 =U UR R 处输出电压处输出电压 u uo o 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压105u ui it tO OU UR RO Ou uo ot t + +U Uo o (sat)(sat) U Uo o (sat)(sat)t t1 1t t2 2 当当 u ui i 单方向变化时，单方向变化时， u uo o 只变化一次。只变化一次。U UR Ru uo ou ui iR R2 2+ + + R R1 1+ + + +电压传输特性电压传输特性u ui iu uo oO OU UR R106u ui i UUR R，u uo o=+ U=+ Uo o (sat)(sat)u ui i

53、 UUR R，u uo o= U= Uo o (sat)(sat)U UR Ru uo ou ui iR R2 2+ + + R R1 1+ + + + u ui iu uo oU UR RR R2 2+ + + R R1 1+ + + + u ui iu uo oO OU UR R电压传输特性电压传输特性u ui iu uo oO OU UR R107U UR Ru uo ou ui iR R2 2+ + + R R1 1+ + + + u ui iu uo oU UR RR R2 2+ + + R R1 1+ + + + O Ot t + +U Uo(sato(sat) ) U Uo(sa

54、to(sat) )u uo ou ui it tO OU UR RO Ou uo ot t + +U Uo o (sat)(sat) U Uo o (sat)(sat)t t1 1t t2 2108U UZ Z U UZ Zu uo o R RD DZ ZU UR Ru uo ou ui iR R2 2+ + + R R1 1+ + + + 电压传输特性电压传输特性 U Uo(sato(sat) ) + +U Uo(sato(sat) )u ui iu uo oO OU UR R109U UR Ru uo ou ui iR R2 2+ + + R R1 1+ + + + t tu ui it tu uo o+ +U Uo(sato(sat) )U Uo(sato(sat) )110附加例子 如图，运放最大输出电压UOPP=12V，稳压管UZ=6V，正向压降UD=0.7V，输入电压ui=12