电子线路第八章

1、电子技术第八章集成运算放大器及其应用武科大信息学院电工电子课部分立电路：由各种单个元件联接起来的电子电路分立电路：由各种单个元件联接起来的电子电路集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格便宜分类：集分类：集 成成 度度SSISSI（小规模（小规模) )、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI 导电类型导电类型双极型、单极型、兼容型双极型、单

2、极型、兼容型 功功 能能数字、模拟、混合数字、模拟、混合模拟模拟集成集成电路电路集成运算放大器集成运算放大器集成功率放大器集成功率放大器集成稳压电源集成稳压电源集成数模转换电路集成数模转换电路 第第8 8章章 集成运算放大器及其应集成运算放大器及其应用用为了能对缓慢变化的信号或直流信号进行放大，不能采为了能对缓慢变化的信号或直流信号进行放大，不能采用阻容耦合而只能采用直接耦合用阻容耦合而只能采用直接耦合将前级的输出信号将前级的输出信号直接接到后级的输入端。直接接到后级的输入端。直接耦合的结构虽然简直接耦合的结构虽然简单，但存在着严重问题单，但存在着严重问题一是前后级静态工作点一是前后级静态工作

3、点的相互影响；的相互影响；二是所谓的二是所谓的零点漂移零点漂移。由于直接耦合不采用电容，特别适合于集成化的由于直接耦合不采用电容，特别适合于集成化的要求；具有良好的低频特性，通频带宽。要求；具有良好的低频特性，通频带宽。+ui-RC1RB1RB2VC2RC2+UccIB1T1T2IB2IC1IC1+uo-8.1 8.1 直接耦合放大电路的主要特点直接耦合放大电路的主要特点+ui-RC1RB1RB2VC2RC2+UccIB1T1T2IB2IC1IC1+uo-R RC1C1不仅是第一级的不仅是第一级的负载电阻又是第二负载电阻又是第二级的偏置电阻，它级的偏置电阻，它们之间的静态值是们之间的静态值是相

4、互影响的相互影响的用的解决方法是用的解决方法是提高第二级的基极电位提高第二级的基极电位。如在第二。如在第二级加发射极电阻或稳压管进行改进，既能有效传递级加发射极电阻或稳压管进行改进，既能有效传递信号，又使每一级都有合适的静态工作点。信号，又使每一级都有合适的静态工作点。RE2RDZ+uo1-+ui2-8.1.1 8.1.1 静态工作点的相互影响静态工作点的相互影响零点漂移零点漂移: :uot0 当当 u ui i= 0= 0 时：时：特殊问题特殊问题: :uiRC1R1T1R2+UCcuoRC2T2RE2有时会将有时会将信号淹没信号淹没8.1.2 8.1.2 零点漂移零点漂移理想的直接耦合放大

5、电路应在输入为零时，保持输出理想的直接耦合放大电路应在输入为零时，保持输出不变。但实际的放大电路往往在输入端短接时不变。但实际的放大电路往往在输入端短接时( ( u u i i = 0 )= 0 )，所测得的输出电压并不恒定，而是缓慢地、无规则地所测得的输出电压并不恒定，而是缓慢地、无规则地变化着，这就是变化着，这就是零点漂移零点漂移。ui=0直接直接耦合耦合放大器放大器+uo-抑制零漂的方法？抑制零漂的方法？uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没8.1.2 8.1.2 零点漂移零点漂移引起零点漂移的因素很多，有晶体管参数随温度引起零点漂移的因素很多，有晶体管参数随温度的变化、电源电压的波动

6、、电路元件参数的变化的变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等，但温度变化的影响是最严重的等，但温度变化的影响是最严重的抑制零点漂移的办法可加入深度的负反馈。抑制零点漂移的办法可加入深度的负反馈。特别要特别要注重对第一级零点漂移的抑制。注重对第一级零点漂移的抑制。通常把温度每变化一度在输出端的漂移电压折合通常把温度每变化一度在输出端的漂移电压折合到输入端作为衡量放大电路灵敏界限的指标到输入端作为衡量放大电路灵敏界限的指标U UIdId=U=UOdOd/|A/|AU U| |8.1.2 8.1.2 零点漂移零点漂移8.2 8.2 差动放大电路差动放大电路8.2.1 差动放大电路的工作原理差动放

7、大电路的工作原理由电路的对称结构，两只晶体管具有相同的静态工作由电路的对称结构，两只晶体管具有相同的静态工作点，而有温度变化所引起的参数的变化也具有对称性。点，而有温度变化所引起的参数的变化也具有对称性。+ui1-RCRB2+Ucc+ uo -T2RB1RCRB2RB1T1+ui2-1. 零点漂移的抑制零点漂移的抑制在静态时，在静态时，u ui1 i1= =u ui2 i2=0=0，相当于输入端短接，考虑对称，相当于输入端短接，考虑对称性，有性，有当温度升高时，集电极的电流都要升高；电位都要下当温度升高时，集电极的电流都要升高；电位都要下降，在完全对称时，它们的变化量也都相同，即降，在完全对称

8、时，它们的变化量也都相同，即IC1=IC2uo= VC1-VC2 =0、VC1=VC2IC1= IC2uo= VC1- VC2 =0 虽然每管各自都产虽然每管各自都产生了零漂，但由于两生了零漂，但由于两管集电极电位的变化管集电极电位的变化量相同，相互抵消。量相同，相互抵消。VC1= VC2及及及及、+ui1-RCRB2+Ucc+ uo -T2RB1RCRB2RB1T1+ui2-双端输出差动放大电路利用对称性可抑制零漂。双端输出差动放大电路利用对称性可抑制零漂。两个输入信号的大小相等，极性相同，两个输入信号的大小相等，极性相同，ui1=ui22. 2. 信号输入信号输入(1) 共模输入共模输入(

9、2) 差模输入差模输入两个输入信号的大小相等，极性相反，两个输入信号的大小相等，极性相反，ui1=-ui2(3)比较输入比较输入 ui1 ui2 共模信号共模信号uic =(ui1+ui2 )/2 及差模信号及差模信号uid =(ui1ui2 )/2前面指出差动放大电路是靠对称性来抑制零点漂移的，前面指出差动放大电路是靠对称性来抑制零点漂移的，但实际上的对称性是不存在的。因而零点漂移并不能但实际上的对称性是不存在的。因而零点漂移并不能完全被抑制，为此采用下面的典型电路：完全被抑制，为此采用下面的典型电路： +ui1-RC+Ucc+ uo-T2RB1RCRB1T1+ui2-RpUEERERB2R

10、B2共模抑共模抑制电阻制电阻 调 零调 零电阻电阻 负电源负电源 8.2.2 典型差动放大电路典型差动放大电路+ui1-RC+Ucc+ uo-T2RB1RCRB1T1+ui2-RpUEERER RE E的作用是稳定静态工作点，限制单管的零漂。的作用是稳定静态工作点，限制单管的零漂。 TIC1IC2IEUBE1UBE2IC1IB1IC2IB2当温度升高时当温度升高时共模抑共模抑制电阻制电阻 8.2.2 典型差动放大电路典型差动放大电路+ui1-RC+Ucc+ uo -T2RB1RCRB1T1+ui2-RpUEERER RE E愈大抑制零点漂移的作用愈显著，但愈大抑制零点漂移的作用愈显著，但U U

11、CCCC一定时，一定时， R RE E过大将使集电极电流过小而影响电压放大倍数。为此，过大将使集电极电流过小而影响电压放大倍数。为此，接入负电源接入负电源U UEEEE来抵偿来抵偿R RE E两端的直流压降，以获得合适两端的直流压降，以获得合适的静态工作点。的静态工作点。调零电阻调零电阻R Rp p作用是调平作用是调平衡，因实际电路不完全衡，因实际电路不完全对称，可用对称，可用R Rp p调节静态调节静态时输出电压。时输出电压。R Rp p对差模信号有反馈作对差模信号有反馈作用，不宜过大，阻值一用，不宜过大，阻值一般在般在10101 1-10-102 2 。8.2.2 典型差动放大电路典型差动

12、放大电路差模信号差模信号+UCC-UEEuiuoRCT1RBRCT2RBRERRui1uo+UCCRCT1RBRCT2RBui2-UEERE1 静态分析静态分析 温度温度TICIE = 2ICUEUBEIBICRE 的作用的作用 设设ui1 = ui2 = 0自动稳定自动稳定R RE E 具有强负反馈作用具有强负反馈作用 抑制温度抑制温度漂移，稳定静漂移，稳定静态工作点。态工作点。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE由于电路对称，只需计算一由于电路对称，只需计算一个管的静态值即可个管的静态值即可 。因为因为RP很小，略去很小，略去 。EEEEBEBBURIURI 2ECE

13、ECCCERRUUU2 EEEECRUII2 EEECBRUII 2 小而忽略小而忽略+ui1-RC+Ucc+ uo -T2RB1RCRB1T1+ui2-RpUEEREVE=0 RC+UccRB1T1+uCE-UEERE2IEICIBuBE+- -. Q点的计算点的计算beBCbeBbCbiodrRRrRiRiuuA )(111RRE E对差模信号对差模信号( (u ui1i1= - = - u ui2 i2) )不起作用，不起作用，单管差单管差模电压放大倍数：模电压放大倍数：同理同理1222dbeBCiodArRRuuA 双端输出电压放大倍数双端输出电压放大倍数111212122dioiio

14、oiodAuuuuuuuuA 2. 动态分析动态分析RC+UccT2RBRCRBT1RpUEERE+-+uo1uo2(1) (1) 双端输入双端输入双端输出双端输出+ui1-+ui2-RC+uo1-RB1T1+ui1-iCiBiET1单边微变等效电路 ui2 ui1RR uod1 uod2 uodC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBib2ib1ic1ic2RBui1ib1uod1RC ib1RBc1b1erbe1uOdui当两管集电极之间接入负载当两管集电极之间接入负载R RL L时，时，差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：beBLdrRRA 其中其中LCLRRR21/ 两输入端之间的差

15、模输入电阻：两输入端之间的差模输入电阻：)( 2beBirRr两集电极之间的差模输出电阻：两集电极之间的差模输出电阻：CoRr2(1) (1) 双端输入双端输入双端输出双端输出因为当输入差模信号时，一管因为当输入差模信号时，一管V VC C下降，另一管的下降，另一管的V VC C增高，在增高，在R RL L中中点相位相当于点相位相当于“零零”电位（接电位（接“地地”），所以每管各带一半负），所以每管各带一半负载电阻。载电阻。RC+uo1-RB+ui1-iCiBrberi1ro1RC+uo1-RBT1+ui1-iCiBiE0.5RLbeBCioiiodrRRuuuuuA 212112111如果从

16、如果从T T1 1集电极或集电极或T T2 2集电极单端输出集电极单端输出beBCioiiodrRRuuuuuA 212222122电压放大倍数（空载）分电压放大倍数（空载）分别为：别为：RC+UccT2RBRCRBT1RpUEERE+-uo1+uo2(2) 双端输入双端输入单端输出单端输出+ui1-+ui2-反相输出反相输出同相输出同相输出单端输出的差动放大电路的电压放大倍数只有双端单端输出的差动放大电路的电压放大倍数只有双端输出差动放大电路的一半。输出差动放大电路的一半。差动放大器各点差动放大器各点极性极性：ui1uo+UCCRCRBRCRBui2-UEEREuo1uo2+u ui1 i1

17、 与与u uo1 o1 、u ui2 i2 u uO O 反相反相 。与。与u uo 2 o 2 、同相同相u ui2i2与与u uo2 o2 、u ui1 i1 反相反相 。与。与u uo 1 o 1 、 u uo o 同相同相共模抑制比共模抑制比(CMRR)例例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝分贝)cdAAcdAAlog20总结总结直接耦合放大电路以差动放大器的性能为最好。直接耦合放大电路以差动放大器的性能为最好。尽量选择

18、对称电路参数，更好地抑制零点漂移。尽量选择对称电路参数，更好地抑制零点漂移。R RE E的存在对提高共模抑制比具有很好的效果。的存在对提高共模抑制比具有很好的效果。双入双入双出的电压放大倍数与单管放大电路的放大双出的电压放大倍数与单管放大电路的放大倍数相同；单端输出的电压放大倍数又减小为一半。倍数相同；单端输出的电压放大倍数又减小为一半。在制造工艺上，集成运放很难制造电感、电容大电在制造工艺上，集成运放很难制造电感、电容大电阻元件，所以需要时一般都采取外接的方法。而制阻元件，所以需要时一般都采取外接的方法。而制造晶体管却最容易，一般采用晶体管恒流源代替电造晶体管却最容易，一般采用晶体管恒流源代

19、替电阻；把阻；把晶体管晶体管的三极适当组配作二极管用。的三极适当组配作二极管用。同时也同时也出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要，运放各级之间均采用的需要，运放各级之间均采用直接耦合直接耦合的方式。的方式。集成集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，温度性能基本保持一致，因此易制成温度硅片上的，温度性能基本保持一致，因此易制成温度漂移很小的差动放大器。漂移很小的差动放大器。 1. 集成运算放大电路的特点集成运算放大电路的特点8.3.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点8.

20、3 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍输入级输入级中间级中间级偏置电路偏置电路输出级输出级输输入入端端输输出出端端输入级：输入级：由差放构成由差放构成。减小零漂和抑制干扰。减小零漂和抑制干扰。中间级：中间级：共射放大电路共射放大电路。用于电压放大。用于电压放大。输出级：输出级：互补对称电路互补对称电路。 降低输出电阻，提高带载能力。降低输出电阻，提高带载能力。偏置电路：由偏置电路：由恒流源电路恒流源电路构成。构成。 确定运放各级的静态工作点。确定运放各级的静态工作点。2. 2. 电路的简单说明电路的简单说明8.3.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点集成运放的基本结构示意

21、图集成运放的基本结构示意图输入级输入级中间级中间级 输出级输出级-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原基本原理框图理框图运放举例：运放举例：F007F007 F007 1 2 3 48 7 6 5 F0077614325822反相输入端反相输入端66输出端输出端33同相输入端同相输入端44正电源端正电源端77负电源端负电源端88闲置端（闲置端（NCNC）1 1、55接调零电位器接调零电位器2. 电路的简单说明电路的简单说明反相输入端：反相输入端：由此端接输入信号，则输入输出信号反相。由此端接输入信号，则输入输出信号反相。同相输入端：同相输入端：由此端

22、接输入信号，则输入输出信号同相。由此端接输入信号，则输入输出信号同相。8.3.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点u0u0uuuu为了合理的选用和正确的使用运算放大器，必须了为了合理的选用和正确的使用运算放大器，必须了解集成运算放大器的各主要参数的意义。解集成运算放大器的各主要参数的意义。1 1开环电压放大倍数开环电压放大倍数A AUOUO在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。 A AUOUO越高，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，一般约为越高，一般约为10104 4 10 107 7。

23、2 2共模抑制比共模抑制比K KCMRRCMRR它表示运算放大器的差模电压放大倍数它表示运算放大器的差模电压放大倍数A Ad d与共模电与共模电压放大倍数压放大倍数A AC C 之比的绝对值。若用分贝（之比的绝对值。若用分贝（dBdB）为）为单位，则称单位，则称K KCMRCMRF007F007型晶体管的型晶体管的K KCMRCMR约为约为80dB80dB，目前有的晶体管，目前有的晶体管的的K KCMRCMR已高达已高达160dB160dB，K KCMRCMR越大，说明集成运算放越大，说明集成运算放大器的共模抑制性能越好。大器的共模抑制性能越好。8.3.2 8.3.2 主要参数主要参数3 3开

24、环（差模）输入电阻开环（差模）输入电阻r rid id运算放大器开环时，从两输入端看进去的等效动态运算放大器开环时，从两输入端看进去的等效动态电阻称为开环输入电阻。电阻称为开环输入电阻。r rid id越大说明集成运算放大越大说明集成运算放大器由差模信号源输入的电流就越小，器由差模信号源输入的电流就越小，F007F007的的r rid id约为约为12M12M。4 4开环输出电阻开环输出电阻r ro o运算放大器输出级的输出电阻。运算放大器输出级的输出电阻。r ro o越小，集成运算越小，集成运算放大器带负载的能力越强。放大器带负载的能力越强。F007F007的的r ro o约为约为500 5

25、00 。5 5最大输出电压最大输出电压U Uoppopp能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压。出电压。F007F007的的U Uoppopp约为约为121213V13V。8.3.2 8.3.2 主要参数主要参数6 6输入失调电压输入失调电压U UIOIO理想的运算放大器，当输入电压为零时，即理想的运算放大器，当输入电压为零时，即u ui1 i1= =u ui2 i2=0=0，输出电压，输出电压u uo o=0=0。但在实际的运算放大器。但在实际的运算放大器中，由于制造中也很难做到参数完全对称，因此当中，由于制造中也很难做到参数完全对称，

26、因此当输入电压为零时，输入电压为零时， u uo o0 0 。反过来说，如果要，必。反过来说，如果要，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。调电压。 U UIOIO一般为几毫伏，显然它越小越好。一般为几毫伏，显然它越小越好。7 7输入失调电流输入失调电流I IIOIO输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即态基极电流之差，即I IIOIO = =I IB1B1-I -IB2B2， I IIOIO一般在零一般在零点零几微安级，其值越小越好。点零几微安级，其值越小越好。8.

27、3.2 主要参数主要参数8 8输入偏置电流输入偏置电流I IIBIB输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即值，即I IIBIB = =（I IB1B1-I -IB2B2）/2 /2 。这个电流也是越小越好，。这个电流也是越小越好，一般在零点几微安级。一般在零点几微安级。集成运算放大器的其它参数的意义是可以理解的，集成运算放大器的其它参数的意义是可以理解的，就不一一说明了。总之，集成运算放大器具有开环就不一一说明了。总之，集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入电阻高（约几兆欧）、输出电压放大倍数高、输入电阻高（约几兆欧）、输出电阻低（约

28、几百欧）、零点漂移小、体积小、可靠电阻低（约几百欧）、零点漂移小、体积小、可靠性高等优点，因此它被广泛地应用于各个技术领域，性高等优点，因此它被广泛地应用于各个技术领域，已成为一种通用器件。已成为一种通用器件。8.3.2 8.3.2 主要参数主要参数3 3）开环输出电阻）开环输出电阻 ro02 2）差模输入电阻）差模输入电阻 rid 4 4）共模抑制比）共模抑制比 KCMRR在分析运算放大器构成的各种电路时，通在分析运算放大器构成的各种电路时，通常将它看成是一个理想运算放大器。常将它看成是一个理想运算放大器。 1 1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数 Auo +-u-u+uo理想运放理想运放

29、图形符号图形符号 1. 理想运算放大器理想运算放大器理想化的条件是：理想化的条件是：8.3.3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ou+ - u-uo实际运放的参数指标很接近理实际运放的参数指标很接近理想化条件，故用理想运放代替想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。重，在工程上是允许的。右图所示为运放输入和输出右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，电压的关系曲线，称为传输称为传输特性特性。从图中看到，实际运。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比放的传输特性与理想运放比较接近。较接近。+Uo(sat)-Uo(s

30、at)理想特性理想特性实际特性实际特性运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性2 2电压传输特性电压传输特性8.3.3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虚地虚地虚断虚断虚短虚短o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+ - u-线性区饱和区饱和区从运放的传输特性看，可分为线性区和饱和从运放的传输特性看，可分为线性区和饱和区，工作在不同区时的分析方法不同：区，工作在不同区时的分析方法不同：线性区线性区： uo=Auo(u+-u-)rid ，故故两输入端的输两输入端的输入电流为零入电流为零。 Auo ，uo为有限值为有限值故故 u+-u-=uo/Auo0 即即 u+ u-分析

31、依据分析依据当有信号输入时当有信号输入时，如同相端，如同相端接地，即接地，即u+=0 则则u- 02 2电压传输特性电压传输特性uo饱和区：饱和区： uoAuo(u+-u-)当当u+ u- 时时,uo=+uo(sat) 当当u+ u- 时时,uo=-uo(sat) 但两输入端的输入电流仍为零但两输入端的输入电流仍为零o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性实际特性u+ - u-线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区2 2电压传输特性电压传输特性uo8.3.3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 ri 高高:几十几十k M 运放的特点：运放的特点：KCMRR很大很大 ro 小：几

32、十小：几十 几百几百 A o 很很大大:104以上以上 107理想运放：理想运放： ri KCMRR ro 0Ao 运放符号：运放符号：uu+ uo总结：运放的特点和符号总结：运放的特点和符号 u u+ uo 运放能完成信号的代数运算有：运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、比例、加减、积分积分与与微分微分等运算。等运算。Auo ，uo为有限值为有限值故故 u+-u-=uo/Auo0 即即 u+ u-rid ，故故两输入端的输两输入端的输入电流为零入电流为零。 分析方法：分析方法：8.48.4运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用1. 反相输入比例运算反相输入比例运算由

33、由KCLKCL、KVLKVL和运放工作和运放工作在线性区的在线性区的分析依据分析依据： 1iif 0 uu111RuRuuiii FFfRuRuuioo i1uiuo +-ifR1R2RF及及R RF F 反馈电阻；反馈电阻；R R2 2 平衡电阻，保持两个输入端平衡电阻，保持两个输入端外接电阻相等，保证运算放大器外接电阻相等，保证运算放大器工作在对称平衡状态。工作在对称平衡状态。R R2 2= R= R1 1RRF F虚虚断断虚地虚地iFuRRu1o RF=R1，uo=-ui反相器反相器8.4.1 8.4.1 比例运算比例运算iFuRRu1o 1RRuuAFiouf 说明：说明：1 1、式中

34、的负号表示输出与输入反相，因此又把反相输入、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相输入的比例运算电路称为的比例运算电路称为反相器反相器；2 2、如、如R R1 1和和R RF F的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数很的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证了阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证了比例运算的精度和稳定性比例运算的精度和稳定性8.4.1 8.4.1 比例运算比例运算1. 反相输入比例运算反相输入比例运算i1uiuo +-ifR1R2Rf1

35、iif iuuu 及及111RuRuii 有有FFfRuuRuuioio iFuRRu)1 (1o ioFioufuuRRuuA 11得得2. 2. 同相输入比例运算同相输入比例运算uiuo +-R2当当R1=；RF=0Auf=1这就是电压跟随器这就是电压跟随器uo= =uii13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路加法电路在反相端输入若干路信号，在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路构成反相加法运算电路。 131211iiiif )(321iFiFiFuRRuRRuRRu131211o FofRui 1111Ruii1 1212Ruii2 13

36、13Ruii3 由此得由此得当当R11=R12=R13=R1时时)(321iiiFuuuRRu 1o再若再若R1=RF，则，则)(321iiiuuuu o8.4.2 8.4.2 加法运算加法运算i13ui3uo +-if200k13.3k100ki1250ki1125kui2ui1加法电路加法电路131211ouuuu5 . 024 若若8.4.2 8.4.2 加法运算加法运算例：例： 131211ouuuu5 . 02)( 4 ui1 +-10k5k10kuo1=-ui1uo1131211ouuuu5 . 024 )(321iFiFiFuRRuRRuRRu131211o 反相器反相器ui1u

37、o +-R3R2RFi1R1减法电路ifui2当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，可进行减法运算可进行减法运算 uRRRuuuRiuuFoiii1111111-12323)1 (iFiFuRRuRRRRRu11o 3322RRRuui 时时且且当当321RRRRF )(12iiFuuRRu 1oi11uuuRRAioFu 2则则8.4.3 8.4.3 减法运算减法运算FoifRRuuii 111 dtuCRdtiCuuiFfF111co0 -uui1uo +- -R2CFi1R1积分电路ifuc1if1Ruii 当输入信号为阶跃电压时，当输入信号

38、为阶跃电压时，tCRUuFi1 oU-UuiotUo(sat)-Uo(sat)8.4.4 积分运算otuo控制和测量系统中常用的比例控制和测量系统中常用的比例- -积分调节器（积分调节器（PIPI调节器）：调节器）：)1(11 dtuCRuRRuiFiFoui1uo +-R2CFi1R1PIPI调节器调节器ifucRF可视为可视为反相比例运算反相比例运算和和积分运算积分运算的叠加。的叠加。与以前学过的与以前学过的RCRC积分电路相比，运放所构成的有源积积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电电流分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电电流基本恒定。基本恒定。

39、11RUiii f8.4.4 积分运算ui1uo +-R2C1i1微分电路微分电路ifucRF微分运算是积分的逆运算，微分运算是积分的逆运算，dtduCdtduCiic111 当输入信号为阶跃电压时，当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。微分输出为尖脉冲电压。微分电路稳定性不高，用得较电路稳定性不高，用得较少。少。( (波形如右图波形如右图) )dtduCRRiRiuiFFF11fo uiUuooottui1uo +-R2C1icPDPD调节器调节器iRRF在控制系统中使调节过程加速的比在控制系统中使调节过程加速的比例例微分调节器（微分调节器（PDPD调节器）调节器）8.4.5 微分运算

40、在自动控制系统中常需要进行信号处理，如滤波、在自动控制系统中常需要进行信号处理，如滤波、信号的测量及信号的比较等。信号的测量及信号的比较等。7.5.1 有源滤波器有源滤波器滤波器是一种选频电路滤波器是一种选频电路选出有用信号，而抑制无用选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。和带阻等。将由将由RCRC组成的无源滤波器再接到运

41、算放大器的输入端组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到（因运放是有源器件），性能会得到改善：体积小、效率高、频率特性好等。改善：体积小、效率高、频率特性好等。8.5运放在信号处理方面的应用uiuo +-RC有源低通滤波器有源低通滤波器ucRFR1如图为有源如图为有源低通低通滤波器滤波器CjCjRUUUic 11 RCjUi 1 URRUFo)1 (10111111 /jRRRCjRRUUAFFiouf RCfRC 2 1100 或或20ufAo0 幅频特性 20111 / RRAFuf8.5.1 有源滤波器传递函数为传递函数为 时时

42、当当0 11RRAFuf 220ufFufARRA 11时时当当0 称为截止频率称为截止频率0 20ufAo0 幅频特性8.5.1 有源滤波器可见有源可见有源低通低通滤波器，输入信号的频率滤波器，输入信号的频率0时，时，输出电压衰减不多，信号容易通过。输出电压衰减不多，信号容易通过。当测量微弱信号时，需将信号先放大，再测量。常当测量微弱信号时，需将信号先放大，再测量。常用的测量放大器电路输入级结构对称且输入电阻很用的测量放大器电路输入级结构对称且输入电阻很高，抑制零点漂移能力很强。第二级采用减法电路，高，抑制零点漂移能力很强。第二级采用减法电路，为了提高运算精度，必须使用共模抑制比很高的运为了

43、提高运算精度，必须使用共模抑制比很高的运算放大器。算放大器。测量测量放大放大器原器原理图理图 8.5.2 测量放大器+uo-RR1 +-A1 +-A2 +-A3R2R3R4R5R6+uI1-uI2+uI-测量测量放大放大器原器原理图理图 8.5.2 测量放大器+uo-RR1 +-A1 +-A2 +-A3R2R3R4R5R6+ui1-ui2+ui-11IRuuRi 第一级根据理想运放的第一级根据理想运放的“虚短虚短”、“虚断虚断”的概念可的概念可得得第二级减法电路第二级减法电路uo1uo2)()(321132121RRRRuRRRIuuioo I16256)1(oouRRuRRRRRu44o 若

44、若R4=R5，R6=R ioouRRRRRRuuRRu13216216)( 44ouRuo +-R2电压比较器电压比较器R1ui运放工作于开环状态，运放工作于开环状态，u uR R是参考是参考电压，当输入与参考电压有微小电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，差值时，输出信号便会达到饱和，即运放工作于非线性即运放工作于非线性饱和区。饱和区。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性传输特性uouiuR8.5.3 电压比较器参考电压为参考电压为零时，称为零时，称为过零比较器过零比较器uo +-R2过零比较器过零比较器R1uiuiuR，uo=-uo(sat)Uo(sat)-Uo(s

45、at)o传输特性uouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sat)o比较器将正弦波变换为矩形脉冲uot8.5.3 电压比较器uiUzo传输特性传输特性uo-Uz有时为了将输出电压限制在某一特定值，以有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路的电平配合，可在与接在输出端的数字电路的电平配合，可在比较器的输出端与反相端之间跨接一个双向比较器的输出端与反相端之间跨接一个双向稳压管稳压管DzDz，作双向限幅用。，作双向限幅用。8.5.3 电压比较器uo +-R2有限幅电压比较器有限幅电压比较器R1uiDzR3ui+Uzo传传输输特特性性uo-Uz试分析滞回比较器的工作原理并作出传

46、输特性。试分析滞回比较器的工作原理并作出传输特性。例例uo +-R2滞滞回回比比较较器器R1uiDz限流限流电阻电阻R3RFUZ-U+U设某一瞬时设某一瞬时u uo o=+U=+UZ Z ，当当u ui i增大到增大到u ui iU U时，时，u uo o变为变为-U-UZ Z，发生负向跃变；，发生负向跃变；当当u ui i减小到减小到u ui i-U-U时，时，u uo o又变为又变为+U+UZ Z ，发生正向跃变。，发生正向跃变。如此周而复始，随着如此周而复始，随着u ui i大小的变化，大小的变化，u uo o为一矩形波电压。为一矩形波电压。当输出电压当输出电压u uo o=+U=+UZ

47、 ZZFURRRUu 22当输出电压当输出电压u uo o= -U= -UZ ZZFURRRUu 22解：解：集成运放其它应用集成运放其它应用*电压源、电流源与电压、电流的测量电压源、电流源与电压、电流的测量电压源：电压源：要求输出电阻小要求输出电阻小电路电路组成组成反向比例放大器反向比例放大器同相比例放大器同相比例放大器_+ + R2R1RPUoUs反向比例放大器组成的电压源反向比例放大器组成的电压源电流源：电流源：要求输出电阻大，要有电流要求输出电阻大，要有电流负反馈。负反馈。_+ + R2R1RPUsRFRLFIL_+ + R2R1RPUsRFRLFILs12FURRU S1F2FF2F

48、FLURRRRUR/RUI 负载悬负载悬地！地！同相输入的电流源可以作为电压表同相输入的电流源可以作为电压表_+ + RFRGUxFIG输入电阻大，相输入电阻大，相当于电压表的内当于电压表的内阻是无穷。阻是无穷。IG正比于正比于UX_+ + RFRGUxFIGFXGRUI 选用：选用：IG=100 A，RF=10 ，则：，则：UX=IGRG=1mV此电路的优点此电路的优点1、能测量较小的电压；、能测量较小的电压；2、输入电阻高，对被测电路影响小；、输入电阻高，对被测电路影响小；3、与、与RG无关，表头的互换性好；无关，表头的互换性好；4、RF小，可以做得较精密。小，可以做得较精密。8.6 反馈

49、的基本概念反馈的基本概念反反 馈：馈：凡是将某系统输出信号的部分或全部通过凡是将某系统输出信号的部分或全部通过 某种方式引回到输入端，就称为反馈。某种方式引回到输入端，就称为反馈。如果反馈所在的系统是放大电路，就是放大如果反馈所在的系统是放大电路，就是放大电路中的负反馈。其输出信号或输入信号就电路中的负反馈。其输出信号或输入信号就是电信号是电信号( (电压或电流电压或电流) )。负反馈：负反馈：若反馈信号削弱输入端信号，使电路的放大若反馈信号削弱输入端信号，使电路的放大倍数下降，就称为负反馈。倍数下降，就称为负反馈。正反馈：正反馈：当反馈信号增强了输入端信号，就称为正反当反馈信号增强了输入端信

50、号，就称为正反馈。馈。8.6.1 反馈的基本概念反馈的基本概念无反馈的放大电路框图如下：无反馈的放大电路框图如下：当三者同相时，反馈信当三者同相时，反馈信号使净输入信号减小。号使净输入信号减小。AiXoX有反馈的放大电路框图为：有反馈的放大电路框图为：当当X Xf f与与X Xi i比较使净输比较使净输入信号入信号X Xd d增大，因增大，因而而X XO O增大增大, ,电路具有电路具有正反馈正反馈；基本放大电路基本放大电路反馈电路反馈电路比较环节比较环节为基本放大电路得到的净输入信号。为基本放大电路得到的净输入信号。dXfidXXX fidXXX AiXoXFfXdX+在负反馈情况下在负反馈

51、情况下当当X Xf f与与X Xi i比较使净输入信比较使净输入信号号X Xd d减小，因而减小，因而X XO O减小减小, ,电路具有电路具有负反馈负反馈；8.6.1 8.6.1 反馈的概念反馈的概念AAFXXXXXXoodfdo 111,dOXXA fdoifXXXXXA 0AFfXdX0XiX,ofXXF 开环放大倍数开环放大倍数（无反馈）（无反馈）反馈系数反馈系数闭环放大倍数（有反馈）闭环放大倍数（有反馈）由前面负反馈分析可知，由前面负反馈分析可知，X Xf f与与X Xd d同是电压或电流并同同是电压或电流并同相，所以相，所以AFAF是正实数，一般是正实数，一般AF1AF1。A1A1

52、11f FAF，|1+AF|1+AF|称为反馈深度，其值越大，负反馈作用越强，放大倍数越称为反馈深度，其值越大，负反馈作用越强，放大倍数越小。引入深度负反馈后，闭环放大倍数只取决于反馈电路，而与小。引入深度负反馈后，闭环放大倍数只取决于反馈电路，而与基本放大电路几乎无关。基本放大电路几乎无关。8.6.2 放大电路的负反馈放大电路的负反馈按反馈信号和输出信号的关系分：（按反馈信号和输出信号的关系分：（1 1）电压）电压 （2 2）电流）电流按反馈信号和输入信号的关系分：（按反馈信号和输入信号的关系分：（1 1）串联）串联 （2 2）并联）并联AFfXdX0XiX组合：组合：1 1、串联电压负反馈

53、、串联电压负反馈 2 2、并联电压负反馈、并联电压负反馈 3 3、串联电流负反馈、串联电流负反馈 4 4、并联电流负反馈、并联电流负反馈负反馈类型负反馈类型电压并联负反馈电压并联负反馈AFfX0XiXAFfX0XiX电流并联负反馈电流并联负反馈AFfX0XiX电流串联负反馈电流串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈dXAFfX0XiX电压反馈电压反馈一般从后级放大器的集电极采样一般从后级放大器的集电极采样电流反馈电流反馈一般从后级放大器的发射极采样一般从后级放大器的发射极采样并联反馈并联反馈的反馈信号接于晶体管基极的反馈信号接于晶体管基极串联反馈串联反馈的反馈信号接于晶体管发射极的反馈信号接于

54、晶体管发射极分分立立元元件件电流电压电流电压反馈判别反馈判别电压反馈电压反馈一般直接从运放的输出端采样一般直接从运放的输出端采样电流反馈电流反馈一般不直接从运放输出端采样一般不直接从运放输出端采样 串并联串并联反馈判别反馈判别并联反馈并联反馈反馈网络接在信号输入端反馈网络接在信号输入端串联反馈串联反馈反馈网络接在非信号输入端反馈网络接在非信号输入端集集成成电电路路电流电压电流电压反馈判别反馈判别 串并联串并联反馈判别反馈判别反反 馈馈 类类 型型 的的 判判 别别oF11fuRRRu fofRui RuRuiifo oFfiRRRi oFfiRRRi f11i1 iiRui ，且且因因iF1o

55、)1(1 uRRRi 所所以以 反馈过程：反馈过程：+UCCRCC1RF+RS+C2+RLeSuiuoFofRui iiibifUoif ibic Uo Ib = = Ii - - If反馈类型：反馈类型：并联电流负反馈并联电流负反馈 fidiii （同相相减）（同相相减）i if f与与i ii i在输入端以电流形式比较，两者并联，在输入端以电流形式比较，两者并联，并联反馈并联反馈 id变小，变小，负反馈负反馈 反馈与输入加反馈与输入加在同一个输入在同一个输入端，并联反馈端，并联反馈反馈从反馈从R RL L端近端近地端引出，电地端引出，电流反馈流反馈_ _+ + + + RLA1uiauoR

56、Fifiii iduo1例：例：8.6.18.6.1多级运放反馈分析多级运放反馈分析_ _+ + + + A28.6.4 8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响负反馈对放大电路工作性能的影响AAFXXXXXXoodfdo 111,dOXXA fdoifXXXXXA 0,ofXXF 开环放大倍数开环放大倍数（无反馈）（无反馈）反馈系数反馈系数闭环放大倍数（有反馈）闭环放大倍数（有反馈）由前面负反馈分析可知，由前面负反馈分析可知，X Xf f与与X Xd d同是电压或电流同是电压或电流并同相，所以并同相，所以AFAF是正实数，一般是正实数，一般AF1AF1AA111f ，AF引入负反馈，放大倍

57、数降低了引入负反馈，放大倍数降低了AFfXdX0XiX1、降低放大倍数、降低放大倍数2 2、提高放大倍数的稳定性、提高放大倍数的稳定性AFAAAFAFAFAFdAAFAddAdAff1111111)1(22AFAdAAdAff11当外界条件变化时，即使输入一定，输出仍当外界条件变化时，即使输入一定，输出仍有变化，也就引起放大倍数的变化。如果这有变化，也就引起放大倍数的变化。如果这种相对变化较小，则说明其稳定性高。种相对变化较小，则说明其稳定性高。当当1+AF=1001+AF=1001001AdAAdAff有反馈有反馈的放大倍数的的放大倍数的相对相对变化变化是是无反馈无反馈的百分之一。的百分之一

58、。反馈放大电路的稳定反馈放大电路的稳定性提高了性提高了8.6.4 8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响负反馈对放大电路工作性能的影响3 3、改善波形失真、改善波形失真注：不能消除失真注：不能消除失真标准标准失真失真小小大大略大略大略小略小略略小小略略小小略略大大略略大大AdX0XiXfXF负反馈利用已失真的波负反馈利用已失真的波形改善失真，只能减小形改善失真，只能减小失真，不能消除失真。失真，不能消除失真。8.6.4 8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响负反馈对放大电路工作性能的影响BWFABW)1(of 无负反馈无负反馈f|Au|8.6.4 8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的

59、影响负反馈对放大电路工作性能的影响uiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。i0if)1(rFAr biiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：biifiur uf+bbeiu 8.6.4 8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响负反馈对放大电路工作性能的影响FArr0ifi1 ifbbeiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：ibeifiur iiibube+8.6.4 8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响负反馈对放大电路工作性能的影响o0of)1(rFAr FArr0oof1 电压

60、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。1) 1) 电压负反馈使电路的输出电阻降低电压负反馈使电路的输出电阻降低6.6.对输出电阻的影响对输出电阻的影响8.6.4 8.6.4 负反馈对放大电路工作性能的影响负反馈对放大电路工作性能的影响(1)(1)交流反馈交流反馈与与直流反馈直流反馈反馈只对交流信号起作用，称为反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈交流反馈。 在反馈网络