电工电子学集成运算放大器的课件

1、第9章 集成运算放大器9.1 集成运算放大器概述9.2 放大电路中的负反馈9.4 运算放大器在信号处理方面的应用9.5 运算放大器在信号产生方面的应用9.3 运算放大器在信号运算方面的应用11. 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；2. 理解运算放大器的电压传输特性，理解理想 运算放大器并掌握其基本分析方法；3. 理解用集成运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器 的工作原理；4. 理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第9章 集成运算放大器29.1 集成运算放大器概述 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模

2、拟集成电路。 集成电路 是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, 组成一个不可分的整体。 集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟3各类型号集成芯片9.1.1 集成运放的组成 1. 元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接； 3. 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； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。4输入级 中间级 输出级偏置电路运算放大器方框图 输入级：输入电阻高，能减

3、小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。 中间级：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。 偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。59. 1. 2 差动放大电路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。电位器 RP : 起调零作用。1、电路组成62. 信号输入 两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。(1) 共模信号 ui1 =

4、 ui2 = uic 大小相等、极性相同 差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。共模信号 需要抑制+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+72. 信号输入两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，(2) 差模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相反 uid = ui1 ui2uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1 即对差模信号有放大能力。差模信号 是有用信号+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+8(3) 比较输入 ui1 、ui2 大小和极性是任意的。例1: ui1 = 10 mV, ui2 =

5、 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成: ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV 放大器只 放大两个 输入信号 的差值信 号差动 放大电路。 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。 93. 零点漂移的抑制uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，ui1 = ui2 = 0当温度升高时ICVC （两管变化量相等） 对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。+U

6、CCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+104. 输入和输出方式+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出11(Common Mode Rejection Ratio) 全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。差模放大倍数共模放大倍数 KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。5. 共模抑制比共模抑制比12 若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压 uo = Ad （ui1 ui2 ） = Ad uid 若电路不完全对称，则

7、 Ac 0，实际输出电压 uo = Ac uic + Ad uid 即共模信号对输出有影响 。13输入级中间级输出级9.1.3 集成运放的工作原理反相输入端同相输入端输出端+UCC ui-UEEuoT3T4T5T1T2IS123+14集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传输方向输出端实际运放开环电压放大倍数(a)(b)(a) 符号; (b)引脚 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输出151. 主要参数 1. 最大输出电压 UOM 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈

8、电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好 3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB9.1.3 集成运放的特性16线性区：uo = Auo(u+ u)非线性区：u+ u 时， uo = Uo+ u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象 u+ u uoUo(sat)+Uo(sat

9、) O饱和区21RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+9.2.1 反馈的基本概念反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的 一部分或全部通过某种电路引回到输入端。9.2 放大电路中的负反馈esRB+UCCC1C2RERLui+uo+RS通过RE将输出电流反馈到输入通过RE将输出电压反馈到输入22(b) 带反馈(a)不带反馈A1. 反馈的定义+A 净输入信号 反馈信号 输出信号净输入信号：F反馈电路比较环节 输入信号基本放大电路 若三者同相，则Xd = Xi - Xf , 即Xd Xi ，即反馈信号起了增强净输入信号的作用则为正反馈。23负反馈：反馈信号削弱净输入信号， 使放大倍数

10、降低。在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。 在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。 正反馈：反馈信号增强净输入信号， 使放大倍数提高。2. 反馈的分类返回后一页前一页（1） 正反馈与负反馈24（2）交流反馈与直流反馈 在反馈网络中串接隔直电容，可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。 在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容，可以使其只对直流起作用。 反馈只对交流信号起作用，称为交流反馈。反馈只对直流起作用，称为直流反馈。有的反馈对交直流均起作用。返回后一页前一页引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点。25RE直流反馈RE交直流反馈

11、+UCCRE+UCCRE+返回后一页前一页26 (3)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。 (4)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。 反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。 反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。273. 负反馈放大电路的一般表达式反馈放大电路的基本方程反馈系数净输入信号开环放大倍数闭环放大倍数+AF28 负反馈使放大倍数下降。则有：同相，所以 AF 是正实数负反馈时，

12、| 1+AF| 称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强，Af也就愈小。 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。若|AF| 1，称为深度负反馈，此时： 在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。29负反馈交流反馈直流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放大电路中不同类型的负反馈稳定静态工作点30（1） 反馈极性的判别利用瞬时极性法判别负反馈与正反馈的步骤： 2. 若电路中某点的瞬时电位高于参考点(对交流为电压的正半周)，则该点电位的瞬时极性为正(用表示)；反之为负(用 表示)。 4. 若反馈信号与输入信号加在同

13、一输入端(或同一电极)上， 两者极性相反时，净输入电压减小, 为负反馈；反之，极性相同为正反馈。 3. 若反馈信号与输入信号加在不同输入端(或两个电极)上， 两者极性相同时，净输入电压减小, 为负反馈；反之，极性相反为正反馈。 1.设接“地”参考点的电位为零。9.2.2 负反馈放大电路的分析31（2）反馈方式的判别 (1)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。 (2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。 反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，

14、称为串联反馈。 反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并联反馈。32iiifibib= ii - if输入信号反馈信号净输入信号并联反馈跳转1ube= ui - uf输入信号净输入信号串联反馈ufuiube+反馈信号反馈信号与输入信号并联，即反馈电流信号与输入信号电流比较,称为并联反馈。反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较的，称为串联反馈。返回后一页前一页33+uf+ud设输入电压 ui 为正，差值电压 ud =ui uf各电压的实际方向如图uf 减小了净输入电压(差值电压) 负反馈uoRFuiR2R1+例1：uoRFuiR2R1+例2：设输入电

15、压 ui 为正，差值电压 ud =ui + uf各电压的实际方向如图uf 增大了净输入电压 正反馈+uf+ud在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。 在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。34例3：RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+设输入电压 ui 为正，差值电压 ube =ui uf各电压的实际方向如图uf 减小了净输入电压 负反馈RBRERLuiuo+交流通路+uf+ubeie交、直流分量的信号均可通过 RE，所以RE引入的是交、直流反馈。如果有发射极旁路电容， RE中仅有直流分量的信号通过 ，这时RE引入的则是直流反馈。引入交流负反馈的目的：

16、改善放大电路的性能引入直流 负反馈的目的：稳定静态工作点35分析步骤：3) 是负反馈，判断负反馈的类型;1) 找出反馈网络（一般是电阻、电容）；2) 判别反馈极性；4) 分析计算。返回后一页前一页361.串联电压负反馈+uf+ud 设输入电压 ui 为正，差值电压 ud =ui ufuf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈反馈电压取自输出电压电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈AF+ufuduiuO(b)方框图(a)电路uoRFuiR2R1+RL各电压的实际方向如图371.串联电压负反馈+uf+ud差值电压 ud =ui uf(a)电路uoRFuiR2R1+RL反馈

17、电压反馈系数382.串联电流负反馈+uf+ud设输入电压 ui 为正，差值电压 ud =ui uf各电压的实际方向如图uf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈反馈电压取自输出电流 电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈uf =Rio 特点: 输出电流 io与负载电阻RL无关 同相输入恒流源电路或电压电流变换电路。uouiR2RL+ioR+(a)电路AF+ufuduiiO(b)方框图392.串联电流负反馈+uf+ud反馈系数F=RuouiR2RL+ioR+(a)电路反馈电压uf =Rio 403.并联电压负反馈设输入电压 ui 为正，差值电流 id = i1 if各电流

18、的实际方向如图if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈反馈电流取自输出电压电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较 并联反馈uoRFuiR2R1+RLi1if idAF+ifidiiuO(b)方框图(a)电路413.并联电压负反馈反馈电流uoRFuiR2R1+RLi1if id(a)电路反馈系数424.并联电流负反馈设输入电压 ui 为正，差值电流 id = i1 if各电流的实际方向如图if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈反馈电流取自输出电流电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较 并联反馈(a)电路AF+ifidiiiO(b)方框图RFR1uiR2RL+io

19、RuRi1ifid434.并联电流负反馈反馈电流(a)电路RFR1uiR2RL+ioRuRi1ifid反馈系数444.并联电流负反馈(a)电路RFR1uiR2RL+ioRuRi1ifid特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关 反相输入恒流源电路反馈电流45反馈类型的判别方法： 1. 反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈； 2. 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端(同相和反相)上的，是串联反馈；加在同一个输入端(同相或反相)上的，是并联反馈； 3. 对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈； 4. 对并联反馈

20、，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，是负反馈；否则是正反馈。46例1：试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。uf+解： 因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反馈； 因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以是串联反馈； 因输入信号和反馈信号的极性相同,所以是负反馈。串联电压负反馈 先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；uo1uiR+uo+RLA1A247例2：试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。解： 因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是

21、电流反馈； 因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈; 因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。并联电流负反馈i1ifiduo1uiR+uo+RLA1A2489.2.3 负反馈对放大电路性能的影响反馈放大电路的基本方程反馈系数净输入信号开环放大倍数闭环放大倍数+AF491. 提高放大倍数的稳定性引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。放大倍数下降至1/(1+|AF|)倍, 其稳定性提高1+|AF|倍。若|AF| 1，称为深度负反馈，此时： 在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。50例：|A|=300，|F|=0.01。512. 扩展通频带引入负

22、反馈使电路的通频带宽度增加无负反馈有负反馈f|AO|0.707|Auo|Of2| Afo |f2|Af|, |Af |0.707|Afo|BWBWf负反馈展宽通频带523. 减小非线性失真 负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。加入负反馈无负反馈FufAuiuo大小略小略大接近正弦波uouiA+uid略大略小uf53uiubeib+4. 对输入电阻和输出电阻的影响在同样的 ib下，ui= ube + uf ube，所以 rif 提高。(1) 串联负反馈无负反馈时：有负反馈时：uf+使电路的输入电阻提高54if无负反馈时：有负反馈时：在同样的ube下，ii

23、 = ib + if ib，所以 rif 降低。(2) 并联负反馈使电路的输入电阻降低iiibube+55 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。 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。(3) 电压负反馈使电路的输出电阻降低(4) 电流负反馈使电路的输出电阻提高56四种负反馈对 ri 和 ro 的影响串联电压串联电流并联电压并联电流思考题：为了分别实现： (1) 稳定输出电压； (2) 稳定输出电流； (3) 提高输入电阻； (4) 降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？riro减低增高增高增高增高减低减低减低579.3 运算放大器在

24、信号运算方面的运用 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、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。 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的结构形式，就可以实现不同的运算。589.3.1 比例运算1.反相比例运算(1) 电路组成 以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。(2) 电压放大倍数因虚短, 所以u=u+= 0，称反相输入端“虚地” 反相输入的重要特点因虚断，i+= i = 0

25、， ifi1ii+所以 i1 if 因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 / RFuoRFuiR2R1+59 (5) 电压并联负反馈，输入、输出电阻低， ri = R1。共模输入电压低。 结论： (1) Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加在反相输入端。 (2) Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。 (3) | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。 (4) 因u= u+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”。60例: 电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求: 1. Auf 、R2

26、 ； 2. 若 R1不变, 要求Auf为 10, 则RF 、 R2 应为多少？解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k2. 因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 kuORFuiR2R1+612. 同相比例运算因虚断，所以u+ = ui (1) 电路组成(2) 电压放大倍数因虚短，所以 u = ui ，反相输入端不“虚地” 因要求静态时u+、u对地电阻相同， 所以平衡电阻R2

27、=R1/RFuoRFuiR2R1+u+u62 (5) 电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。 结论： (1) Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加在同相输入端。 (2) Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。 (3) Auf 1 ，不能小于 1 。 (4) u = u+ 0, 反相输入端不存在“虚地”现象。63 当 R1= 且 RF = 0 时，uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。uoRFuiR2R1+ 由运放构成的电压跟 随器输入电阻高、输出 电阻低，其跟随性能比 射极输出器更好。uoui+ 左图是一电压跟随器

28、，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。uo+15kRL15k+15V 7.5k例：64恒压源 由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。UORFR2R1+RL+UZRDZ+UUORFR2R1+RLRDZ+UZ+U反相输入恒压源同相输入恒压源改变 RF 即可调节恒压源的输出电压。65负载电流的大小与负载无关。 例2: 负载浮地的电压-电流的转换电路(1) 能测量较小的电压；(2) 输入电阻高，对被 测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+iLi1RLuiR2R1+669.3.2 加法运算电路 1. 反相加法运算电路因虚短, u= u+= 0 平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1+R2+因虚