电工学简明教程

第

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章运算放大器11.1运算放大器简单介绍11.3运算放大器在信号方面的应用11.2放大电路中的负反馈11.4运算放大器在信号处理方面的应用11.5运算放大器在波形产生方面的应用11.6集成功率放大器11.7使用运算放大器应注意的几个问题第

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章运算放大器

分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。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

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。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用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。第

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章运算放大器本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。输出端

11.1.1集成运放的组成输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成11.1运算放大器简单介绍偏置电路输入级中间级输出级输入端运算放大器的符号反相输入端uo+–+u–u+同相输入端信号传输方向输出端+–+Auo理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数

11.1.2主要参数1.最大输出电压UOPP2.开环电压Auo3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB6.共模输入电压范围UICM理想的运算放大器。理想化的主要条件：1.开环电压放大倍数

2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，11.1.2理想运算放大器及其分析依据在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。实际运放电压传输特性

11.1.2理想运算放大器及其分析依据表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为传输特性。uoOUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区

负饱和区

若Auo=106±UO(sat)=±15V则±UIM=±0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈。uou++–+u–理想运放电压传输特性

11.1.2理想运算放大器及其分析依据uooUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区

负饱和区

因为理想运放开环电压放大倍数

所以，当时，uo发生跃变uou++–+u–

11.1.2理想运算放大器及其分析依据运放工作在线性区的依据

相当于两输入端之间短路，但又未真正短路，故称“虚短路”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”。2.id

01.u+u–，而uo是有限值，运放开环输入电阻id由于运放故从式，可知uou++–+u–rid

11.1.2理想运算放大器及其分析依据uo+–+u–u+运放工作在非线性区的依据2.id

01.u+u–由于运放工作在非线性区rididuoOUO(sat)–UO(sat)不再成立非线性区

非线性区

所以当时，Uo发生跃变依然成立返回

凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经某种电路(反馈网络)引回到输入端，称为反馈。11.2放大电路中的负反馈11.2.1反馈的基本概念如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。如果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。A无负反馈放大电路方框图基本例放大抢电路反馈议电路11板.2痒.1卫反馈火的基矮本概网念F+–A带有笑负反嘉馈放颤大电路召的方项框图比较罚环节—输入册信号—净输而入信嫂号—反馈病信号—输出困信号净输洞入信并号若三宏者同科相，可见，电泄路为冒负反滤馈。则11岛.2换.2尝负反女馈的破类型根据悠反馈啦电路戚与基纤本放夺大电文路在才输入概、输明出端的爸连接赶方式棉不同疗，负脏反馈挣有以缸下四陕种类悼型。负反扑馈的族类型景有：AF+–反馈菠量取纽奉自输剑出电西压为者电压智反馈家，取自诵输出尾电流黄为电潜流反饿馈；反馈夕量以酒电流趟的形斑式出元现，引与输闲入信科号进办行比壶较为泡并联齿反馈投；在输盘入端反馈闸量以乳电压鸡的形呀式出汽现，穿与输籍入信爬号进熊行比财较为奋串联知反馈诱。电压心串联砍负反脏馈；电压材并联装负反勿馈；电流副串联陷负反互馈；电流纳并联排负反席馈。在输微出端11规.2摇.2嫩负反桑馈的扔类型ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–设某达一瞬雹时ui为正课，则轨此时uo也为篮正，棉同时妹反馈芒电压uf也为王正。净输喂入信洁号小于穿输入严信号坐，即uf的存姻在使木净输入翠信号俱减小，所以虑为负反馈晴。反馈妈电压取自僚输出搞电压而，并诵与之胃成正欢比，故为拳电压僚反馈朴。uf与ui在输塔入端劣以电饲压形冲式作颂比较停，两朋者串眯联，弯故为逗串联反馈合。判别茶图示巡寿电路草的反爷馈类观型1.茫串联需电压兔负反蜂馈首先激用电鼠位的甘瞬时裁极性迹判别反馈书的正坡、负汇。1.肾串联防电压心负反蠢馈ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–AF+–ufuduiuo串联逗电压搜负反泻馈方钩框图uoR1R2RF+–ui+–+–+RLiiidif-设某允一瞬毁时ui为正徐，则祸此时uo为负啊，各赤电流袄实际妙方向陆如图睡示。净输粮入电晕流小于暑输入砖电流端，即if的存啄在使净输壤入电缺流减榜小，所以堵为负反馈费。反馈数电流取自流输出昼电压屿，并货与之成正捧比，芳故为醒电压圣反馈疤。if与ii在输络入端掀以电愚流形院式作坊比较层，两窗者并北联，谦故为楚并联反馈勾。判别烟图示闸电路鲜的反写馈类擦型2.抗并联筐电压粗负反趋馈首先异用电巾位的言瞬时榨极性奴判别反馈叠的正脑、负夹。2.盯并联蚕电压枕负反沫馈AF+–uiuoifidiiuoR1R2RF+–ui+–+–+RLidifii-并联鬼电压恶负反拣馈方减框图为负季反馈软；uf与ui在输碑入端串以电午压形躲式作反馈蒜电压与输柿出电贯流成罚比，清故为破电流毕反馈挡；判别嘴图示革电路院的反震馈类首型3.灶串认联电旋流负诱反馈AF+–ufuduiio串联长电流汗负反摔馈方串框图比较止，两假者串丽联，滔故为锈串联笔反馈饺。R2uoR+–+–+RLud+–uf+–ioui+–图中判别桥图示辟电路逼的反娇馈类拾型4.造并穴联电谊流负钩反馈并联倒电流裁负反钞馈方工框图AF+–uiioidiiififRFiRuRRui+–+–+RLioR1iiidR2-如何昌判别用电路境中反详馈类钉型小仍结(1)反馈捎电路框直接钓从输猛出端帮引出阿的，副是电神压反卖馈；从负绪载电膀阻靠蒸近“贿地”科端引晴出的钟，是拖电流醋反馈歇；(2)输入满信号个和反冶馈信汤号分评别加林在两达个输爱入端偏，是灿串联亮反馈葱；加痛在同沉一输语入端宝的是臂并联感反馈羽；(3)反馈偿信号晒使净夜输入核信号框减小约的，称是负牲反馈值。(也隔可将贫输出喇端短杆路，今若反仔馈量妄为零崭，则毕为电惜压反四馈；捡若反桂馈量挨不为镇零，盖则为示电流驾反馈风。)[例1]判别逮图示矿电路程从A2输出敌端引孩入A1输入结端的萄反馈肯类型仗。uoui+–+–+uo1ud+–+–+RLRuf+–A1A2[解毒]反馈脏电路抗从A2的输队出端咐引出直，故用为电宽压反软馈；反馈华电压uf和ui输入血电压圈分别塑加在番的同骆相和匹反相右两个怨输入端孝，故序为串划联反集馈；设为ui正，露则uo1为负桨，uo为正恰。反馈伍电压uf使净右输入歉电压ud=ui–uf减小缩慧，故阻为负吸反馈骑；串联谜电压倡负反近馈。uoui+–+Ruo1ii+–+RL-A1A2idifa[例2]判别马图示最电路兼从A2输出士端引响入A1输入遥端的驴反馈桌类型浇。[解馒]反馈余电路席从RL靠近伐“地油”端辜引出潮，为眉电流溪反馈代；反馈称电流if和ii输入星电流券加在A1的接同一挨个输拐入端岛，故巧为并继联反与馈；设为ui正，头则uo1为正费，uo为负着。反粮馈电芬流实溉际方结向如引图所顺示，净输叙入电轻流id=ii–if减小碎，故南为负第反馈拌；并联故电流蓄负反抹馈。1.提乏高放拴大电扰路的栗稳定墨性11争.2忘.3负反殿馈对布放大讯电路及工作烟的影脚响AF+–开环袭放大叛倍数反馈轿系数引入补负反气馈后渐净输售入信芦号引入功负反翠馈后异闭环奏放大察倍数对上曾式求匪导可见丧，引除入负场反馈测后，包放大唤倍数喉降低希了，而放板大倍姻数的姻稳定返性却未提高语了。uf负反守馈改善腰了波旧形失毛真2.改抛善非饥线性皂失真加入负反事馈无负雅反馈FufAuuiuo+–uduo大小略大略小略小略大uiAu接近夕正弦研波3.对使放大请电路确输入河电阻蚁和输兆出电袋阻的挥影响四种书负反昏馈对ri和ro的影衬响riro减低增高增高增高增高减低减低减低串联电压串联电流并联电压并联电流思考踪蝶题：鞠为了习分别岛实现孕：(a)稳定这输出爸电压邮；(b)稳定惜输出谷电流满；(c)提高阶输入即电阻虽；(d)降低老输出航电阻拍。应引用入哪烘种类齐型的腊负反炭馈？返回1.反油相输哗入11斑.3承.1比例谊运算11矛.3运算刻放大蓝器在信石号运箩算方吩面的鹅应用由运藏放工困作在殊线性步区的斧依据可列出出由此征得出闭环潜电压放大歌倍数平衡逐电阻若则ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+2.同怀相输因入11某.3节.1比例缓运算由运食放工片作在凤线性马区的柴依据可列回出由此词得出闭环存电压放大府倍数若则或ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+11葛.3近.2加法毛运算由图倚可列攀出由上计列各处式可穿得当时，养则上秋式为平衡戏电阻uoifR12R2RFii2ui2+–R11ii1ui1+–+11替.3昏.3减法许运算如果丛两个乌输入吗端都赴有信量号因为，故疏上列庄两式重可得由图搬可列撒出输入角，则碧为差剂分输隐入。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+11续.3淋.3减法衬运算当时，平衡非电阻和则上押式为当时，奋则得可见犯，输橡出电当压与肿两个拖输入津电压旦的差贷值成缠正比叔，故可吨进行束减法基运算严。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+[例3]漫图中浇，其中是共该模分遮量，是差支模分辅量。如果，试申问RF多大凡时输艺出电瞧压不勒含共ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+模分倦量？[解名]欲使uo不含渐共模瘦分量uic巡寿2，必靠须满引足下肆列条努件:[解姐]因经整歉理后咐得。此麦时输末出电料压例如则11歼.3可.4积分乔运算用电蓝容代喇替反跨相比颤例运召算电沟路中同的RF，就灰成为康积分芳运算直电路垂。ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+ifuC+–CF由于眨反相版输入慈，故上式过表明记输出铃电压功正比帽于输垄入电缸压的测积分扣，式独中的负号禁表示孝两者湖反相零。R1CF称为虾积分帽时间液常数杏。11惰.3咬.4积分司运算uoR1R2CFui+–+–uC+–+–+ifii当ui为阶事跃电苦压时扰，则uo随时叙间线冻性增论长，uoOtuiOt最后年达到各负饱咬和值版。11考.3臭.5微分阻运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+–+ifii微分米运算惜是积护分的矛逆运最算，勺将积由图说可列遭出故即输榆出电寸压与榜输入部电压动对时倒间的陆一次抬微分卷成正事比。分电糖路反吨相输延入端胆的电吵阻与订反馈巨电容位置蚀对调坐，就而成为概微分徒电路陈。11家.3典.5微分亦运算uoRFR2C1ui+–+–uC+–+–+ifiiUituoOtuiO注意雕：由只于此播电路垦工作括时稳愉定性扫不高片，故实悠际中链很少诞应用倚。当ui为阶产跃电路压时uo为尖窃脉冲眨电压膝。返回11渠.4电.1有源潜滤波理器11虾.4运算债放大棒器在信春号处盾理方磨面的破应用所谓是滤波堂器就推是一屠种选吧频电印路。漫它能棋选出监有用栽的信限号，士而抑塔制无犁用的貌信号话。由电锋阻、决电容担、电柄感等丽元件详组成吴的滤籍波电及路称坝为无樱源滤翁波器弄。而桨由R、L、C及运水放构替成的降滤波蓄器，纵由于棕运放条工作柳时要书外加单电源览，所樱以称义为有谦源滤薪波器寒。有源粒滤波拢器相蜻对于谅无源颈滤波炮器，鹅具有撒体积胞小、猛重量蚊轻、寻具有悟良好捷的选蹦择性俯，还赶可使寻所处血理的均信号吩不衰纽奉减甚欲至还狠能放烛大。份其缺芳点是安放大厘器工犹作时授要提销供电胳源、泽在大虹信号领工作壳时，池运放障可能值会产屠生失归真等病。1.有源击低通毁滤波煌器11衣.4匆.1有源再滤波翅器11机.4运算良放大谁器在俯信号爷处理康方面成的应仆用uoRFR1Cui+–+–uC+–+–+R设图要中ui为某汪一频煎率的游正弦翼量由RC电路给得出由同痰相比谨例运椅算关哄系得民出1.有贼源低匀通滤吩波器故称为织截止刘角频盈率式中若为变畏量，可则该田电路匙的传暖递函杠数其模竟为幅角执为1.有源香低通未滤波轿器低通杰滤波膊器具绩有使低频翻信号隶易通壤过，恶而抑制高桥频信泊号的融作用课。时，时，时，O0频率冈特性2.有萍源高堡通滤盗波器RFR1Cui+–+–+–+Ruo由RC电路特得出由同亡相比痰例运爸算关蒙系得虫出故称为耗截止成角频腰率式中2.有域源高装通滤说波器其模受为幅角私为若为变双量，视则该耍电路斗的传锯递函顺数时，时，时，高通战滤波暴器具驼有使庙高频信防号易闻通过球，而章抑制鄙低频信差号的倦作用诱。频率举特性O0电压摆比较暑器的依功能拾是将志输入骗的模趁拟信冠号与芝一个参考寻电压熄进行厚比较伴，当却两者多相等系时产饼生跃盟变，处由此判别艘输入蚀信号浮的大文小和店极性捡。电压蔽比较阿器用胳于自满动控督制、辟波形炼变换站、模合数转证换及反越限车报警集等。11课.4旦.2电压域比较乳器集成念运放扎构成绪电压蛙比较金器时衫，多龟处于墓开环侦或正反馈梁的工遍作状却态，仰即工静作在抓非线耗性区梦。将运爷放任熊一输愚入端酸加上厦输入事信号兴，而保另一既输入闻端加女入参帆考电皱压，旁即可街构成栋电压丝式比较择器，狗如图扮所示茶。电压吸传输特佩性11乡丰.4街.2电压优比较羽器Ui为输亡入电器压，UR为参搞考电游压当ui>轨UR时，uo=答–泊Uo(皱sa敌t)uiUR时，uo=赔+Uo(菜sa仿t)ui=UR时，uo发生肺跃变uoOUO(啊sa各t)–UO(换sa基t)uoR1R2ui+–+–UR+–+–+uR+当UR=歇0摘时，泉即输总入电负压和菠零电巡寿平比恐较，渐称为过零镇比较怪器。电压箩传输特并性11羞.4甘.2电压兽比较睛器uoOUO(驼sa净t)–UO(穗sa脊t)uo若图垂中ui为正雄弦波脏，画诉出uo的波捉形。OtR1R2ui–+–UR–+–++uoOtUO(sat)–UO(sat)在输继出端按与地订之间逃接一客个双祥向稳顿压管竟，即湾可把旁输出节电压哭限制百在某腔一特辣定值极，以京和接猛在数坏字电策路的魔电平练匹配惰。电压吩传输铁特性11乖.4莲.2电压枣比较甲器UO(壮sa诉t)–UO(锁sa及t)UZ–UZuoRR1R2+–+DZui+–+–uoO限幅涝电压赛比较惠器[例1]图中拢所示殊为运误放组星成的米过温降保护闪电路挨，R是热远敏电政阻，姜温度惊升高之阻值沿变小墨。K膝A武是继躁电器巩，温觉度升伞高，叛超过拨规定丹值，以KA联动余作，阁自动饿切断便电源测。分胞析其搞工作灿原理章。温度夏超晶过劣规定搭值，ui>粘UR，uo=危+UOM孕，T导通扇。挑KA霞动福作，切断昼电源茎。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo温度盟未超杠过规夹定值喜，Ui<叙UR，uo=确–UOM竖，T截止矿。幸KA祸不歇动作没。电压耐传输特梯性uoOUO(前sa眉t)–UO(版sa纲t)[例2]电路踪蝶如图悬所示遵，ui是一商正弦沃电压广，画言出uo的波袄形。OtUO(瞎sa私t)–UO(皆sa帐t)R1R2uiuo+–+CDRLR[解般]运放屑为同蜡相输杀入过妥零电秧压比堤较器uoOtOtOt–UO(而sa肌t)UO(绿sa匪t)各电樱压波撞形如绵右图座所示煤。返回1.自耗激振爸荡的升条件11咬.5环.1RC正弦睡波振扎荡电叫路11退.5运算砌放大娱器在座波形滋产生惑方面嗓的应窜用电路截中无畅外加温输入红电压烤，而醋在输净出端训有一冷定频醉率和阴幅度的信财号输血出，穷称这船种现响象为樱电路预的自尽激振炎荡。S当刑S狭合于宗1抢时铜，开环罗电压串放大蔽倍数则输破出电脱压保始持不仰变。反馈薪系数又所以勇自激旗振荡求的条蚊件是谈：Auduiuo12Fuf若当送S气合于镰2秆时钓，11鞭.5自.1RC正弦搂波振贪荡电怠路(1)相位扫条件盒：反馈太电压与输扔入电棒压同相乘,愤为正捷反馈涛；即(2)幅度漂条件灵：即自激课振荡微的条抱件：反馈淋电压镇与输午入电狗压的族大小枕相等唐；幅度特性Uom=f(Ufm)反馈特性Ufm=FUomUimUom轻1Ufm孟1Uom恩2A自激喉振荡鹿的建招立过设程2振荡肠的建只立和强稳定振荡壳建立趁时应础满足社：即SAuduiuo12FufUfmUomO微小狸的扰蒸动起橡始信厌号不断惊通过嘱放大甲反馈肝柿再放大戒再反彼馈，悉使Uom不断准增大看，一碌直到订达交惩点木A剂时，蚂稳定间下来戴。振荡迁稳定不能仙振荡(2)选频仙电路同相比例运算电路选频栗电路其电焰压放思大倍灶数为(1)放大斥电路由集乌成运铲放构涝成的同相询比例坐运算掠电路涌。由RC串并石联电拆路组成，感它也渠是正岩反馈谷电路葬。uo+–+–+RFR1u+3RC正弦咽波振露荡电女路ui+–CRRCuo+–+–+RFR1u+3RC正弦度波振蜓荡电继路ui+–CRRC若要与同相，上式分母的虚部应为零这时同相钩比例侦运算规的电用压放估大倍蓝数为可见则，当时，即uo+–+–+RFR1u+3RC正弦己波振场荡电久路ui+–CRRC在特抢定频坟率ui和uo同相朽，即RC串并姐联电响路具普有正反挑馈和粪选频萌作用困，ui和uo为正役弦波雀。时，，则电路多将等湖幅振虫荡；若，则电路落将不缘瑞能幅贩振荡速；若，则电路夫起振胁后，域振幅牵越来尿至饱圈和；