电路与模拟9教材

1复习反馈类型的判断1）找出反馈网络将输入、输出联系起来的电路。反馈网络一般由电阻或电阻、电容组成。反馈电路的结构决定了反馈信号是交流、直流或交、直流。2）判断正、负反馈：瞬时极性法假设输入端瞬时极性为“+”（电位升高）；由入至出，再由出至入，依次判断出各点的瞬时极性；若反馈信号使得净输入提高，为正反馈；若反馈信号使得净输入降低，为负反馈；3）判断串、并联反馈看反馈电路与输入端的连接形式若反馈信号与净输入信号串联（反馈信号以电压的形式出现）若反馈信号与净输入信号并联（反馈信号以电流的形式出现）串联反馈并联反馈4）判断电压、电流反馈看反馈电路与输出端的连接形式若反馈信号取自于输出电压，为电压反馈；若反馈信号取自于输出电流，为电流反馈；12反馈支路电压反馈并联反馈电压并联负反馈负反馈29.1集成运算放大器的简单介绍补充：差分放大电路9.2模拟信号的运算电路第9章集成运算放大器及其应用9.3信号处理电路3§9.1集成运算放大器简介将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。集成电路:优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类:模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路

一、集成电路基本知识双极型、单极型49.1.1集成运算放大器的组成、特点以及图形符号输入级中间级输出级偏置电路U＋U－uO差放放大差摸信号抑制共模信号输入电阻大共射放大倍数高互补对称输出电阻小带负载能力强1、集成运算放大器的组成放大倍数很高的直接耦合放大器51.结构特点:对称、双端输入，双端输出uo

=uo1-uo2差分放大电路uoui1+UCCRCRB2T1RB1RCRB2T2RB1ui2uo1uo2一、差分放大电路的工作原理补充1：62.抑制零漂的原理:uo=uC1-uC2

=0uo=(uC1+

uC1

)-(uC2+

uC2)=0当ui1

=

ui2

=0

时：当温度变化时：uoui1+UCCRCRB2T1RB1RCRB2T2RB1ui2uo1uo27ui1=-ui2=uidui1

=ui2=uiC1差模输入:(differentialmode)共模输入:2(commonmode)到底希望共模还是差模输入？原则：放大倍数要高，还能抑制零漂！8差模电压放大倍数:共模电压放大倍数:共模抑制比:（Common-ModeRejectionRatio)odduiduA=occuicuA==KCMRR==2）主要性能指标大！0！

！两边完全对称差分放大电路放大差模信号，抑制共模信号。注意！零漂是一种共模信号，差分放大电路能很好地抑制零漂9共发射极放大电路RB+UCCRCC1C21、放大器正常工作时，需设置合适的静态工作点，目的是避免非线性失真；2、放大器正常工作时，所有的电压、电流均为直流+交流；补充2：102、无输出电容的互补对称功放电路（OCL电路）工作原理（设ui为正弦波）ic1ic2静态时：ui=0V,T1、T2均截止uo

=0v。动态时：ui

0vui

>

0vT1导通T2截止iL=Ic1;ui-UCCT1T2uo+UCCRLiLiL=Ic2

。T1截止T2导通（2）（1）特点：双电源供电；没有电容，便于集成。正电源供电负电源供电交越失真11输入级中间级输出级偏置电路U＋U－uO差放放大差摸信号抑制共模信号输入电阻大共射放大倍数高互补对称输出电阻小带负载能力强1、集成运算放大器的组成放大倍数很高的直接耦合放大器复习12集成电路内部结构的特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3、几十PF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。IC5、不能集成电感元件13输入级中间级输出级-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端基本原理框图T3T4T5T1T2RE14

u＋

u－反相端同相端uo与uo反相与uo同相T3T4T5T1T2RE15反相端同相端要求：输入级尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,，

差模放大倍数高,输入电阻尽可能大。T3T4T5T1T2RE+UCC-UEEuou+u-16中间级足够大的电压放大倍数反相端同相端输入级T3T4T5T1T2RE+UCC-UEEuou-u+17输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电压和电流

，输出电阻小。输入级T3T4T5T1T2RE+UCC-UEEuo中间级反相端同相端u-u+18偏置电路为集成运放的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，一般采用各种恒流源电路提供合适的集电极（或发射极）静态工作电流。191、集成运放的外形圆壳式12876345双列直插式12345678空脚+UCC-UEE输出u-u+接调零电位器接调零电位器CF741CF74120＋－u－u+uo2、集成运放的符号

u－

u+

uo－＋＋

u－

：反相输入端；u+

：同相输入端；uo

：输出端。uo

=Au0（u+-u－）Au0：开环电压放大倍数很大:104~107213、运放线性应用的条件与特点（1）运放的传输特性uo=f(ui)0ui(mV)uo(V)++-ui1ui2uoΔA+U-U在图示运放电路中，有uo=Aod(ui2-ui1)=Aoduid

设运放Aod=104，则其传输特性如图所示-0.10.1-1010线性区非线性区非线性区结论：运放在开环状态下线性区很窄，即开环运放只能工作在非线性区。理想运放则无线性区如何使运放工作在线性区呢？

降低电压放大倍数如何降低电压放大倍数呢？

引入负反馈结论：运放工作在线性区的条件是在电路中加入一定深度的负反馈。22集成运放等效电路－＋＋－4、集成运算放大器线性区的等效模型集成运算放大器的放大倍数Aod很高（〉104）239.1.3运算放大器的电路分析方法1、理想运放：rid

KCMRR

ro

0Au

2、运放的传输特性

uo=f（ui）uoui

=u+-u-+UO（sat）

-UO（sat）理想运放有无线性区？243、理想运放线性应用时的两个重要结论因为：rid=

u－

u+

uo－＋＋

i－i+1）i－=

i+=0因为：u+-u-=

uo

/Au02）u+=u-uo

为有限值，

Au0

为虚断、虚短、虚地是集成运放的“灵魂”。259.1.4常用的集成运放及其主要参数1、发展概况262、运放的主要参数一般略低于正、负电源电压。1）最大输出电压Uopp

：能使输入输出保持不失真关系的最大输出电压2）开环电压放大倍数Au0

：越大越好。一般为104~107无外接反馈时的差模电压放大倍数3）输入失调电压UIO

：uo=0时，在输入端加的补偿电压反映了电路的不对称性，越小越好。一般为几毫伏。4）输入失调电流IIO

：输入为0时，两个输入端静态基极电流之差反映了电路的不对称性，越小越好。一般为零点几毫安。275）差模输入电阻rid

：差模输入时，从运放两输入端看进去的等效电阻越大越好。一般为几十千欧~几十兆欧。6）共模抑制比KCMRR

：对共模信号的抑制能力。越大越好。一般为103~107

。运放能抑制共模信号的范围。7）最大共模输入电压uiCM

：运放正常工作时，允许输入差模电压的范围。8）最大差模输入电压uidM

：28§9.2集成运算放大器在信号运算方面的应用理想运放_+

+

u+u-u0引入深度负反馈，使运放工作于线性状态。运放的线性应用:理想运放线性应用时的两个重要结论：1）i－=

i+=02）u+=u-思考为什么？Auo

rid

299.2.1比例运算电路1、反相比例运算电路_+

+

RfR1R2uiuoi1=if∴∵i+=i-=0fuo=-Rf

/

R1·uifii1ifi-i+u+u-电压并联负反馈30_+

+

RfR1R2uiuo

uo

与

ui

为比例关系

uo

与

ui

反相位若Rf=R1，则为反相器uo=-

ui

电压并联负反馈

R2：

平衡电阻电位为0，虚地。uo=-Rf

/

R1·ui312、同相比例运算放大器uiuo_+

+

RfR1R2u-=u+=uii1ifi-i+u+u-i+=i-=0i1=if==（ui-uo

）/

Rf-ui/

R1f32没有虚地概念。uiuo_+

+

RfR1R2f

uo

与

ui

为比例关系

uo

与

ui

同相位

R2：

平衡电阻集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应选用高共模抑制比的集成运放。Af总是大于或等于1，不会小于1。33u-=u+=R3/（

R2+R3）

·ui_+

+

RfR1R2uiuoR3i1ifi-i+u+u-i+=i-=0f·R3/(

R2+R3)uifu+349.2.2加法、减法运算电路：_+

+

RfR11R12ui2uoR2ui1i11i12if叠加ffR2：

平衡电阻1、反相加法运算电路：352、同相加法运算电路：i+=i-=0ffu+_+

+

RfR1ui2uoui1R21R22i11i21ifi-i+u+u-36ui1ui2Rf－＋＋

R1R2uo分析方法：叠加原理功能：可做减法器、差动放大器结构特点：同相端、反相端均有输入信号3.差动运算电路37叠加原理3.差动运算电路ui1ui2Rf－＋＋

R1R2uoui1Rf－＋＋

R1R2uo´

uoRf－＋＋

R1R2ui2uo=uo´

uo+38uo=uo´

uo+R3Rf－＋＋

R1R2uoui1ui2ui1Rf－＋＋

R1R2uo´R3

uoRf－＋＋

R1R2R3ui239则：若：R1=

R2R3=

Rf若：R2=

R3=

R1=

Rf则：减法器R3Rf－＋＋

R1R2uoui1ui240电路如图示。求uo的波形。_+

+

100k100k50kui2uo25kui1tui1tui2tuo1v-1v-0.5v解：)uRRuRR(u2i12f1i11f0+-==-（100/100·ui1+100/50·ui2）=-ui1－2ui2例11v41∞∞ui1uouo2uo15K5K∞ui210K5K5K4V-1V运放输出电压的饱和值为+10V。求uo1、

uo2、

uouo1=4Vuo2=-10/5·（-1）=2V因为uo2

小于

uo1，即u+

小于

u-

，所以

uo=-10V跟随器反相比例比较器例2421、积分运算电路：i1iFu

i-++R1R2CFuo=F11F反相积分R1CF为积分常数9.2.3积分、微分运算电路：43保持如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0U-UomTM积分时限f1f1f1uo=-R1CfU·t线性函数积分44tui0tuo0图示电路中，已知输入方波，输出是三角波。i1ui-++R1R2Cfuoif例3当ui一定时，充放电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。452、比例积分电路（PI）i1iFu

i-++R1R2RFuoCF=iF=dtduCc-F11F-u

i

RFR1uo

=

-（uc+iFRF）46i1iFu

i-++R1R2RFuoCF若

u

i=U则uo=R1CfU·t--u

i

RFR1tuouit0U-Uom-u

i

RFR1比例积分保持473、微分运算电路：u-=u+=0ui－++uoRFR2i1iFC1dtduRCuio-=1FF1思考如果输入是正弦波，输出波形怎样？请自己计算。运放实验中请自己验证。48例3图示电路中，已知输入正弦波，求输出波形ui－++uoRfR2i1ifC1tui0tuo049在下面电路中，电源电压为+15V，输入信号ui1=1.1V，ui2=1V。试问接入输入电压后，输出电压uo

由0上升到11V所需时间。差动运算比例积分解：uo1=-20/10·1.1+（1+20/10）·20/（10+20）·1=-2.2+2=-0.2Vuo=-100/20·（-0.2）-20·103·10-6-0.2·t=1+10tuo=11v，t=1s∞ui1uoui2uo11μ20K20K∞10K20K10K100K例4504、比例微分运算电路：（PD）u-=u+=0F1ui－++uoRFR2i1iFC1iRR1iR=ui

/R1iF=i1+iR1F-RFR1ui51集成运放的线性应用线性应用的条件：电路中引入深度负反馈分析的依据：1）i－=

i+=0“虚断”2）u+=u-“虚短”集成运放组成的运算电路1、比例运算电路1）反相比例运算电路2）同相比例运算放大器3）电压跟随器4）差动放大电路522、反相加法运算电路3、积分运算电路比例积分电路（PI）4、微分运算电路比例微分运算电路（PD）53_+

+

RfR1R2uiuouiuo_+

+

RfR1R2_+

+

R1R2uiuoR3uo_+

+

ui反相比例同相比例同相比例电压跟随fi54_+

+

RfR1R2ui2uoR3ui1_+

+

RfR11R12ui2uoR2ui1i1iFu

i-++R1R2CFuoi1iFu

i-++R1R2RFuoCF差动放大反相加法积分比例积分若：R1=

R2R3=

Rffff55ui－++uoRFR2i1iFC1ui－++uoRFR2i1iFC1iRR1微分比例微分56非线性应用：++Auoui

=u+-u-运放工作在非线性区。uo+UO（sat）

-UO（sat）ui

=u+-u-u+>u－，uo

=+UO（sat）

u+<u－，uo

=-UO（sat）

i+=i-=09.3信号处理电路57运放的非线性应用运放开环应用运放加有正反馈由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放的状态，主要由有无负反馈决定。58处于非线性状态运放的特点1、虚短路不成立。2、输入电阻仍可以认为很大。3、输出电阻仍可以认为是0。u+与u-的数值由外电路决定。i+=i-=0599.3.1电压比较器uiUR++uo运放：开环状态ui：输入的模拟信号UR：基准电压u+=ui，u-=URui

>uR

，uo

=+UO（sat）

ui<uR

，uo

=-UO（sat）

传输特性uoui0-Uo(sat)URUo(sat)1、基本电压比较器60若基准电压是负值;UR<0uiUR++uoURuoui0+Uom-UomUR为负，在反相端若基准电压加在同相输入端;UR>0URui++uououi0+Uom-UomURUR为正，在同相端61若基准电压加在同相输入端，UR<0URui++uoURuoui0+Uom-UomUR为负，在同相端2、过零比较器++uoui基准电压为零传输特性uoui0Uo(sat)-Uo(sat)62++uouituituo+Uom-Uom利用电压比较器将正弦波变为方波。例：63++uiuo

UZuoui0+UZ-UZ3、具有限幅电路的比较器？若要求比较器的输出电压稳定在一定数值上时用稳压管限幅！双向稳压管64？若限幅稳压管是普通稳压管传输特性是怎样的？++uiuououi0+UZ-0.6V+UZuoui0-UZ0.6V65线性应用时也可以限幅tuiuotUZ-UZ-+AuoR1RFuiDZR+uo1传输特性?uoui0+UZ-UZ66

4、滞回比较器分析：1、因为有正反馈，所以输出饱和。2、当uo正饱和时：3、当uo负饱和时：基准电压由原来的输出决定－++uoRR2R1uiUR67传输特性U+HU+LU+H-U+L称为回差小于回差的干扰不会引起跳转下门限上门限uoui0Uom-Uom－++uoRR2R1uiUR68tuiU+HU+LtuoUom-Uom输入正弦波的情况－++uoRR2R1uiUR当然输出端也可以加稳压管限幅。69结论：(1)在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。(2)一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。(3)电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令uP=uN

所求出的uI就是阈值电压；uI等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。709.3.2采样保持电路uo

ui－＋＋

R2ucS控制信号运放：电压跟随器功能：将变化较快的模拟信号变为阶梯信号。工作原理：uo=u+=

uct0uo

、

uiui控制信号采样保持采样采样采样保持保持保持uo控制信号=1，S闭，uc=ui

uo=ui

控制信号=0，S开，uc

保持，uo

保持

71－++R1R2uoDZR3RucC滞回比较器（起开关作用）RC电路（起反馈延迟作用）10.2矩形波方波发生器72电路结构：一、方波发生器上下门限R、C构成充、放电回路。RucC充放－++R1R2uoDZR3滞回比较器：+Uom=+Uz，-Uom=-Uz无输入信号，接通电源后就有方波输出。U-=Uc73工作原理：(a)设uo=+UZ此时，输出给C充电!U+Huc0t则：u+=U+HRucC－++R1R2uoDZR3+UZ74一旦

uc>U+H

,

就有

u->u+

uo

立即由＋Uz

变成－Uz!U+Huc0t0tuoUz-Uz在uc<U+H

时，u-<u+,

uo

保持+

Uz

不变；75C经输出端放电，U+HuctU+L(b)当uo=-Uz

时，u+=U+Luc达到U+L时，uo上翻。RucC－++R1R2uoDZR3-UZ76当uo

重新回到＋UZ

以后，电路又进入另一个周期性的变化：U+Huc0tU+LUomuo0t-Uom77周期与频率的计算：TU+Huc0tU+LUZuo0t-UZRucC－++R1R2uoDZR378思考题：点b是电位器RW的中点，点a和点c是b的上方和下方的某点。试定性画出电位器可动端分别处于a、b、c三点时的uo

～uc

相对应的波形图。－++RWR1R2C+ucuo-D1D2abc利用二极管的单向导电性引导电容充放电电流流经不同的通路，即可使电容充放电的时间常数不同。因此，该电路中改变电位器的滑动端可以改变方波的占空比，但不能改变周期。791.三角波发生器电压比较器积分电路_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R3R610.3三角波、锯齿波发生器80u+=R1+

R2R1·uo1+R1+

R2R2·uou-=0uo1=+UZuo

=-(+UZ)t

RC1_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R3R6u+81u+>0u+<0uo1=+UZuo1=-UZuo

=-(UZ)t

RC1uo

=+(UZ)t

RC1_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R3R682u+=R1+

R2R1·uo1+R1+

R2R2·uou+=0uo1=+UZ时uo1=-UZ时R1R2uo

=+UZuo

=-UZR1R2_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R3R6830uo1t＋UZ－UZ0uot+UZR1R2-UZR1R2设t=0时，给电路加电uo1=+UZC开始充电uo

线性下降uo

=-UZR1R2uo1=-UZC放电uo

线性上升uo

=UZR1R2uo1=+UZ84周期和频率的计算：tuoT+UZR1R2-UZR1R2请同学们课后自己推导85改型电路调整电位器RW可以使三角波上下移动－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1+E-ERW86改进电路tuoT1T2RT2R´T1－++R2R1-++R´R2CuoR872、锯齿波发生器uotuo1t-++R´R2CuoR－++R2R1uo188补充：集成运算放大器使用时的注意事项1.选择：2.消振和调零需要时外接消振和调零电路3.保护1）电源保护－＋＋

+UCC-UCC2）输入端保护－＋＋

3）输出端保护－＋＋

根据用途选择合适的型号89小结1、、理想运放rid

KCMMRR

ro

0Au

2、运放的传输特性

uo=f（ui）3、理想运放线性应用时的两个重要结论2）u+=u-1）i－=

i+=0能根据两个重要结论推导输入与输出的关系式一、运放的概念二、运算放大器的线性应用1、反相比例运算电路2、同相比例运算放大器1）没有R32）有R33）跟随器

3、差动放大电路1）没有R32）有R34、反相加法运算电路：906、比例积分电路（PI）5、积分运算电路：7、微分运算电路：熟练掌握：电路、输出与输入关系式、输出波形91二、运算放大器的线性应用1、反相比例运算电路_+

+

RfR1R2uiuouo=-Rf

/

R1·ui922、同相比例运算放大器uoui_+

+

RfR1R2ff93ui_+

+

RfR1R2R3uouo=（1+）·uiRfR1R3R2+R3uo_+

+

uiouiu=电压跟随器同相比例的另两中形式uo_+

+

uiuo_+

+

ui943、差动放大电路ui1ui2Rf－＋＋

R1R2uouo=（1+）·ui2Rf