《电工电子技术》课件-模块六 负反馈与集成运放

知识点1.放大电路中反馈及类型的认识；2.放大电路中负反馈的作用；3.集成运算放大器的认识；4.集成运算放大器的典型应用。1.会分析集成运放常见应用电路；2.学会用集成运算放大器设计、装配、调试简单电路。

目标1.理解反馈的概念，能判断反馈种类；2.了解差分放大电路结构及用法；3.理解集成运算放大器结构、参数、特点知识目标：能力目标：案例引入这是一款由电子电路控制的智能循迹小车。在白色的场地上有一条约15毫米宽的黑色跑道，不管跑道如何弯曲，循迹小车都能沿着黑色跑道自动行驶，真是很神奇！怎么实现的呢？负反馈放大电路1差分放大电路2集成运算放大器基础知识3集成运算放大器的基本应用4主要内容凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部，通过某些元件或网络，反向送回到到输入端，并对原输入信号产生影响的过程，就称为反馈。6.1.1反馈的概念6.1负反馈放大电路从一个例子说起——分压式偏置放大电路TUBEICICUEIBUB一定将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。反馈可以从不同的角度进行分类：①按反馈的极性可分为正反馈和负反馈；②按反馈信号的成分又可分为直流反馈和交流反馈；③按反馈信号与输出信号的关系可分为电压反馈和电流反馈；④按反馈信号与输入信号的关系可分为串联反馈和并联反馈。

1.反馈的分类2.反馈放大电路中的关系式基本放大电路A反馈网络F迭加开环放大倍数+–

反馈：AF称为闭环放大倍数AF=Xo/Xi输出信号输入信号反馈信号净输入信号反馈系数闭环放大倍数：放大：反馈：迭加：AF=Xo/Xi=Xo/(Xd+Xf)=Xo/(+XoF)XoA11A+F==A1+AF一般负反馈称为反馈深度深度负反馈正反馈自激振荡6.1.2反馈类型的判断1.交直流反馈①直流反馈——电路将直流量反馈到输入回路在直流通路中存在的反馈②交流反馈——电路将交流量反馈到输入回路。在交流通路中存在的反馈直流反馈交流反馈ie取+加强输入信号正反馈用于振荡器取-削弱输入信号负反馈用于放大器负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输

入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。放大器输出输入反馈网络±叠加反馈信号2.负反馈与正反馈判别法：瞬时极性法“正负反馈”的判断可采用瞬时极性法，反馈的结果使净输入量减小的为负反馈，使净输入量增大的为正反馈。瞬时极性法：规定电路输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依据，逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性。iiiBif－＋－反馈元件

RCT1

RE＋UCCT2＋－＋－uSuo－C1C2

RS＋ui

Rf＋－举例负反馈串联反馈：输入量、反馈量和净输入量以电压形式相叠加，称为串联反馈。uid

=

ui

uf并联反馈：输入量、反馈量和净输入量以电流形式相叠加，称为并联反馈。iid

=

ii

ifAFiiifisiidRSRSAFuiuidufus3.串并联反馈串联反馈和并联反馈的判断方法：反馈信号如果引回到了输入信号同一端即为串联反馈，与输入信号不同端即为并联反馈。举例串联反馈4.电压、电流反馈电压反馈

—

反馈信号取自输出电压的部分或全部。判别法：令uo=0(RL短路)，若反馈消失则为电压反馈。电流反馈

—

反馈信号取自输出电流。判别法：使uo=0(RL短路)，若反馈仍然存在，则为电流反馈。AFRLuo电压反馈电流反馈iouoFARLio6.1.3负反馈对放大电路的影响1.提高放大倍数的稳定性闭环时则只考虑幅值有即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF倍2.减小非线性失真和抑制噪声uf加入负反馈无负反馈FufAuiuo+–uiduo大小略大略小略小略大uiA接近正弦波改善了波形失真3.拓宽通频带020lg|A|（dB）F（Hz）AmfLfHfLffHfAmf放大器的一个重要特性：增益与通频带之积为常数。

即：Amf×fbwf=Am×fbw可以证明：fbwf=(1+AF)fbw4.负反馈对输入、输出电阻的影响输入电阻使输入电阻增加使输入电阻减小并联反馈串联反馈输出电阻使输出电阻增加使输出电阻减小电压反馈电流反馈rif=（1+AF）ririf=ri/（1+AF）rof=ro/（1+AF）rof=（1+AF）ro6.2.1差分放大电路的引出6.2差分放大电路零点漂移现象多级放大电路中，未加入输入信号时，由于温度变化、电源电压波动、元器件老化等原因，引起静态工作点的变动而导致输出端的静态电压上叠加了缓慢变化的输出电压，这种现象称为零点漂移，简称温漂。uotO即ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。零漂的特点（1）各级放大器都会出现漂移电压。（2）减小零漂必须着重解决第一级的零漂电压。（3）放大倍数越高，输出零漂越严重。抑制零漂的措施（1）选用稳定性较好的硅三极管作放大管。（2）采用直流负反馈以稳定工作点，减小零漂。（3）利用热敏元件，补偿放大管受温度影响所引起的零漂。（4）采用差分放大器6.2.2基本差分放大电路1.电路组成

特点：（1）由两个完全对称的共射电路组合而成。同时要求参数对称。（2）电路采用正负双电源供电。

2.差分放大电路抑制零点漂移的原理uo=uo1－uo2

=0uo=(uo1+

uo1

)－(uo2+

uo2)=0静态时，ui1

=

ui2

=0当温度升高时

IC

VC

（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。3.差分放大电路的交流放大作用(1)共模信号ui1=ui2

大小相等、极性相同

差分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。

干扰信号需要抑制表明差分放大电路可抑制共模输入信号记为uic，uic=（ui1+ui2）/2=ui1=ui2

共模输出uoc=Au(ui1－ui2)=0(2)差模信号

ui1=–ui2

大小相等、极性相反，称为差模输入。差模信号是有用信号信号之差称为差模信号，记为uid。其中uid=ui1－ui2=2ui1差模输出uod=uo1－uo2=Au

ui1－Auui2=Au(ui1－ui2)=Auuid表明差分放大电路可放大差模输入信号(3)两个任意信号输入

ui1、ui2大小和极性是任意的。例1:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:

ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:

ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信号差模信号

ui1、ui2大小和极性是任意的

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。

共模信号为：差模信号为：共模抑制比：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。共模抑制比6.3.1概述6.3集成运算放大器基础知识

集成电路除了具有体积小、重量轻、耗电省及可靠性高等优点外，还具有下列特点：

（1）模拟集成电路内的电路均采用直接耦合方式。差分放大电路是最基本的电路。

（2）由于硅片上不宜制作高阻值电阻，所以模拟集成电路常以恒流源取代高阻值电阻。

（3）由于增加元器件并不增加制造工序，所以集成电路内部允许采用复杂的电路形式，以提高电路的性能。集成运算放大器外型封装有圆形、扁平形、双列直插式等：6.3.2集成运算放大器内部组成及电路符号1.基本组成输入级：差分电路，大大减少温漂。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。输出级：OCL电路，带负载能力强偏置电路：为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。如图所示为741模拟集成电路的原理图。2.运放的符号习惯用符号uid+VCC–VEE国家标准符号6.3.3集成运算放大器的主要参数（1）开环差模电压增益Auo

运放没有接反馈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。愈小愈好（2）输入失调电压UIO（3）输入失调电流IIO=

|IB1-

IB2|（4）输入偏置电流IIB=(IB1+

IB2)/2（5）输入失调电压温漂ΔUIO/ΔT和输入失调电流温

漂ΔIIO/ΔT（6）共模抑制比KCMR（7）差模输入电阻rid（8）输出电阻rod6.4集成运算放大器的基本应用6.4.1理想运算放大器的特点1.理想运算放大器的主要性能指标(1)开环差模电压增益Aod=∞;(2)差模输入电阻Rid=∞;(3)输出电阻Ro=0;(4)共模抑制比CMRR=∞;(5)开环带宽BW=∞;(6)失调、漂移和内部噪声为零。主要条件条件较难满足，可采用专用运放来近似满足。实际运放的技术指标与理想运放比较接近，因此用理想运放代替实际运放分析所产生的误差并不大，在工程计算中是允许的，由此却带来了分析的大大简化。线性区：uo

=Auo（u+–u–）非线性区：u+>u–

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo

=–Uo(sat)

饱和区+Uo(sat)

u+–u–

uo-Uo(sat)线性区理想特性实际特性2.“虚短”和“虚断”uo++

u+u––

∵uo

=Auo（u+–

u–

）∴①差模输入电压u+-u–0

即u+=u–

称“虚短”②输入电流约等于0

即i+=i–0称“虚断”

电压传输特性

Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo线性区-Uo(sat)+Uo(sat)6.4.2集成运算放大器的线性应用1.反相比例运算ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

（1）电路结构

①ui加至反相输入端uN

②Rf构成电压并联负反馈

③

R2=R1//Rf（2）电压放大倍数∵虚短

∴

u–=u+=0∵虚断，i+=i–=0

，

∴i1

if

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

∵要求静态时u+、u-对地电阻相同∴平衡电阻R2=R1//RF

结论：①Auf为负值，即uo与ui极性相反。∵ui加在反相输入端。②Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。R1=RF

时Auf

=-1，称为反向器。④∵

u+=0，则u-=0∴反相输入端“虚地”。

反相比例运算电压放大倍数2.同相比例运算（1）电路结构

①

ui加至同相输入端uN

②

Rf构成电压串联负反馈

③

R2=R1//RfuoRFuiR2R1++––++

–

ifi1i–i+（2）电压放大倍数∵虚短，∴

u–=u+=ui

，∵虚断，i+=i–=0

，

∴i1

if

uoRFuiR2R1++––++

–

ifi1i–i+

∵要求静态时u+、u-对地电阻相同，∴平衡电阻R2=R1//RF

结论：①Auf为正值，即

uo与ui极性相同。∵ui

加在同相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④u-=u+

≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。

当R1=

或RF

=0时，uo=ui，

Auf=1，称电压跟随器。uoui++––++

–

例：3.加法运算电路∵虚短u-=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii1ii2ifui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–∵虚断，i–=0

∴ii1+ii2=if

扩充至n个电阻，则：uo=－Rf(ui1/R1+ui2/R2+…+uin/Rn)若R1=R2=…=Rn=Rf，则：

uo=－(ui1+ui2+…+uin）4.减法运算电路(1)由虚短可得：输出与两个输入信号的差值成正比。ui2uoRFui1R2++

–

R1+–++––ifi1=ui2∵虚断，i–=0

∴

i1=if

=

∴4.减法运算电路(2)由虚短可得：1123231)1(iFi

FouRRuRRRRRu-++=

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––ifi1由虚断可得：由虚短及虚断性质可得

i1=ififi1uoCFuiR2R1++––++

–

uc+–

当电容CF的初始电压为uc(t0)时，则有5.积分运算电路积分电路的波形变换作用6.微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++

–

实用微分电路及波形6.4.3集成运算放大器的非线性应用理想运放工作在非线性区的特点：①输出只有两种可能+Uo(sat)

或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u－

时，uo

=–

Uo(sat)

不存在“虚短”现象

②i+=i－

0仍存在“虚断”现象电压传输特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)非线性区电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.电压比较器

可见，在ui

=UR

处输出电压uo发生跃变。阈值电压（门限电平）：输出跃变所对应的输入电压。uiuooURURuouiR2++

–

R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR

时，uo

=+Uo(sat)

ui>UR时，uo

=–

Uo(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuooUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端–Uo(sat)+Uo(sat)uiuooURuitoURouot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t2波形变化举例URuouiR2++

–

R1+–++––2.单限电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui<

UR，uo=UZ

ui>UR，uo=UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuooURui<UR

时，uo'

=+Uo(sat)

ui>UR时，uo'

=–

Uo(s