电路与电子技术-课件 第6章 集成运算放大电路与反馈

清华大学自动化系2025.08电子电路与微处理器基础叶朝辉FundamentalsofElectronicCircuitsandMicroprocessor6.1模拟集成电路的特点6.2集成运算放大电路6.3反馈基本知识6.4集成运放的两个工作区第6章集成运算放大电路与反馈236.1模拟集成电路的特点为了提高集成度，集成电路应避免制造大体积的元件：采用直接耦合方式：不用大容量的耦合电容；采用等效电阻非常大的电流源代替大阻值的电阻。

此外集成电路中由于相邻元件距离非常近，因此用同样的工艺制作元件时，很容易制作出一模一样的元件。因此模拟集成电路中可以利用一对或者多个性能相同（对称）的管子来设计电路。46.2.1

概述6.2.2

集成运放的组成6.2.3

差分放大电路简介6.2.4

互补输出级电路6.2.5

集成运放的符号和电压传输特性6.2.6

集成运放的性能指标6.2.7

集成运放的等效模型6.2集成运算放大电路56.2.1概述一、发展历史20世纪30至40年代，电子管运算放大器，应用于专用模拟计算系统。1946年由美国贝尔实验室发表的“求和放大器（SummingAmplifier）”是一个直接耦合的电子管放大器，能够完成算术和统计运算，称为运算放大器（Operationalamplifier，简称为Opamp）。第一片单片集成电路运算放大器是由仙童公司（FairchildSemiconductorCorporation，简称为FSC）的工程师BobWidlar于1963年设计的，型号为µA702。1968年FSC设计了µA741，并且成为了后来的设计标准并被广泛应用。6

集成运算放大电路简称为集成运放或运放，是一种高放大倍数、高输入电阻Ri、低输出电阻Ro的直接耦合多级放大电路。

集成运放广泛应用于各行各业，凡是需要处理微弱信号的应用均可以采用集成运放。76.2.2集成运放的组成集成运放通常由输入级、中间级、输出级共三级放大电路组成，用于电压信号的处理。

输入级：通常采用差分放大电路组成，具有较强的稳定静态工作点的性能；

中间级：通常由共射或者共源放大电路组成，具有较大的电压放大倍数；

输出级：通常由互补输出级电路组成，带负载能力强。86.2.3差分放大电路简介一、直接耦合放大电路的零点漂移现象输入信号为零而输出信号发生变化的现象称为零点漂移现象。原因：半导体器件的特性受温度影响，当温度变化时，Q点将发生变化，若为直接耦合放大电路，则输出电压也将发生变化。零点漂移现象主要由温度变化引起，因此也称为温度漂移，简称为温漂。Q点发生变化将影响晶体管的发射结电阻rbe（ICQ有关），而rbe与动态性能有关，因此动态性能将受温度影响。9二、稳定Q点的方法

为了减小或消除零点漂移现象，需要稳定Q点，特别是稳定ICQ和UCEQ。

在晶体管发射极加入电阻Re，可以起到稳定Q点的作用，稳定过程如下：若温度T(℃)↑→IC↑→IE↑→电阻Re上的电压URe(=Re·IE)↑→UBE↓→IB↓→IC↓Re起到了负反馈的作用，稳定了输出信号。10

11

简化：将两个发射极电阻合并为一个电阻；将两个正电源VBB改为一个负电源-VEE。

该电路称为差分放大电路，常用于集成运放的第一级，用于有效抑制温漂。12三、差分放大电路

集成运放通常采用差分放大电路作为第一级来抑制温漂。1.组成利用对称性来设计电路：T1、T2相同，Rb1=Rb2，RC1=RC2，Re1=Re2；uO=uC1-uC2=0，当温度变化时，uO将不变，从而可以抑制温漂。132.静态分析uI1=uI2=0IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ

UCQ1=UCQ2因此uO=UCQ1-UCQ2=0143.动态分析

15（2）差模电压放大倍数与共模电压放大倍数

差模电压放大倍数：Ad=uOd/

uId

共模电压放大倍数：Ac=uOc/uIc为了衡量放大电路放大差模信号、抑制共模信号的综合能力，定义了共模抑制比，即KCMR=Ad/Ac，通常KCMR越大性能越好。Ac=0，从而达到抑制共模信号的目的。16

17设Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc，rbe1=rbe2=rbe，β1=β2=β

18差分放大电路接入负载的仿真电路：测量静态工作点19差分放大电路接入负载的仿真电路：测量差模电压放大倍数204.MOS管差分放大电路

采用MOS管同样可以组成差分放大电路，图所示为N沟道增强型MOS管组成的差分放大电路。215.差分放大电路的四种接法双端输入双端输出差分放大电路单端输入单端输出差分放大电路双端输入单端输出差分放大电路单端输入双端输出差分放大电路226.2.4互补输出级电路

作为输出级电路的要求：带负载能力强输出功率较大效率较高，因此要求负载上静态功耗小通常采用互补输出级电路做直接耦合放大电路的输出级。236.2.4互补输出级电路T1和T2性能对称。

静态时ui=0，uo=0，负载上静态功耗为零。

假设晶体管导通电压Uon=0，动态时：ui正半周，T2截止，T1导通并组成共集放大电路，uo跟随ui变化。ui负半周，T1截止，T2导通并组成共集放大电路，uo跟随ui变化。

综上所述，T1、T2分别在信号的正、负半周工作在放大状态，以互补的方式工作，使uo在整个信号周期内都能跟随ui变化，因而带负载能力强，并且负载上静态功耗为零。24交越失真：实际应用时，由于T1、T2的导通电压Uon不为零，因此互补输出级电路的输出信号存在失真。采用二极管消除交越失真，静态时，T1、T2发射结电压分别等于两个二极管的导通电压，使T1、T2处于导通状态，从而消除交越失真。图6-2-11交越失真图6-2-12采用二极管消除交越失真的互补输出级电路25图6-2-13简单集成运放电路T1、T2组成差分放大电路；T3组成共射电路；T4、T5组成互补输出级电路。266.2.5集成运放的符号和电压传输特性一、集成运放的符号图6-2-13集成运放符号

集成运放有两个输入端和一个输出端：用“＋”表示同相输入端（简称同相端）：该输入端的电压uP与输出端电压uO相位相同；用“－”表示反相输入端（简称反相端）：该输入端的电压uN与输出端电压uO相位相反。uP、uN、uO都以“地”为公共端。27二、集成运放的电压传输特性集成运放通常采用正、负双电源供电。Ad通常为105以上；uO的最大幅值UOM一般为14V左右（设电源电压为±15V）；uId=uO/Ad

通常为微伏级或者更小。当uId=uP-uN较小，使uO<UOM时，uO与uId成线性关系；当uO>UOM时,uO不再随uId而变化，成非线性关系。图6-2-14集成运放的电压传输特性286.2.6集成运放的性能指标开环差模电压增益G（或Aod）

集成运放在没有外加反馈时的差模电压放大倍数称为开环差模电压放大倍数或者开环差模电压增益，通常用G或者Aod表示；或者用20lg|G|或者20lg|Aod|表示，单位为分贝（dB）。一般运放的Aod范围为80dB至130dB。2.开环共模电压增益Aoc

集成运放在没有外加反馈时的共模电压放大倍数称为开环共模电压放大倍数或者开环共模电压增益，通常用Aoc表示；或者用20lg|Aoc|表示，单位为分贝（dB）。296.2.6集成运放的性能指标3.共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRation)CMRR即KCMRR=|Aod/Aoc|，或者用20lg|Aod/Aoc|表示，单位为分贝（dB）。CMRR反映了运放放大差模信号、抑制共模信号的综合能力。4.差模输入电阻rid集成运放当输入为差模信号时的输入电阻称为差模输入电阻rid，通常可达几兆欧姆以上，甚至1011欧姆以上。305.差模输出电阻rod

集成运放当输入为差模信号时的输出电阻称为差模输出电阻rod。一般运放的rod通常为欧姆级别。6.带宽BW（或fbw）

当Aod下降3dB即下降到中频的0.707倍时，对应的频率定义为-3dB带宽，或称为带宽BW(Bandwidth)，也可用fbw表示。7.增益带宽积GBP

当差模输入信号为小信号且运放工作在线性范围内时，其电压增益与带宽的乘积Aod*fbw近似为一个常数，称为增益带宽积GBP（GainBandwidthProduct）。316.2.7集成运放的等效模型图6-2-15电压反馈型集成运放简化的低频等效模型326.3反馈基本知识6.3.1

反馈的作用6.3.2

反馈的基本概念6.3.3

反馈的判断6.3.4

反馈放大电路的方块图分析6.3.5

深度负反馈放大电路电压放大倍数的分析6.3.6

反馈对放大电路性能的影响336.3.1反馈的作用1927年，美国西部电力公司的年轻工程师HaroldBlack在解决长距离电话通信系统中的真空管放大器的失真和不稳定性时发明了反馈方法。

反馈发明之后，被广泛地应用于各类需要进行控制的系统中。

放大电路引入反馈后，将对系统性能产生影响。若引入合适的反馈，将稳定放大倍数、增大带宽、减小非线性失真等。346.3.2反馈的基本概念一、反馈的定义

反馈是指将输出量的一部分或者全部通过一定的方式作用到输入回路，与输入量叠加，来影响输入量的方法。输入量和输出量可以是电压或电流。图6-3-1反馈放大电路的方框图输入量净输入量反馈量输出量35二、反馈的效果1.正反馈与负反馈

使净输入量减小的反馈称为负反馈，反之则为正反馈。负反馈使输出量的变化减小，能稳定输出量，改善放大电路的性能；正反馈则使输出量的变化增大，使放大电路不稳定，因此可利用其组成振荡电路。2.直流反馈与交流反馈

存在于放大电路直流通路中的反馈称为直流反馈，存在于交流通路中的反馈称为交流反馈。

直流反馈影响放大电路的静态工作点，而交流反馈则影响其动态性能。363.电压反馈与电流反馈

反馈量取自于输出电压，则称为电压反馈；反馈量取自于输出电流，则称为电流反馈。4.串联反馈与并联反馈

若在输入回路中输入电压与反馈电压叠加产生净输入电压，则输入回路与反馈网路的连接方式为串联连接，称这种反馈方式为串联反馈。

若在输入回路中输入电流与反馈电流叠加产生净输入电流，则输入回路与反馈网路的连接方式为并联连接，称这种反馈方式为并联反馈。376.3.3反馈的判断一、反馈有无的判断

判断有无反馈的方法：首先判断输出信号是否被作用到了输入回路，再判断输出信号是否影响了净输入信号。无反馈无反馈有反馈38二、反馈极性的判断

负反馈正反馈39三、直流反馈与交流反馈的判断交流反馈

存在于放大电路直流通路中的反馈称为直流反馈，存在于交流通路中的反馈称为交流反馈。40四、交流负反馈四种组态的判断

交流负反馈分为四种组态：电压串联，电压并联，电流串联，电流并联。

Xi与Xf以电压形式叠加—串联反馈，即uI'=uI

-uF

Xi与Xf以电流形式叠加—并联反馈，即iI'=iI-iF

Xf取自uO—电压反馈

Xf取自iO—电流反馈

若将输出电压设为零，若反馈量也随之为零，则为电压反馈，否则为电流反馈。41uI'=uId=uI

-uFuF=uOR1/

(R1+R2)电压串联负反馈iI'=iN=iI

-iFiF=-uO/R2电压并联负反馈uI'=uId=uI

-uFuF=iOR1电流串联负反馈426.3.4反馈放大电路的方块图分析

图6-3-7反馈放大电路的方块图

43

44

456.3.5深度负反馈放大电路电压放大倍数的分析一、深度负反馈放大电路的特点

深度串联负反馈：ui’

0，此时放大电路输入端近似短路，具有“虚短”的特点；深度并联负反馈：ii’

0，此时放大电路输入端近似开路，具有“虚断”的特点。46二、深度负反馈放大电路的分析方法

471.分立元件组成的深度负反馈放大电路两级放大电路引入了电压串联负反馈。利用“虚短”可得uf

ui；利用“虚断”可得T1发射极电流ie1

0，因此

if

i1；uo

(1+Rf/Re1)uf，则Auf=uo/ui

1+Rf/Re1。（1）电压串联负反馈放大电路48理论分析：Auf=1+Rf/Re1=2仿真测量：Auf=18.976/9.97≈1.9电压串联负反馈放大电路仿真49两级放大电路引入了电流并联负反馈。

（2）电流并联负反馈放大电路1.分立元件组成的深度负反馈放大电路502.理想运放组成的深度负反馈放大电路（1）电压串联负反馈电路电路通过电阻R1、R2引入了电压串联负反馈。利用“虚短”可得uF≈uI；利用“虚断”可得运放反相端电流i-≈0，则iR1≈iR2；因此uO=(1+R2/R1)∙uF，Auf≈uO/uI=1+R2/R1。51（2）电压并联负反馈电路

上述两个电压负反馈放大电路的电压放大倍数与负载RL无关，说明电压负反馈稳定输出电压，电压负反馈放大电路输出电阻Ro近似为零。

52

（3）电流串联负反馈53

上述两个电流负反馈放大电路的电压放大倍数与负载RL成正比，说明输出电流与负载无关，电流负反馈稳定输出电流，电流负反馈放大电路的输出电阻Ro近似为无穷大。（4）电流并联负反馈546.3.6反馈对放大电路性能的影响一、负反馈对放大电路性能的影响1.