7 集成运算放大器

7集成运算放大器7.1放大电路的负反馈7.2集成运算放大器7.3集成运算放大器的应用7.1放大电路的负反馈7.1.1反馈的基本概念7.1.2反馈的分类7.1.3负反馈对放大器性能的影响7.1.1反馈的基本概念

将放大电路输出回路的信号（电压或电流）的一部分或全部，通过一定形式的电路（或称作反馈网络）回送到输入回路中，从而影响（增强或削弱）净输入信号，这种信号的反送过程称为反馈（Feedback）。

反馈目的——通过输出对输入的影响来改善系统的运行状态及控制效果。输出回路中反送到输入回路的那部分信号称为反馈信号。A基本放大器F反馈电路XFXOXiXd输入信号输出信号反馈信号净输入信号比较环节反向传输正向传输输出信号的反向传输是主要的输入信号的正向传输可忽略输入信号的正向传输A基本放大器F反馈电路XFXOXiXd输入信号输出信号反馈信号净输入信号（二）组成框图基本放大器—单级或多级

反馈网络—联系输出与输入回路,R或C组成7.1.2反馈的分类（1）直流反馈与交流反馈反馈信号中只有直流成分，即反馈只对时不变量起作用，就称为直流反馈；如果只有交流成分，即反馈只对时变量起作用，就称为交流反馈；如果反馈信号中既有交流分量也有直流分量，则称为交直流反馈。直流反馈与交流反馈的判断

通过观察反馈元件出现在交流通路或直流通路中来判断，若出现在交流通路中就属于交流反馈，若出现于直流通路中则属于直流反馈。直流反馈交流反馈（2）正反馈与负反馈反馈信号使净输入信号加强为正反馈；使净输入信号减弱为负反馈。由于负反馈具有使输出信号趋于稳定，易控制的特点，故本章主要讨论负反馈问题。负反馈衰减正反馈自激反馈类型的判别

在判断反馈的类型之前，首先应看放大器的输出与输入之间有无电路连接，以便由此确定有无反馈。正反馈与负反馈的判别

通常采用瞬时极性判别法来判别实际电路反馈极性的正、负。首先假定输入信号在某一瞬时对地而言极性为正，然后由各级输入、输出之间的相位关系分别推出相关各点的瞬时极性（用“+”表示升高，用“-”表示降低），最后判别反映到电路输入端的作用是加强了输入信号还是削弱了输入信号。加强为正反馈，削弱了为负反馈。++共射组态倒相共射组态倒相共集组态同相–

由第五章的知识，三极管b入c出e公共为共射组态，具有倒相放大特性，而三极管b入e出c公共为共集电极组态，具有同相跟随特性。由这些已知的放大电路性质可判断各点极性。+（3）电压反馈与电流反馈

反馈信号取自输出电压，称为电压反馈，其反馈信号正比于输出电压，其取样的输出电路为并联连接；如果反馈信号取自输出电流，称为电流反馈，其反馈信号正比于输出电流，其取样电路为串联连接。输出并联连接输出串联连接电压反馈与电流反馈的判断

通过负载短路（uo＝0）法来判断其反馈信号与电压还是电流成正比。如果负载短路使得反馈信号是0，说明反馈信号与输出电压成正比，为电压反馈；对应当uf（＝ieRe）不为0仍存在时，则为电流反馈。uf=0uf≠0电压反馈电流反馈（4）串联反馈与并联反馈

反馈信号在放大器输入端以电压的形式出现，那么在输入端必定与输入电路相串联，称为串联反馈；如果反馈信号在放大器输入端以电流的形式出现，那么在输入端必定与输入电路相并联，称为并联反馈。输入串联连接，引入电压量输入并联连接，引入电流量串联反馈与并联反馈的判断

反馈信号与输入信号是串接在基本放大器输入端则为串联反馈；如果反馈信号与输入信号是并接在基本放大器输入端，则为并联反馈。利用反馈节点接地法判断。引入电流量if引入电压量uf并联反馈电流反馈四类基本反馈组态的识别和分析1.电压串联负反馈输出电压uo的一部分被送回第一级放大器输入端，反馈元件Rf（Cf在交流支路中作用同导线）与Re1组成交流电压串联负反馈电路。交流通路Re1上压降为反馈信号：ube上压降为净输入信号uf=0,电压反馈引入电压量uf，串联反馈++–++

输出短路法判断为电压反馈；反馈节点接地法判断为串联反馈；瞬时极性法判断正负，uf与ui同相变化大小，而净输入ube＝ui－uf，故反馈削弱输入信号，为负反馈。电压负反馈具有稳定输出电压作用，稳定过程如下：电压串联负反馈2.电压并联负反馈交流通路反馈元件为Rf，跨接在输出与输入回路之间，将放大器的输出电压引入到输入回路中（晶体管VT的基极）。无反馈信号，电压反馈引入电流量if，串联反馈++––电压并联负反馈

输出短路法判断为电压反馈；反馈节点接地法判断为并联反馈；瞬时极性法判断正负，if与ui倒相变化，而净输入ib＝ii－if，故反馈削弱输入信号，为负反馈。

电压负反馈之所以能稳定输出电压，是因为反馈元件在输出回路取样的信号类型是电压量。3.电流串联负反馈交流通路

反馈元件为Re，跨接在输出与输入回路之间，将放大器的输出电流的部分转化为电压以影响净输入ube。仍有uf≠0，电压反馈引入电压量uf，串联反馈+++电流串联负反馈输出短路法判断为电流反馈；反馈节点接地法判断为串联反馈；瞬时极性法判断正负，uf与ui同相变化，而净输入ube＝ui－uf，故反馈削弱输入信号，为负反馈。电流负反馈具有稳定输出电流作用，稳定过程如下：4.电流并联负反馈交流通路Rf是反馈元件，它将第二级VT2的输出与第一级VT1的输入回路联系起来，构成反馈。由交流通路，可知反馈信号与输出电流之间的关系：

输出短路法判断为电流反馈；反馈节点接地法判断为并联反馈；瞬时极性法判断正负，if与ui倒相变化，而净输入ib＝ii－if，故反馈削弱输入信号，为负反馈。

电流负反馈之所以能稳定输出电流，是因为反馈元件在输出回路取样的信号类型是电流量。仍有if≠0，电压反馈引入电流量if，并联反馈++––––电流并联负反馈7.1.3负反馈对放大器性能的影响1.负反馈放大器的放大倍数可见，闭环增益Af是开环增益A的（1＋AF）分之一，反馈深度表示了反馈影响的程度。2.负反馈对放大器性能的影响（1）提高放大倍数的稳定性

当元件老化或更换、电源不稳、负载变化及环境温度变化时，都会引起一般放大器的放大倍数发生变化，通常要加入负反馈以提高放大倍数的稳定性。即可得可见，相对开环增益的变化量dA/A，闭环增益dAf/Af只变化了（1+AF）分之一，虽然增益倍数下降至1/（1+AF），但稳定性却提高了（1+AF）倍。（2）减小非线性失真

非线性失真是放大器件的非线性引起的。一个无反馈的放大器虽然设置了合适的静态工作点，但当输入信号较大时会产生非线性失真。例如标准正弦波输入会输出前半周大、后半周小的失真波形（a图）。

引入负反馈后，就可以利用负反馈的自动调整作用将非线性失真减小。具体来说，开环增益前半周高，反馈信号就强，负反馈使前半周增益明显降低；而开环后半周增益小，反馈信号也弱，净输入下降得也少，使得输出前后半周趋于一致。（3）改善频率响应

由于电路中电抗元件的存在，如耦合电容、旁路电容及三极管本身的结电容等，放大器的放大倍数会随频率而变化。实验证明，放大电路在高频区和低频区的电压放大倍数比中频区低。当输入等幅不同频的信号时，高、低频段的输出信号比中频段的小。因此，反馈信号也小，所以高、低频段的放大倍数减小程度比中频段的小，类似于频率补偿作用。（4）改变输入电阻和输出电阻①对输入电阻的影响串联负反馈时：

图中ri为无反馈时输入电阻，rif为加入负反馈后的输入电阻。并联负反馈时：②对输出电阻的影响

电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即是电压负反馈放大器具有恒压源的性质，因此引入电压负反馈后的输出电阻rof要比无反馈时的输出电阻ro小。

同理，电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即是电流负反馈放大器具有恒压流的性质，因此rof要比ro大。

负反馈类型电阻类别电压串联电压并联电流串联电流并联输入电阻增大减小增大减小输出电阻减小减小增大增大7.2集成运算放大器7.2.1集成运算放大器的组成7.2.2集成运算放大器的技术指标7.2.1集成运算放大器的组成301.什么是集成电路

集成电路——集元器件、电路、系统为一体的新型电子器件。

优点：体积小、功耗低、可靠性高、成本低。集成电路的常见外形主要有以下三种：集成电路按功能的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路中集成运算放大器是应用最为广泛的器件，简称集成运放。集成运放符号它有两个输入端：同相端标为“+”，其信号极性与输出信号相同；反相端标为“–”，其信号极性与输出信号相反。引脚因型号各异。

集成运放的内部电路组成国产F007运放电路原理图输入级中间级输出级偏置电路典型实例13一月2026F007运放结构框图F007（μA741）共有9个引脚，2、3为输入端，6为信号输出端，7、4为正负电源端，1和5为调零电位器接线端，8、9为消除自激补偿端。F007的引脚一般的运放都由输入级、中间级、偏置电路和输出级四部分组成。最大输出电压是指在不失直的条件下的最大输出电压的峰峰值。CF741的为±13V～±14V。7.2.2集成运算放大器的技术指标1.开环差模电压放大倍数AodAod是集成运放在开环时（无外加反馈时）输出电压与输入差模信号电压之比，常用分贝（dB）表示，目前最高可达140dB。2.最大输出电压3.输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT一般运放输入电压为0时输出并不为0，即零漂现象，若在输入端外加一个适当的补偿电压使输出为0V，则此外加电压称之为输入失调电压UIO。4.输入失调电流IIOIIO用于表征输入级差分对管的电流不对称所造成的影响，以IIO＝|IB1-IB2|表示。IIO也随温度变化。5.最大差模输入电压UIDMUIDM是指同相输入端“+”和反相输入端“−”之间所能承受的最大电压值。所加电压若超过UIDM则可能使输入级的晶体管反相击穿而损坏。6.最大共模输入电压UICMUICM是集成运放在线性工作范围内所能承受的最大共模输入电压。若超过此值会出现KCMR下降，失去差模放大能力的问题。高质量的运放可达正负十几伏。7.共模抑制比KCMRKCMR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数只比，即KCMR＝|Aod/Aoc|,一般以分贝表达，KCMR＝20lg(|Aod/Aoc|)，高质量的运放可达160dB。8.输出电阻roro是运放开环工作时，从输出端等效的电阻，标明带负载能力。值越小带负载能力越强。9.差模输入电阻ridrid是集成运放两输入端之间的动态电阻，以rid＝ΔuID/ΔiI表示，是衡量信号源索取电流大小的标志，一般为MΩ数量级。以场效应晶体管为输入级的可达106MΩ。除上述指标外，还有最大输出电压幅值、带宽、转换速率、信噪比等参数。7.3集成运算放大器的应用7.3.1理想集成运算放大器7.3.2集成运算放大器的应用7.3.1理想集成运算放大器在分析集成运放组成的各种电路时，将实际运放作为理想运放来处理。集成运放有两种工作状态：线性与非线性。1.理想集成运算放大器开环差模电压放大倍数Aod=∞输入电阻rid=∞输出电阻ro=0共模抑制比KCMR=∞失调电压、失调电流及它们的温漂均为0带宽fh=∞2.集成运放的线性区与非线性区（1）线性区为了使运放工作在线性区，集成运放外围都接有深度负反馈，以减小其净输入电压，从而使其输出电压不超出线性范围。有两条基本结论：称之为“虚短”现象，即同相端“+”与反相端“–”电位相同，但并非真正短路，即两端之间无电流导通。称之为“虚断”现象，即同相端“+”与反相端“–”输入趋于零，但并非真正断路，即两端之间可能无压差。（2）非线性区由于开环增益Aod很大，当集成运放处于开环状态或接有正反馈时，只要有差模输入，哪怕很微小都使输出立即达到正向饱和电压Uom或负向饱和电压–Uom，数值上接近正、负电源电压。也有两条基本结论：非线性状态也满足“虚断”，因为此时运放仍然理想，rid趋于∞。7.3.2集成运算放大器的应用1.反相比例运算运算电路故R2上无电流，由欧姆定律，R2上无压降，u+=0V，u–=u+=0V，有“虚地”现象。“虚地”是指反相端“–”也为地电位，但并未真正接地，即无泻电流。此为反相比例运算的重要特征。运算电路“-”端0V，虚地由虚断概念，iI–=0，有当Rf=R1=R时，Auf=−1，这种电路成为反相器。R2电阻是为了保持运放输入级差放的静态平衡而设置的。静态下输入输出都为零，R1与Rf相当于并联接地，而R2=R1//Rf时电路平衡