《电工电子技术》课件-第5章 运算放大器及其应用

第5章运算放大器及其应用《电工电子技术》5.1理想集成运放概述集成运放的特点（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。（3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。（4）采用复合管。

集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。集成运放电路的组成两个输入端一个输出端

若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。集成运放电路四个组成部分的作用输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。几代产品中输入级的变化最大！集成运放的电压传输特性

由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是开环差模放大倍数。非线性区

(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)5.2反馈的基本概念及判断方法引例引例如何实现助听器高倍数且无失真的放大？问题引例输出信号反作用于输入信号

助听器电路与基本共射放大电路区别？思考(1)基本概念1）什么是反馈开环闭环放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，影响输入，称为反馈。放大器输入信号输出信号净输入信号反馈信号反馈网络±叠加(1)基本概念放大器输出输入直流通路中存在的反馈称为直流反馈

用于稳定静态工作点交流通路中存在的反馈称为交流反馈用于改善电路性能反馈网络±叠加反馈信号净输入信号(1)基本概念放大器输出输入取+加强输入信号正反馈用于自激振荡器取-削弱输入信号负反馈用于改善电路性能反馈网络±叠加反馈信号净输入信号(2)判断方法1）有无反馈的判断

“找联系”：找输出回路与输入回路的联系，若有则有反馈，否则无反馈。有反馈吗？将输出电压全部反馈回去无反馈有反馈(2)判断方法2）直流反馈和交流反馈的判断“看通路”

，即看反馈是存在于直流通路还是交流通路。直流反馈(2)判断方法3）正、负反馈的判断“看结果”

，即净输入量是被增大还是被减小。－－正反馈瞬时极性法：推出Xo的极性规定Xi的极性三个物理量的叠加关系得到Xf的极性判断反馈极性－－负反馈案例分析案例分析找联系看通路看结果iiifib负反馈直流反馈交流反馈5.3交流负反馈的组态判断引例引例如何实现助听器高倍数且无失真的放大？问题引例输出信号反作用于输入信号

助听器电路与基本共射放大电路区别？思考(1)基本概念1）什么是反馈开环闭环放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，影响输入，称为反馈。放大器输入信号输出信号净输入信号反馈信号反馈网络±叠加(1)基本概念放大器输出输入直流通路中存在的反馈称为直流反馈

用于稳定静态工作点交流通路中存在的反馈称为交流反馈用于改善电路性能反馈网络±叠加反馈信号净输入信号(1)基本概念放大器输出输入取+加强输入信号正反馈用于自激振荡器取-削弱输入信号负反馈用于改善电路性能反馈网络±叠加反馈信号净输入信号(2)判断方法1）有无反馈的判断

“找联系”：找输出回路与输入回路的联系，若有则有反馈，否则无反馈。有反馈吗？将输出电压全部反馈回去无反馈有反馈(2)判断方法2）直流反馈和交流反馈的判断“看通路”

，即看反馈是存在于直流通路还是交流通路。直流反馈(2)判断方法3）正、负反馈的判断“看结果”

，即净输入量是被增大还是被减小。－－正反馈瞬时极性法：推出Xo的极性规定Xi的极性三个物理量的叠加关系得到Xf的极性判断反馈极性－－负反馈案例分析案例分析找联系看通路看结果iiifib负反馈直流反馈交流反馈5.4负反馈对放大器性能的影响深度负反馈的实质净输入量忽略不计环路放大倍数一、提高放大倍数的稳定性在中频段，放大倍数、反馈系数等均为实数。说明放大倍数减小到基本放大电路的，放大倍数的稳定性是基本放大电路的倍。二、改变输入电阻和输出电阻1.对输入电阻的影响引入串联负反馈时

对输入电阻的影响仅与反馈网络和基本放大电路在输入端的接法有关，即决定于是串联反馈还是并联反馈。串联负反馈对输入电阻影响的讨论

引入串联负反馈，使引入反馈的支路的等效电阻增大到原来的（1＋AF）倍。

引入串联负反馈，对图示两电路的输入电阻所产生的影响一样吗？

Rb1支路在引入反馈前后对输入电阻的影响有无变化？引入并联负反馈时串联负反馈增大输入电阻，并联负反馈减小输入电阻。2、对输出电阻的影响

对输出电阻的影响仅与反馈网络和基本放大电路在输出端的接法有关，即决定于是电压反馈还是电流反馈。引入电压负反馈时引入电流负反馈时

电压负反馈稳定输出电压，使输出具有恒压特性，因而输出电阻减小。

电流负反馈稳定输出电流，使输出具有恒流特性，因而输出电阻增大。电流负反馈对输出电阻影响的讨论Rc2支路在引入反馈前后对输出电阻的影响有无变化？

引入电流负反馈，使引出反馈的支路的等效电阻增大到原来的（1＋AF）倍。5.5反相比例运算电路引例如何将采集到的人体微弱的生理信号按照一定的比例进行无失真且高倍数的放大？(1）电路组成+—+—电压并联负反馈R1RfR2Rf:反馈电阻R2:平衡电阻R2=R1∥RfAuf：闭环电压放大倍数提问电路引入何种组态负反馈？解决实现信号的无失真放大（2）电路分析iNiPi1iF虚短+—+R1RfR2虚断KCL(3)运算+—+R1RfR2uo与ui反相；选择合适R1和Rf可以实现高倍数放大结论(4)电路仿真

(5)实际应用+—+R1RfR2iNiPi1if某一心电放大电路如图所示：R1=30K,Rf=150K,采集到的心电信号ui=3mv,求i1、i2

、uo？闭环压放大倍数Avf？例1小结虚短uN=uP

虚断iN=iP=0

R1RfR2uiuO—++虚短虚断分析电路反相比例运算的结构Rf的反馈类型输入与输出运算关系5.6反相求和运算电路引例我是歌手问题“我是歌手”的比赛中有一个主唱和多个伴唱，同时有各种伴奏，如何设计电路将多个信号混合在一起按不同比例进行放大输出？目录电路组成01电路分析02运算关系03电路仿真04实际应用05（1）电路组成+—+R2RfR’R1R'平衡电阻：R'=R1||R2||Rf问题：该电路是什么运算电路？(2)电路分析+—+R2RfR’R1i1i2if××uNuP虚短

虚断KCL(3)运算关系+—+R2RfR’R1iNiPi1i2if若R1=R2=Rf

,则：Auf只与外部电阻R1、R2和Rf有关结论(4)电路仿真（5）实际应用信号的平移问题2某传感器采集电路，通过MAX114A/D转换器与单片机连接，此芯片只能对正值信号进行采样，而信号输入有正有负，如何解决该问题？问题解决思路：采用加法器电路，对信号进行平移，使信号都为正值（5）实际应用信号的平移问题例1例2某一加法运算电路如图所示，已知ui1=5V、ui2=0.5sin(t+)时的输出uo？思考:上述问题解决了吗？+—+R2RfR’R1具体电路反相器小结牢记电路的结构和名称举一反三运用集成运放电路掌握集成运放电路分析方法课后作业及预习利用反相求和运算电路设计一个求信号平均值的电路？作业1根据今天所学，推导同相加法运算放大电路的运算关系。作业25.7单限电压比较器引例引例如何将不规则的心率信号转换为脉冲信号，实现计数？问题问题（1）电路组成及特点+UoH–UoLuP>uNuP<uNuRR2+–uoui R1输入电压参考电压输出电压阈值电压UT:UT=uR+–反相输入端uNuP同相输入端uo非线性区非线性区特点运放处于开环状态输入电压ui=uN，参考电压uR=uPui<uR

时，uo

=+UOH（正向饱和电压）ui

>uR

时，uo

=–UOL（负向饱和电压）(2)电压传输特性三要素uRuiuoO+UoH–UoL电压跳变方向例2门限电压输出饱和电压1）若UT=uR≠0，则为一般单限电压比较器ui<uR

时，uo

=+UOHui

>uR

时，uo

=–UOLuRR2+–uoui R1(2)电压传输特性OuR+UoH–UoLuiuouRR2+–uoui R12）若UT=uR=0，则为过零电压比较器(3)实际应用实现了将不规则心率信号转换为脉冲信号+—R2R’UCC-UCC某电压比较器，输入信号为心率信号如图所示,试画出输出波形。UR

=0V和uR

=2V电压传输特性及uo。引例tuo+Ucc-UccuR（4）实际应用存在的问题问题2理想情况实际情况输出电压值不确定若输入信号位于过渡区域，则输出电压为多少？问题思考（4）实际应用存在的问题单限电压抗干扰能力差若输入信号受到干扰，则输出有何改变？问题思考小结一般比较器过零比较器单限电压比较器单限电压比较器的电路参数设置单限电压比较器的电压传输特性单限电压比较器的实际应用5.8利用集成运放设计放大电路情境导入情境导入烟雾报警系统门禁系统燃气控制系统情境导入任务利用理想集成运放设计放大电路LM324管脚图任务通知单(3)实际应用实现了将不规则心率信号转换为脉冲信号+—R2R’UCC-UCC某电压比较器，输入信号为心率信号如图所示,