第10章 集成运算放大器与反馈

第10章

集成运放与反馈10.1

运放的结构与参数10.2

理想运算放大器及分析依据10.3

集成运算放大器的应用10.4

反馈放大电路10.5

深度负反馈条件下的近似计算10.6

负反馈放大电路的稳定问题本章要求：第10章

集成运放与反馈1.了解运放的特点，掌握理想运放分析的依据2.掌握比例、加法、减法等运算电路的结构及原理3.掌握反馈的基本概念、框图及方程式4.掌握反馈的类型及判断方法5.了解深度负反馈条件下的近似计算集成运放的特点（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。10.1

运放的结构与参数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。10.1.1

框图结构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！10.1

运放的结构与参数10.1

运放的结构与参数

各引脚的功能如下：1和5为外接调零电位器2为反相输入端。3为同相输入端。4为负电源端。7为正电源端。6为输出端。8为空脚，一般标为NC脚。通用型运放

μA741的引脚图1．最大输出电压

能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运放的最大输出电压。

μA741典型应用的最大输出电压约为±13V。2.开环电压放大倍数

在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。

越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。10.1.2

主要参数10.1

运放的结构与参数3.输入失调电压

理想的运算放大器，当即把两输入端同时接地时，输出电压为0。但在实际的运放电路中，由于器件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，输出电压不为0。反过来说，若要输出电压为0，必须在输入端加入一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。

一般为几毫伏，显然它愈小愈好。

4.输入失调电流

输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。

10.1.2主要参数10.1

运放的结构与参数理想运放

将集成运放的各项技术指标理想化后的一种最简模型。(1)Aod=

(2)Rid=

,Ro=0(3)IB1=IB2=0(4)UIO=0，IIO=0，，(5)KCMR=

(6)BW=

理想运放的技术指标10.2

理想运放及分析依据理想运放工作在线性区和非线性区的特点线性区

虚短虚断+Uom

-Uom

0

Aod＝

10.2

理想运放及分析依据+Uom

-Uom

理想运放的电压传输特性0非线性区非线性区

非线性区uP－uN为有限值，Rid=

，所以。即理想运放工作在非线性区也具有“虚断”的特点10.2

理想运放及分析依据运算放大器能完成比例、加减、积分与微分、对数与反对数以及乘除等运算；在自动控制系统中，在信号处理方面常见到的有信号滤波、信号采样保持及信号比较等。10.3.1

运算电路10.3集成运算放大器的应用iI

if

uP

uN

00“虚断”:iP=iN=0

可得

iI

=

if,uP=0“虚短”:有uP=uN=0

反相输入端是0电位，称为“虚地”。10.3

集成运算放大器的应用反相比例电路平衡电阻：保证运放输入级差分放大电路的对称性，避免输入偏置电流产生附加的差模输入电压。R1=10kΩ,Rf=100kΩUI=0μA741OP37LF356LF357UO(mV)R’=R1//Rf1.120.0650.280.83UO（mV）R’=01.760.390.30(FET)0.9210.3

集成运算放大器的应用反相比例电路讨论电阻的取值阻值一般以kΩ量级为宜；太大，偏置电流会带来误差；太小，运放的输出电流超限，输出电压动态范围减小。10.3

集成运算放大器的应用反相比例电路同相比例运算电路虚断：uP

i'I

又因虚短由以上分析可得00i'I

uN

所以电压增益为10.3

集成运算放大器的应用同相比例电路根据虚断同相比例运算电路同相输入端的输入电流为0，其输入电阻为uI

i'I

00iI

uI

根据虚短同相输入比例运算电路的电压增益大于等于1，输出与输入同相，实现了同相比例运算关系，比例系数为10.3

集成运算放大器的应用同相比例电路同相比例运算电路中若R1=

或RF=0，则构成电压跟随器同相比例运算电路(a)(b)

电压跟随器电路图它可以在信号源与负载之间起到隔离和缓冲的作用。其电压增益等于1，相当共集(共漏)放大电路的情况。同相比例电路10.3

集成运算放大器的应用

加法电路方法一：节点电流法10.3

集成运算放大器的应用加法电路方法二：利用叠加原理

首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。10.3

集成运算放大器的应用10.3

集成运算放大器的应用减法电路根据虚断、虚短推导输入与输出的关系设10.3

集成运算放大器的应用积分电路微分电路

滤波就是根据频率对信号进行筛选。滤波器的功能是使输入信号中特定范围内的频率成分通过，抑制信号中的其他频率成分。低通滤波器(LPF，LowPassFilter)；高通滤波器(HPF，HighPassFilter)；带通滤波器(BPF，BandPassFilter)；带阻滤波器(BEF，BandEliminationFilter)；全通滤波器(APF，AllPassFilter)。1.滤波器的分类——频率特性10.3

集成运算放大器的应用10.3.2信号处理电路全通滤波器滤波器的幅度频率特性低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器滤波器的分类与分析方法10.3

集成运算放大器的应用频率特性方程同相输入一阶低通滤波器一阶低通滤波器传递函数通带放大倍数上限截止频率也称特征频率，。10.3

集成运算放大器的应用

高通滤波器(HPF)允许输入信号中高于截止频率的信号分量通过，抑制低频分量。高通滤波器与低通滤波器(LPF)有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得HPF。二阶压控型高通滤波电路10.3

集成运算放大器的应用开环——单限比较器电压比较器——非线性应用10.3

集成运算放大器的应用10.3

集成运算放大器的应用

图(a)给出了一个基本单门限比较器。输入信号为

，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端加接一个参考电压

（门限电平）

。当输入电压

时

，输出为高电平

，反之输出低电平10.4

反馈放大电路“反馈”的广泛性放大电路中反馈的作用——改善性能

主要内容：

何谓反馈（概念）有哪几种反馈（分类及判别）性能指标如何（分析计算）有何作用（对放大电路性能的影响）负面影响（自激振荡问题）10.4

反馈放大电路“反馈”的广泛性放大电路中反馈的作用——改善性能

主要内容：

何谓反馈（概念）有哪几种反馈（分类及判别）性能指标如何（分析计算）有何作用（对放大电路性能的影响）负面影响（自激振荡问题）

把放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，经过一定的电路元件（反馈网络），以一定的方式（串联、并联），返送到输入回路（反馈量），以改善放大电路性能的措施。10.4

反馈放大电路10.4.1反馈的基本概念及框图基本概念10.4

反馈放大电路反馈信号反馈的框图反馈的基本方程式开环放大倍数：反馈系数：闭环放大倍数：环路增益：反馈深度：10.4

反馈放大电路10.4.2

反馈的组态及判断方法有无反馈的判断是否存在将输出与输入相连接的通路；是否有既处在输入回路中，又处在输出回路中的部分。有反馈无反馈10.4

反馈放大电路有反馈：级内(局部)反馈、级间(或全局)反馈有无反馈的判断10.4

反馈放大电路直流通路反馈网络T+VCCRB1I+_UBQ_RB2RCREICQIEQIBQ+UEQ+_T+_+++直流反馈和交流反馈的判断10.4

反馈放大电路直流反馈和交流反馈的判断10.4

反馈放大电路反馈的极性判别（正反馈与负反馈）正反馈负反馈电压串联电压并联电流串联电流并联10.4

反馈放大电路根据反馈的效果可以区分反馈的极性，使放大电路净输入量增大的反馈称为正反馈，使放大电路净输入量减小的反馈称为负反馈。10.4

反馈放大电路反馈的极性判别（正反馈与负反馈）正反馈和负反馈用瞬时极性法判断：瞬时极性法就是在放大电路的输入端，假设一个输入信号对地的电压极性，可用“+”、“-”表示。按信号正向传输方向依次判断相关点的瞬时极性，一直达到反馈信号取出点。再按反馈信号的传输方向判断反馈信号的瞬时极性，直至反馈信号和输入信号的相加点。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。极性判别——举例10.4

反馈放大电路反馈量取自何处，与谁成比例

——电压反馈、电流反馈10.4

反馈放大电路反馈的组态判别注意：输出端负载的连接方式有两种，一是负载接地；二是负载不接地，一般称为负载浮地。一般对负载不接地的情况，反馈是电流反馈；对负载接地的情况，反馈是电压反馈，对后者也不全是，例如共射组态的基本放大电路，发射极电阻的旁路电容器去掉后，虽然输出端的负载接地，但是电流反馈。关键还是要看反馈信号是与输出电压成比例还是与输出电流成比例。反馈量与输入量的作用方式:——串联反馈、并联反馈反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极，则为并联反馈，此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系；反之，加在放大电路输入回路的两个电极，则为串联反馈，此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。10.4

反馈放大电路反馈的组态判别反馈的组态及极性判别——举例10.4

反馈放大电路反馈的组态及极性判别——举例⊕IiI'iIf10.4

反馈放大电路电压串联负反馈反馈信号与输入信号以电压形式相叠加，有开环放大电路的输出电压作为反馈网络的输入信号。10.4.3

四种类型的负反馈放大电路10.4

反馈放大电路例1:试判断电路的反馈组态，再求深度负反馈条件下电路的闭环电压放大倍数。(1)组态判断

根据瞬时极性法判断，经RF加在发射极E1上的反馈电压为

，与输入电压瞬时极性相同，并且加在输入回路的两点，故为串联负反馈。反馈信号与输出电压成比例关系，是电压反馈。(2)深度负反馈的电压增益例1电路图10.4

反馈放大电路例2:试判断电路的反馈组态，再求深度负反馈条件下电路的闭环电压放大倍数。例2电路图(1)组态判断

反馈信号从Uo取出，经R1和Rf分压，在R1上得到反馈电压，在运放A的两个输入端相减，是电压串联反馈；根据瞬时极性的判断是负反馈。结论是电压串联负反馈。(2)深度负反馈的电压增益10.4

反馈放大电路电压并联负反馈电压并联负反馈电路的方块图10.4

反馈放大电路例3:试判断电路的反馈组态。

反馈信号和输入信号加在了晶体管的同一个电极上，为并联反馈；当输出电压为零时，反馈电流为零，故电路引入了电压反馈；根据瞬时极性的判断是负反馈。结论是电压并联负反馈。例3电路图10.4

反馈放大电路例4:试判断电路的反馈组态，再求深度负反馈条件下电路的闭环电压放大倍数。例4电路图

反馈信号与输入信号同时加在运放的反相输入端，为并联反馈；将输出电压两端短路，反馈信号不存在，因此是电压反馈；根据瞬时极性法判断是负反馈。综上所述，该电路为电压并联负反馈电路。10.4

反馈放大电路电流串联负反馈电流串联负反馈电路的方块图

根据串联负反馈的条件，反馈信号应该与输入信号加于输入端的两个电极，所以是电压的串联，有

根据电流反馈的条件，反馈信号应该与输出电流成比例，所以，反向传输信号只能从负载电阻串联取出，加于反馈网络的输入端，以获得与输出电流成比例的信号。10.4

反馈放大电路对于电流串联负反馈，反馈基本方程式和反馈系数为10.4

反馈放大电路例5:试判断电路的反馈组态,再求深度负反馈条件下电路的闭环电压放大倍数。

图中反馈电压从Re1上取出，根据瞬时极性和反馈电压接入方式，可判断为串联负反馈。因输出电压短路，反馈电压仍然存在，故为电流串联负反馈。闭环电压增益例5电路图10.4

反馈放大电路例6:试判断电路的反馈组态,再求深度负反馈条件下电路的闭环电压放大倍数。

图中反馈电压从R上取出，根据瞬时极性和反馈电压接入方式，可判断为串联负反馈。因输出电压短路，反馈电压仍然存在，故为电流串联负反馈。反馈系数为闭环互导增益为闭环电压增益为例6电路图10.4

反馈放大电路电流并联负反馈

根据电流反馈的条件，反馈信号应该与输出电流成比例，所以反向传输信号只能从负载电阻串联取出，加于反馈网络的输入端，以获得与输出电流成比例的信号。电流并联负反馈电路的方块图

因为是并联反馈，所以反馈信号在放大电路输入端应以反馈电流的形式与输入电流相减，然后得到净输入电流。10.4

反馈放大电路对于电流并联负反馈，反馈基本方程式和反馈系数为10.4

反馈放大电路例8:试判断电路的反馈组态,再求深度负反馈条件下电路的闭环电压放大倍数。电流并联负反馈例8电路图10.4

反馈放大电路例9:试判断电路的级间反馈组态,再求深度负反馈条件下电路的闭环电压放大倍数。

反馈信号从Uo取出，经R5和R6分压，在R6上得到反馈电压，在运放A1的两个输入端相减，是电压串联反馈；根据瞬时极性的判断是负反馈。结论是电压串联负反馈。电压反馈系数深度负反馈的电压增益例9电路图10.4

反馈放大电路提高增益的稳定性负反馈放大电路的基本方程式为：引入负反馈后增益的稳定性比无反馈时提高了倍。10.4.4

负反馈对放大电路性能的影响10.4

反馈放大电路1.串联负反馈使输入电阻增加

改变输入电阻10.4

反馈放大电路10.4.4

负反馈对放大电路性能的影响

2.并联负反馈使输入电阻减小

10.4

反馈放大电路10.4.4

负反馈对放大电路性能的影响电压负反馈，能够稳定电路的输出电压。1.电压负反馈使输出电阻减小

改变输出电阻RLRLUoUFUo忽略反馈网络的负载效应10.4

反馈放大电路2.电流负反馈使输出电阻增加

电流负反馈，能够稳定电路的输出电流。RLIoUFIo10.4

反馈放大电路展宽频带负反馈放大器的下限截止频率中频闭环放大倍数负反馈放大器的上限截止频率10.4

反馈放大电路抑制非线性失真10.4

反馈放大电路引入负反馈的原则稳定放大电路的静态工作点需要引入直流负反馈，改善放大电路的动态性能需要引入交流负反馈。若要稳定放大电路的输出电压或降低输出电阻，应引入电压负反馈；要稳定放大电路的输出电流或提高输出电阻，应引入电流负反馈。若要提高放大电路的输入电阻，应引入串联负反馈；若要降低放大电路的输入电阻，应引入并联负反馈。10.4

反馈放大电路10.5

深度负反馈条件下的近似计算实用的放大电路中多引入深度负反馈，因此分析负反馈电路的重点是从电路中分离出反馈网络，并求出反馈系数

。为了便于研究和测试，人们还常常需要求出不同组态反馈放大电路的电压放大倍数。在深度负反馈的条件下，放大电路的增益表达式可近似为：10.5

深度负反馈条件下的近似计算例：设图所示电路满足的条件，试写出该电路的闭环电压增益的表达式。10.5

深度负反馈条件下的近似计算所示电路是一个多级放大电路，按负反馈组态判断方法可知，电路的反馈组态为电压串联负反馈，且满足深度负反馈的条件。，10.5

深度负反馈条件下的近似计算例：试写出该电路的闭环电压增益的表达式。判断：该电路是电压并联负反馈放大电路10.5

深度负反馈条件下的近似计算根据虚断概念有根据虚短概念有闭环电压增益10.6

负反馈放大电路的稳定问题负反馈可以改善放大电路的性能指标，但是负反馈引入不当，会引起放大电路自激，因此放大电路就不能稳定地工作。自激时，即使不加任何输入信号，放大电路也会产生一定频率的信号输出。这种现象破坏了放大电路的正常工作，应该尽量避免并设法消除。10.6

负反馈放大电路的稳定问题负反馈放大电路产生自激振荡的根本原因之一是的附加相移

10.6.1

自激振荡产生的原因

在电扰动下，如合闸通电，必含有频率为f0的信号，对于f=f0的信号，产生正反馈过程

输出量逐渐增大，直至达到动态平衡，电路产生了自激振荡。10.6.1

自激振荡产生的原因

在低频段或高频段，若存在一个频率f0，且当

f＝f0时附加相移为±π，则10.6

负反馈放大电路的稳定问题

由于电路通电后输出量有一个从小到大直至稳幅的过程，起振条件为幅值平衡条件相位平衡条件10.6

负反馈放大电路的稳定问题10.6.2

自激振荡稳定的条件①附加相移由放大电路决定;②振荡只可能产生在高频段。设反馈网络为电阻网络，放大电路为直接耦合形式。因没有满足相位条件的频率，故引入负反馈后不可能振荡。因没有满足幅值条件的频率，故引入负反馈后不可能振荡。对于产生－180º附加相移的信号频率，有可能满足起振条件，故引入负反馈后可能振荡。对于单管放大电路:对于两级放大电路:对于三级放大电路:10.6

负反馈放大电路的稳定问题10.6.3

负反馈放大电路稳定性分析什么样的放大电路引入负反馈后容易产生自激振荡？

三级或三级以上放大电路引入负反馈后有可能产生高频振荡；同理，耦合电容、旁路电容等为三个或三个以