电工电子技术课件 7-集成运算放大器

第7章负反馈与集成运算放大器7.1放大电路中负反馈7.2差分放大电路7.3集成运算放大器7.4集成运算放大器的应用7.1放大电路中的负反馈7.1.1负反馈的概念反馈是将放大电路输出信号(电压或电流)的一部分或全部，通过某种电路(反馈电路)送回到输入回路，从而影响(增强或削弱)输入信号的过程。输出回路反馈到输入回路的信号称为反馈信号。7.1.2反馈的类型及其判别1.判断有无反馈看放大电路中是否存在反馈网络，如果存在反馈网络，并由此影响了放大电路的净输入信号，则表明电路引入了反馈；否则电路中就没有引入反馈。2．正反馈和负反馈及其判别根据反馈信号对输入信号作用的不同，反馈可分为正反馈和负反馈两种类型。反馈信号加强了输入信号的，叫做正反馈；相反，反馈信号削弱了输入信号的，叫做负反馈。正、负反馈通常采用瞬时极性法来判别。首先假定输入信号的瞬时极性为正，然后确定输出信号的瞬时极性，再由输出端通过反馈网络送回输入端，确定反馈信号的瞬时极性(用“+”表示瞬时极件为正，用“-”表示瞬时极性为负)，最后判别反映到输入端的作用是加强还是削弱了输入信号。加强为正反馈，削弱为负反馈。3．直流反馈和交流反馈及其判别根据反馈信号的交直流性质，可分为直流反馈和交流反馈。可以通过判别反馈元件出现在哪种电流通路中，来确定是直流反馈还是交流反馈；若出现在交流通路中，则为交流反馈，若出现在直流通路中，则为直流反馈。直流负反馈常用于稳定静态工作点，而交流负反馈主要用于改善放大电路的性能。4．电压反馈和电流反馈及其判别根据输出端取样对象的不同，可分为电压反馈和电流反馈，如图7-10所示。如果反馈信号取自输出电压，称为电压反馈；反馈信号正比于输出电压，它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，反馈信号正比于输出电流，它取样的输出电路为串联连接。5．串联反馈和并联反馈及其判别根据反馈网络与基本放大电路在输入端的连接方式，可分为串联反馈和并联反馈，如图7-11所示。串联反馈的反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加，即基本放大电路的输入电压ud=ui－uf。并联反馈的反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加，即基本放大电路的输入电流id=ii－if

。7.1.3负反馈的四种组态1．电压串联负反馈2．电压并联负反馈3．电流串联负反馈4．电流并联负反馈7.1.4负反馈对放大电路的影响1．降低了放大电路的放大倍数，提高了放大倍数的稳定性2．减小非线性失真由于晶体管输入和输出特性曲线的非线性，放大电路的输出波形不可避免地存在一些非线性失真，这种现象叫做放大电路的非线性失真。从本质上讲，负反馈只能减小失真，不能完全消除失真，并且对输入信号本身的失真也不能减小。3．展宽通频带因为放大电路在中频段的开环放大倍数A较高，反馈信号也较大，因而净输入信号降低得较多，闭环放大倍数Af也随之降低较多；而在低频段和高频段开环放大倍数A较低，反馈信号较小，因而净输入信号降低得较少，闭环放大倍数Af也降低较少。4．改变输入电阻对于串联负反馈，由于反馈网络和输入回路串联，总输入电阻为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分串联相加，故可增大放大电路的输入电阻。5．改变输出电阻对于电压负反馈，由于反馈信号正比于输出电压，反馈的作用是使输出电压趋于稳定，使其受负载变动的影响减小，即使放大电路的输出特性接近理想电压源特性，故而可减小输出电阻。对于电流负反馈，由于反馈信号正比于输出电流，反馈的作用是使输出电流趋于稳定，使其受负载变动的影响减小，即使放大电路的输出特性接近理想电流源特性，故而可增大输出电阻。直耦放大电路的特殊问题——零点漂移零漂现象：产生零漂的原因：由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。输入ui=0时，，输出有缓慢变化的电压产生。uiRC1Rb1T1Rb2+VCCuoRC2T2Re2两级直接耦合放大电路7.2差动放大电路1、零点漂移7.2差动放大电路零点漂移也可以认为的是当放大器的输入端短路时，输出瑞还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离零点上下漂动的现象，简称“零漂”。根据分析减小零漂的措施：引入直流负反馈采用差分放大电路用非线性元件进行温度补偿2．差动放大电路(1)差动放大电路的基本结构差动放大电路(又称差分放大电路)的基本结构如图。

优点：能有效地克服零点漂移。（2）差动放大电路具有以下特点。1）电路具有对称性，即两个管子的所有参数相同，电子元件的阻值相同。2）输入信号分为差模输入信号和共模输入信号两部分。所以一般输入信号都可分解为差模输入信号和共模输入信号两部分。(3)差动放大电路抑制零点漂移和共模输入信号共模信号输入时，若电路完全对称，则输出电压为零(4)差动放大电路放大差模输入信号差模信号输入时，电路的两个输出电压大小相等，极性相反差模电压放大倍数Aud为3）放大器具有两个输出端，放大器的指出信号分为双端输出信号和单端输出信号两种。4）两个三极管工作在线性区7.3集成运算放大器7.3.1集成运算放大器组成集成运放的内部主要电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分。一般由各种恒流源电路构成，作用是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。通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。集成运放是一种多端电子器件，常用的集成运放µA741的管脚排列及集成运放的图形符号如图所示。各管脚用途如下：①输入和输出端：管脚2为反相输入端u-，管脚3为同相输入端u+，管脚6为输出端uo。②电源端：管脚7为正电源端+UCC，管脚4为负电源端﹣UEE。µA741的电源电压范围为±9~±18V。③调零端：管脚1和管脚5为外接调零电位器端，调零时要外接调零电位器，以保证在零输入时有零输出。国际符号：＋－uNuP

uoA国内符号：1.开环差模电压放大倍数Aud

：

无反馈时的差模电压增益。

一般Aud在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。

2.共模抑制比KCMR

：

KCMR=20lg(Aud/Auc)

(dB)

其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。

3.差模输入电阻Rid

：

双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。

7.3.2集成运算放大器的主要参数5.-3dB带宽fH表示Aud

下降3dB时的频率。即运算放大电路的通频带。6.单位增益带宽fcfc是使Aud下降到零分贝（Aud＝1，失去电压放大能力）时的信号频率。7.最大差模输入电压Uidmax反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。8.最大共模输入电压Uicmax输入端所能承受的最大共模电压。4.

输出电阻RO

：通常RO不大，在百欧姆数量级以下。理想情况下运放的输出电阻为0。

7.3.3集成运放的分析1.集成运放的两种工作状态在电路中，运放的工作状态只有两种，即线性工作状态和非线性工作状态。线性工作状态指的是运放电路的输出信号与输入信号成线性关系，而非线性工作状态指的是运放电路的输出信号与输入信号不成线性关系。运放的工作状态取决于外围电路的设计。2.集成运放的传输特性集成运放的传输特性是指描述其输出电压和输入电压之间关系的特性曲线。如图7-4所示，集成运放的传输特性可分为线性区和饱和区（非线性区）。3.理想集成运放理想集成运放满足下列条件：1)开环电压放大倍数Aud→∞；2)开环差模输入电阻rid→∞；3)开环差模输出电阻ro→0；4)共模抑制比KCRM→∞。5)失调电压、失调电流及它们的温漂均为0。4.理想集成运放的两个重要结论（1）集成运放工作在线性区1）集成运算放大器同相输入端和反相输入端的电位相等（虚短）。因为运放工作在线性状态时，其输出电压与输入电压之间满足关系式：这是由于理想运放的Aud→∞，而输出电压u。为有限值，所以有u+=u﹣

集成运算放大器同相输入端和反相输入端的电位相等，因此两个输入端之间好像短路，称为虚短2)集成运算放大器同相输入端和反相输入端的输入电流等于零（虚断）。由于理想运放的差模输入电阻rid→∞，可知流入两个输入端的电流为零。即理想集成运算放大器的两个输入端不从外部电路取用电流，两个输入端间好像断开一样，但又不能真正的断开，故这种现象通常称为虚断。(2)运放工作在非线性区1)输入电压u+与u-可以不等，输出电压uo不是正饱和就是负饱和。2）两个输入端的输入电流为零，即可见，在非线性区，“虚短”的概念不再成立，但“虚断”仍然成立。7.4集成运算放大器的应用7.4.1比例运算放大电路比例运算是指电路的输出电压与输入电压成正比例关系。分为反相比例运算电路和同相比例运算电路。1.反相比例运算电路输入信号ui经电阻R1加到集成运放反相输入端，同相输入端经电阻R2接地，输出电压uo经反馈元件Rf回送到反相输入端，引入了电压并联负反馈，因此该集成运放电路工作在线性区。根据集成运算放大器工作在线性区域的两条依据“虚短”（i＋≈i－≈0）和“虚断”（u＋≈u－），有上式表明，该电路的输出与输入之间符合比例运算关系，负号表示uo与ui相位相反，故称为反相比例运算电路。若取R1＝Rf，则Auf=-1，这时输出电压与输入电压数值相等、相位相反，即uo＝-ui，称此电路为反相器。例题:

R1=10k

,Rf=20k,ui=-1V。求:uo

、Ri。说明RP的作用，RP应为多大？特点：输出电阻很小,RO≈0；共模输入电压=0（uN=uP=0）缺点：输入电阻小（

Ri=R1）

RP为平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):RP=R1//Rf2同相比例运算电路根据集成运算放大器工作在线性区域时的两条依据：“虚短”（u+≈u-），“虚断”（i+≈i-≈0），可得：由式可见，uo与ui成正比且同相，故称此电路为同相比例运算电路。也可认为uo与ui之间的比例关系与集成运算放大器本身无关，只取决于电阻，其精度和稳定度非常高。Auf为正值，这表示uo与ui同相。且Auf总是大于或等于1，即只能放大信号，这点与反相比例运算电压跟随器电路不同。当图中的R1＝∞（断开）或Rf＝0时，则Auf＝uo/ui=1，输出电压与输入电压始终相同，这时电路称为电压跟随器。7.4.2加减运算电路1.加法运算电路利用“虚断”以及节点电流定律得同理，如果在同相比例运算电路的输入端增加若干输入电路，如图7-21所示，则构成同相加法运算电路，推导可得输出电压和输入电压关系为：其中，电阻间满足平衡条件R1=Ra∥Rb∥Rc=R″=R1∥Rf。例题:

如图所示两级运算电路，试确定输出电压与输入电压的运算关系。解：第二级为反相比例运算电路第一级为反相加法电路2.减法运算电路如果运放的两个输入端都有信号输入，则为差分输入。如图所示。根据叠加原理可知，uo为ui1和ui2分别单独在反相比例运算电路和同相比例运算电路上产生的响应之和，即例题:

设计一个运算电路，要求输出电压和输入电压的运算关系为u0=5ui2-10ui1解：可采用差动减法运算电路选Rf=100KΩ由由得得由得7.4.3微分和积分电路1.微分运算电路在反相比例运算电路中，将反馈电阻R1用电容C代替，就成了微分运算电路，如图所示。tui0tuo0例：,求uo。90°2积分运算电路微分与积分互为逆运算，只需将电容C和反馈电阻Rf互易位置即可。如图所示。反相积分器：如果u

i=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0-UomTM积分时间设Uom=15V,ui=+3V,

R=10k,C=1F求积到饱和值的时间：应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo0练习:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。tui0212345tuo0-2-4-67.4.4电压比较器

1.简单电压比较器简单电压比较器通常采用开环形式构成，其阈值电压UTH为某一固定值。当输入电压加在运放的