差动放大电路及运算放大器课件

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集成運算放大器u-u0中間級輸出級置路

偏電u+ui輸入級4.1.1概述

集成運放是具有高開環放大倍數並帶有深度負回饋的多級直接耦合放大電路。上頁下頁返回

集成運放的組成框圖翻頁積體電路的特點上頁下頁

在積體電路工藝中還難於製造電感元件和大容量電容，因此集成運放主要採用直接耦合。

運算放大器的輸入級採用差分放大電路，其特點是輸入電阻高、抗干擾能力強、零漂小。

在集成運算放大器中往往用電晶體恒流源代替電阻。

積體電路中的二極體都採用電晶體構成，把發射極、基極、集電極三者適當組配使用。返回翻頁序:直接耦合方式及其存在問題

4.1.2集成運放的輸入級電路差分放大電路上頁下頁返回翻頁RRB1C1uiuoTT12UCE1+UCCE2RRC2－－++

前、後級靜態工作點的相互影響

當放大器的輸入電壓ui

=0時，其輸出電壓uO往往不為常數，稱這種現象為放大器的零點漂移。

差分放大電路能很好地抑制零點漂移。tu0o

出現零點漂移的原因：多級直接耦合放大器的放大倍數很高。輸入級由於管子特性、參數隨溫度變化等因素引起輸出電壓很大的變化，從而導致整個放大器無法正常工作。上頁下頁返回翻頁直接耦合放大器的零點漂移上頁下頁返回翻頁恒流源的組成：工作原理：設iC3iB3iC3UR2UBE3（

UB3

固定）R1、DZ、T3、R2ToCiC1iC21.典型差分放大電路對零漂的抑制+UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+－－+－uiui1++－UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02++－－E+－u0－UEER1RRRBiC1iC1大小相等、極性相反上頁下頁返回翻頁2.差分放大電路對差模信號的放大作用

差模輸入：ui1=－ui2

大小相等、極性相反ui1=—2ui2ui，ui2

=-

—+UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+－－+－uiui1++－UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02++－－E+－u0－UEER1RRRB上頁下頁返回翻頁uO=－uO2uO1=

Au1ui1=Au1（ui1

-ui2）雙端輸出時差模信號電壓放大倍數uiAdAu1=uO=ui2Au2－輸出

uO

=

－uO2uO1差模輸入

ui1

ui2

，ui=－=uiAu1RCRCT1T2C1C2ui2+－－+－uiui1+u01u02++－－E+－u0RL2RL2差分放大電路的交流通路

上頁下頁返回翻頁共模輸入：輸出

uo1C=

uo2CKCMR=——

AdAc共模抑制比大小相等，極性相同。ui1=ui2

雙端輸出時Auc=————≈0uiCuO1C－uO2C3.差分放大電路的共模放大倍數

+UCCRBRLRCRCT1T2C1C2ui2+－－+－uiui1++－UZR2T3B3iB3iC3DZu01u02++－－E+－u0－UEER1RRRB單端輸入-單端輸出上頁下頁4.差分放大電路的輸入－輸出方式

雙端輸入-單端輸出單端輸入-雙端輸出返回翻頁+UCCRCT1T2+_uiUEE_IS+_u0RLRCRBRBu0+_ui+_RCRC+UCCRBRBISUEE_u0+_uiRCRC+UCCRBRBISUEE_+_4.1.3

集成運放的輸出級電路互補對稱電路+UCCR1R2RLT1T2BiC1iC2uOiO－UCC特點：T1和T2兩個電晶體特性相同且輪流導通，提高輸出功率。

互補對稱電路結構對稱，采用正負對稱電源，靜態時無直流電壓輸出，負載可直接接到發射極，實現了直接耦合。電路為射級輸出器，輸出電阻小，帶負載能力強。上頁下頁返回翻頁R3uiB2B1++－－D1D24.1.4集成運放的符號、管腳－＋＋

反相輸入端u－u＋

同相輸入端信號傳輸方向ui輸出端理想運放開環電壓放大倍數ou實際運放開環電壓放大倍數上頁下頁返回本節結束AO1.電壓傳輸特性上頁下頁返回4.2集成運放的基本特性uo0uiUOM–UOM

uo=

f

(

ui

),其中ui

=u＋

–

u

－

Ui–Ui+線性區<uiUi–Ui+<uo=A0ui=A0（u+–u－）ui>Ui+和uiUi-<飽和區uo=+–UOM翻頁ou＋－＋u–u+AO2.集成運放的理想特性理想化的條件：開環電壓放大倍數AO∞;差模輸入電阻ri開環輸出電阻

rO共模抑制比KCMRR∞;0;∞;上頁下頁返回翻頁－＋＋u－u＋ouAO集成運放的理想電壓傳輸特性0uouiUO+理想運放上頁下頁返回ou＋－＋u–u+uo0uiUo+U0

-Uim–Uim實際運放翻頁UO-4.3理想運放的分析特點

理想運放對於理想運放Ao,ri,“虛短路”原則（2）“虛斷路”原則（1）u

uouiu=Ao=–-+上頁下頁返回

理想運放工作線上性區的分析依據uiuO_++u-u++i-uiuO+_i+

0i-=i+=0uiri

i-=i+=u-u+=翻頁當u+>u-時，u0=UO+iiuO+rid+輸出電壓u0只有兩種可能：當u+<u-時，u0=UO－“虛斷”的條件原則上仍成立，即ii≈0“虛短”原則上不成立，即u+和u-不一定相等！上頁下頁返回

理想運放工作在非線性區的分析依據uiuO_++u-u+本節結束上頁下頁返回4.3.1回饋的基本概念4.3.2負回饋的四種類型4.3.3負回饋對放大電路性能的影響4.3

集放大電路中的負回饋4.3.1回饋的基本概念AFxoxixd

xfxi

—輸入信號xd

—淨輸入信號xo—輸出信號xf

—回饋信號無回饋有回饋方框圖A=

xo

/

xd開環放大倍數F=

xf

/

xo回饋係數負回饋xd=

xi

–

xf

(同相)閉環放大倍數xoAf

=—

xi

回饋：將放大電路輸出信號的一部分或全部經回饋網路引回輸入端。上頁下頁返回翻頁4.3.2負回饋的四種類型電壓串聯負回饋電壓並聯負回饋電流並聯負回饋電流串聯負回饋負回饋的類型上頁下頁返回翻頁

放大電路的負回饋，按照回饋信號反映的輸出量（電壓或電流）和回饋電路與輸入回路的聯接方式（串聯或並聯），可分為四種基本類型，如下方框圖所示。上頁下頁返回翻頁上頁下頁返回翻頁（一）電壓串聯負回饋同相輸入方式的比例、加法運算電路都屬於電壓串聯負回饋放大電路。以同相比例運算電路為例，其輸出端接有負載電阻RL。在輸入回路中，而故則上頁下頁返回翻頁顯然，ri>>rid。（二）電壓並聯負回饋反相輸入方式的比例、加法運算電路都屬於電壓並聯負回饋放大電路。以反相比例運算電路為例，其輸出端接有負載電阻RL。即輸入電阻ri只取決於外接電阻R1。上頁下頁返回翻頁（三）電流串聯負回饋如圖所示電壓—電流轉換器是具有電流串聯負回饋的運放電路。上頁下頁返回翻頁若轉換器的負載是一塊毫安培表，錶針偏轉角將與輸入電壓（即待測電壓Ux）成正比，整個運放電路就是一個直流電壓表。上頁下頁返回翻頁如果轉換器的輸入電壓取自恒壓源，如取自穩壓管的電壓UZ，其輸出電路就是一個恒流源，輸出電流為定值（四）電流並聯負回饋上頁下頁返回翻頁電壓串聯負回饋在輸出端，F與A相並聯,

uf與uo成正比，為電壓回饋；在輸入端,

uf

與ui

相串聯（以電壓的形式）為串聯回饋；ud=

ui

–uf

<

ui，為負回饋。淨輸入信號上頁下頁R1Rf+uiR2_uf+_uo_+RLuLFA0uiudufuo+-

ui

–uf返回翻頁同相輸入電路AOR1uiR2+_RLuo_+uL判斷是電壓還是電流回饋？uf與uo成正比，fRuf+_uf=u0R1+Rf因為，為電壓回饋判斷是串聯還是並聯回饋？從輸入端分析：uf

與ui

相串聯,-ud+ud=

ui

–uf上頁下頁返回翻頁從輸出端分析：id~+_uf+_uduf

以電壓的形式出現。為串聯回饋~+_uiid=0AOR1uouiR2+__+RLfRuf+_-ud+判斷是正回饋還是負回饋？回饋類型的判別——暫態極性法首先設輸入電壓的極性在某一瞬時對地為正；最後根據同一暫態回饋電壓與輸入電壓相比較的結果加以判斷

然後找出電路其餘各點的暫態極性；由上述結果可知：引入回饋後使淨輸人電壓減小，為負回饋。上頁下頁返回翻頁+_ud~+_uf~+_uiud=

ui

–uf<uiAO該例為電壓串聯負回饋電路在輸入端,

信號以電流出現,

if與ii相並聯,為並聯回饋；id=

ii–

if<

ii

，為負回饋。淨輸入信號在輸出端，

if與uo成正比,

為電壓回饋；if上頁下頁電壓並聯負回饋RLuiuoRfR2R1ii反相輸入電路_+uL返回翻頁FA0uiuo+-iiifii–ifidAORLuiuoRfR2R1ii反相輸入電路_+uLif判斷是電壓還是電流回饋？u-if=u-_u0Rf因為所以為電壓回饋。判斷是串聯還是並聯回饋？信號以電流出現,

if與ii相並聯,為並聯回饋；判斷是正回饋還是負回饋？+_idid=

ii–

if<

ii

，為負回饋。淨輸入信號該例為電壓並聯負回饋電路上頁下頁返回翻頁-u0Rf暫態極性法AO=3.電流串聯負回饋ud=

ui

–uf

<

ui

，為負回饋。淨輸入信號在輸入端,信號以電壓形式出現,uf與ui相串聯,為串聯回饋；在輸出端，uf與io成正比，為電流回饋；i0ＲbＲＲL上頁下頁返回翻頁udui++uLioFA0uiuduf+-

ui

–uf––uf+–AO在放大器輸入端,

信號以電流出現,

if與id相並聯,為並聯回饋；id=

ii–if<

ii

，為負回饋。淨輸入電流在放大器輸出端，

if與io成正比，為電流回饋；4.電流並聯負回饋上頁下頁返回翻頁FA0io+-iiifii–ifid上頁下頁返回翻頁RL++i0uLRfR2R1iiidifRbui++--iiL運用暫態極性法判別正、負回饋？各點的暫態極性u0各電流的實際方向id淨輸入電流id=

ii–if<

ii

，為負回饋。電壓還是電流回饋？R2+Rfif=i0R2,判斷是串聯還是並聯回饋？該例為電流並聯負回饋電路RLuLRfR2if+-ii0~+_uiid_ii~+_u0´if+~~AO上頁下頁返回翻頁負回饋類型的分析方法小結——暫態極性法正、負回饋的分析

第一步：找出電路各點的暫態極性第二步：將回饋信號與輸入信號相比較id=

ii–if<

ii

ud=ui

–

uf<ui削弱淨輸入信號——負回饋串聯還是並聯回饋從輸入回路分析回饋信號與輸入信號相串聯加到輸入端

串聯負回饋（以電壓形式出現）回饋信號與輸入信號相並聯加到輸入端

並聯負回饋（以電流形式出現）Rf+_R1R2uf+_u0ui~+_uf+_ud~+_uiRf+_R1R2u0uiiiifAO~+_uiid_ii~+_u0´if+~~上頁下頁返回翻頁電壓還是電流回饋從輸出回路分析Rf+_R1R2u0uiiiif回饋信號（）與輸出電壓u0

或ufif

電壓負回饋直接成比例關係回饋信號（）與輸出電流

i0

或ufif

電流負回饋直接成比例關係Ｒ’ＲF+-+-i0ＲLuiufRfUif=Rf-u0uf=i0RfAOAO[例題4.3.1]回饋類型的判別uiA1A2ufuoRFRL在輸入端：ud

=ui-uf<ui為負為回饋ud——暫態極性法u01+++上頁下頁返回翻頁AOAO

串聯、並聯回饋判別——在輸入回路中分析uiA1A2ufuoRFuf以電壓形式出現且與ui相串聯接在輸入端，故為串聯回饋udu01+++上頁下頁返回翻頁AOAO

電壓、電流回饋判別——在輸出回路中分析uiA1A2ufuoRF回饋電路直接從輸出端引出，

uf與uo成正比為電壓回饋udu01+++Rf引入電壓串聯負回饋上頁下頁返回翻頁AOAO

試判別圖示電路中回饋的類型和極性uiA1A2iiuoRFu01++ioidifRL利用暫態極性法判別正、負回饋為負回饋在輸入回路中分析串聯、並聯回饋並聯回饋在輸出回路中分析電壓、電流回饋電流回饋上頁下頁返回翻頁所以，RF引入了電流並聯負回饋[例題4.3.2]AOAOAFxoxixdxf

4.3.3負回饋對放大器性能的影響提高放大倍數的穩定性設開環放大倍數的相對變化率為dA/AAf=A1+AF，對A求導得dAfdA=11+AF－AF(1+AF

)2=1(1+AF)2，dAf=dA(1+AF

)2dAfAf=dA/A(1+AF

)21+AF=dAA.11+AFdAfAf=dAA1.1+AF上頁下頁返回翻頁閉環放大倍數的相對變化率為dAf/AfAFxoxixdxf

0.707A0AfffLfH2.擴展通頻帶AAfA00.707AffLffHfBWf

1

AF

BW加入負回饋使放大器的通頻帶展寬0無負回饋有負回饋上頁下頁返回翻頁BWBWf

對於集成運放則有：fLf

=

fL

=0ufuiuiuo負回饋改善了波形失真A3.減小非線性失真加入負回饋無負回饋FAuoud上頁下頁返回翻頁4.對輸入電阻輸出電阻的影響輸入電阻串聯負回饋提高輸入電阻rif>ri並聯負回饋降低輸入電阻rif<ri輸出電阻電壓負回饋穩定輸出電壓，所以電壓負回饋降低輸出電阻，rof<ro電流負回饋穩定輸出電流，所以電流負回饋增加輸出電阻，rof>ro上頁下頁返回本節結束上頁下頁返回4.4

集成運放在模擬信號運算方面的應用4.4.1

比例運算電路4.4.2

加、減運算電路4.4.3

積分、微分運算電路4.4.1比例運算電路1、反相輸入比例運算電路uiuoi1ifi－RfR1R2Rf引入深度負回饋並聯電壓負回饋R1－輸入電阻Rf－回饋電阻R2－平衡電阻R2=R1//R1上頁下頁返回i＋翻頁反相輸入運算關係uiuoi1ifi-RfR1R2“虛斷路”

i-=

0uif

=

–—oRfi1

=ifAf

=

—=–—u0uiRfR1——反相比例

當Rf=R1=R時u0Af

=

—

=–1ui——反相器上頁下頁返回翻頁“虛地”u-=u+=0uii1

=

—–R1，ui

—–R1u=

–—oRf輸入電阻低反相比例器引入並聯電壓負回饋輸出電阻低反相比例器的特點

上頁下頁返回翻頁uiuoi1i-RfR1R2if2、同相輸入比例運算電路RfR1R2ui1if同相比例運算電路uu

=

——–o

-R1R1

Rf+u-u=+故有：

Auf

=

uoui

=

1+

RfR1——同相輸入比例器u上頁下頁idu+u_返回翻頁id

＝

0=uiuu

=

——–o

iR1R1

Rf+o

=

1+

ui

Rf

R1uoi同相輸入比例器的特點

同相輸入比例器屬於電壓串聯負回饋電路。輸入電阻高在理想運放的情況下，輸入電阻：ri＝∞輸出電阻低在理想運放的情況下，ro＝0RfR1R2uoi1if同相比例運算電路ui上頁下頁返回翻頁電壓跟隨器當R1=∞或Rf=0時uo

=ui同相跟隨器uiR2uoRfR1R2uoi1if同相比例運算電路ui上頁下頁返回翻頁

=

1+

ui

Rf

R1uo4.4.2加、減運算電路1、加法運算電路fu

obui1

ui3ui2

i1i2i3if1ＲＲ3ＲＲＲ2上頁下頁Rb=R1

//R2

//R3

//Rf

反相加法運算電路返回翻頁ui1

fu

obui3ui2

i1i2i3if1ＲＲ3ＲＲＲ2

u

=–(

+

+

)

ui2

oui1

ui3

RfRfRfR1R2R3i-因i-=0，故i1+i2+i3=if即ui1u-——R1ui2u-——R2+ui3u-——R3+u0——Rfu-=u_u_又——“虛地”上頁下頁返回翻頁運算關係其中

R

=

R21

R22

R

上頁下頁返回翻頁

uO

=

1+

R

+

RfR1R21ui1R22ui2

ui1－u+R21+ui2－u+R22

=u+Rf211uoui1ui2ＲＲＲＲ22Ｒ同相加法運算電路ui2ui1u+=R21R22+R21R22R1

+1+1

RfuO

=

1+

R1u+ui1ui2u+=R

+

R21R22

=

1+

ui2

uoRfR1R2

+

R3R3-

ui1RfR1上頁下頁2、減法運算電路差動比例運算電路返回翻頁因i-=0，u_=ui1_i1R1i1=if=ui1_u0R1+

Rfui1=_.R1ui1_u0R1+

Rfui1ui2u+=ui2R3R2+

R3u_=u+u0R3RfR1R2i-u_u+ifi1uoR1R2R3ui2ui1Rf

=

1+

ui2

uoRfR1R2

+

R3R3-

ui1RfR1當R1=Rf=R2=R3時u0=

ui2－ui1—減法運算電路上頁下頁返回翻頁R

11ui121132212N2N1uof1uRRRRRRi2f2uo=

—–

•

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12f1f2f2上頁下頁

兩級反相輸入減法運算電路返回翻頁R1uoi1uiCif

duCdt

C

—–iC

=依據

u-=u+

…虛地R2i1=if，uR1i1

=——,iif

=

－C——dtdu0=

–

——–uoC

R1１uidt∫得:上頁下頁4.4.3積分、微分運算電路返回翻頁積分運算電路

輸入為階躍電壓時積分器的輸入輸出波形

uidt=

–

——uo

CR1１∫0tUR1C

=–——

totuo

otuiU上頁下頁返回翻頁R1uoi1uiCifR2uuOiC

duidtuo=

–

Rf

C

–—uouiＲ2Ｒf輸入與輸出的關係式為若輸入為方波則輸出波形為上頁下頁返回翻頁微分運算電路i1if應用舉例：PID調節器Cf21uouiC1ＲfＲＲ依據虛斷和虛短原則if=i1+ic1Cfuo

=-(ifRf

+∫ifdt)duiu

=

–

[(

+

)

+RfC1–—

+

——∫ui

dt

]

oRfR1C1CfuidtR1Cf1ici1if上頁下頁返回i1

=iC

=C1

dui

dtuiR1，本節結束4.5集成運放在幅值比較方面的應用4.5.1開環工作的比較器*4.5.2

滯回比較器上頁下頁返回4.5.1開環工作的比較器UOH-UOLuiuo0UDUR0uiuoUZR1R2RDzuOuiuRR1R2uouiuRUR上頁下頁返回翻頁

反相輸入比較器

同相輸入比較器R1R2UOH-UOLttUOHUOL000uiuouOuiuo反相輸入過零比較器上頁下頁返回翻頁uiUZ–UZ–

—URR1R2R2R3R1URDzUZ0uiuouOui上頁下頁返回翻頁

輸入求和型任意電平比較器因為

u+=0u-

=——ui

-UR

R1+R2R2+UR設

u-

=0，則有：uiR2+UR

R1=0轉折電壓：ui=–

—URR2R1R1R2R3RfDzuOuiUZUZ-UZUTLUTH0uiuo上頁下頁*4.5.2滯回比較器

返回翻頁過零滯回比較器R1R2uOuiR3RfDzUZtUTHUTL0tUZ-UZ0UZ-UZUTLUTH0uiuoui上頁下頁返回翻頁滯回比較器應用R1R2uOuiR3RfDzUZuiUZ-UZ0UTLUTHU'RU'R

=———URR2

+RfRf上頁uR返回

反相輸入滯回比較器uO下頁本節結束上頁下頁返回翻頁*4.6應用舉例應用集成運放構成的溫度監測控制電路結構框架如下：

溫度感測器將溫度變化轉化為電壓，將此電壓與限定溫度範圍內的電壓上限和下限值比較，以控制加熱器加熱或停止加熱，使被控溫度保持在一定的範圍內。溫度感測器電壓變換和定標

滯回比較器控制執行電路

監測溫度下限值為0℃

，要求對應顯示的輸出電壓為0V；上限值為100℃

，要求對應顯示的輸出電壓為10V。上頁下頁翻