电工与电子技术（第2版）课件 第11章 集成运算放大器

第11章

集成运算放大器本章内容11.1集成运算放大电器的简介11.2集成运算放大器的线性应用11.3集成运算放大器的非线性应用11.4集成运算放大电路中的负反馈11.1集成运算放大电器的简介

集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路

是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上,组成一个不可分的整体。集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟1.元器件参数的一致性和对称性好；2.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；3.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；4.二极管多用三极管的发射结代替。集成运算放大器的特点：11.1.1基本组成输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器

。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。

偏置电路:

一般由各种恒流源等电路组成输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。反相输入端同相输入端信号传输方向输出端实际运算放大器开环电压放大倍数集成运算放大器的管脚和符号1和5为外接调零电位器的两个端子；8为空脚。11.1.2传输特性表示输出电压和输入电压之间的曲线称为传输特性曲线，运算放大器的传输特性曲线如图所示。运算放大器的传输特性曲线可分为线性区、正饱和区、负饱和区三个部分。在线性区有11.1.3主要参数共模抑制比KCMRR共模抑制比反映了运算放大器对共模信号放大能力的抑制能力。差模输入电阻——越大越好输出电阻——反映了其带负载能力，越小越好2.最大输出电压UOM

能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。1.开环电压放大倍数Auo

运算放大器没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Auo愈大，运算精度越高，一般在。11.1.4集成运算放大器的理想模型1.开环电压放大倍数

2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比

由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。

在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。1.理想化的主要条件：

u+–u–

uo线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区：

u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

2.理想化的电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O理想运算放大器图形符号Uo(sat)与运算放大器的电源电压有关,一般较电源电压低1~2V。3.理想运算放大器工作在线性区的特点因为uo

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–

,称“虚短”(2)输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性

u+–u–

uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O因为“虚短”、“虚断”两条结论是分析集成运算放大器线性应用的两条重要依据。应用“虚短”和“虚断”，可使运算电路的分析变得非常简单，其分析一般可分为如下几步：第1步，利用“虚断”，求得同相输入端的电压第2步，利用“虚短”，直接得到反相输入端的电压第3步，利用“虚断”，对反相输入端子列写KCL方程，建立输入和输出电压之间的等式；第4步，求解方程得到输出电压。11.2集成运算放大器的线性应用集成运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。

集成运算放大器工作在线性区时，可以实现比例、加法、减法、积分、微分、指数和对数等运算，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。

改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。11.2.1比例运算电路1.反相比例运算电路

跨接在输出和反相输入端之间，形成负反馈，确保运算放大器工作在线性区。分析步骤：第1步，由虚断

有；第2步，由虚短，有

；第3步，由虚断，对反相输入端列KCL方程，有，得第4步，解方程可得输出和输入之间成比例关系，同时相位相反，故称之为反相比例运算电路。平衡电阻R2=R1//Rf电路的闭环放大倍数为：当

时，称为反相器。(5)电压并联负反馈,输入、输出电阻低,ri=R1。共模输入电压低。结论：(1)Auf为负值，即uo与ui

极性相反。为反相比例运算放大器；(2)Auf

只与外部电阻R1、RF

有关,与运算放大器本身参数无关。(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。(4)因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。2.同相比例运算电路输入信号从同相输入端输入便可得到同相比例运算电路。分析步骤：第1步，由虚断

有；第2步，由虚短，有

；第3步，由虚断，对反相输入端列KCL方程，有，得第4步，解方程可得输出和输入之间成比例关系，同时相位同相，故称之为同相比例运算电路。平衡电阻R2=R1//Rf电路的闭环放大倍数为：称为电压跟随器。当

时，或时(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。结论：(1)Auf为正值，即

uo与ui

极性相同。因为ui加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运算放大器本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。【例1】试计算下图所示电路中的输出电压

的大小。【解】首先应用虚断，可得：由电压跟随器可得输出电压：【例2】电路如图所示，已知输入电压

，求uo大小。【解】第一级为电压跟随器，输出第二级为反相比例，有11.2.2加法运算电路1.反相加法运算电路利用虚短和虚断，有对反相输入端列结点电压方程，有→

平衡电阻：

R2=R1

//R2

//R3//RF2.同相加法运算电路该电路的输出电压和同相

输入端电压之间满足由虚断，对同相输入端列结点电压方程，有可以得到输出电压11.2.3减法运算电路分析方法1：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。平衡电阻：

R1=R2

，R3=RF

缺点：比例系数调节不方便。

用差分输入方式构成的减法运算电路的输入电阻较低。为了提高减法运算电路的输入电阻，可采用双运算放大器同相输入减法运算电路。uo由虚断可得：由虚短可得：分析方法2：

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量放大电路【例3】同相串联的减法运算电路。

该电路具有极高的输入电阻，又可实现两信号相减的运算电路。解：【例4】电路如图所示两级运算电路，试求输出电压uo【解】第一级运算电路为

反相求和运算，有第二级为减法运算电路，有11.2.4微分运算电路利用虚短和虚断当输入信号是方波信号时，且满足（T为方波信号的周期），输出为尖顶波。【例5】如图所示电路中，试求输出电压uo的表达式。【解】由“虚断”、“虚短”有：第一项为比例运算部分，第二项为微分运算部分，该电路可实现比例（P）-微分（D）运算。11.2.5积分运算电路在微分电路中，将电阻和电容交换位置，便可得到积分电路。利用虚短和虚断，有输出信号是输入信号的积分运算。在积分运算电路中，当输入信号是方波信号时，输出为三角波。如图所示，可实现方波-三角波的变换。比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分

控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器ifiRiC【例6】如图所示电路中，试求输出电压uo的表达式。【解】由“虚断”、“虚短”特性有：电路中含有比例、积分、微分运算，称为PID调节器。比例-积分-微分运算电路

PID调节器是一种常见的控制电路，调节器的任务是将一定物理量(被调节参数X)调节到预先给定的理论值(或称而定支W),并克服干扰的影响保持这一值。—PID调节器11.3集成运算放大器的非线性应用

集成运算放大器非线性应用的基本电路是电压比较器。电压比较器的功能是比较两个输入端电压的大小来决定输出结果，常用于模拟电路和数字电路的接口电路，在测量、通信和波形转换方面应用广泛。集成运算放大器工作于非线性时，其分析方法为：（1）当

时，输出正饱和电压

；（2）当

时，输出正饱和电压

；（3）虚断。运算放大器的输入端电流为零。11.3.1电压比较器如图所示电路为基本的单限电压比较器。当时，当时，阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。单限比较器主要用于波形变换、整形及电平检测等电路。【例】电路如图所示，参考电压

运算放大器的饱和压降为

，输入电压为正弦电压，其波形图如图所示，试画出输出信号的波形。【解】运算放大器为有参考电压的电压比较器，当输出为负饱和电压；，当输出为正饱和电压：。输出为方波信号。11.3.2限幅比较器在比较器的输出端接入二极管或稳压管便可构成限幅度比较器。如图所示为单限幅比较器。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

0，uo

=UZ

ui

>

0，uo

=-Uo(sat)11.3.3滞回电压比较器电路上门限电压下门限电压当uo=+Uo(sat)，则当uo

=–Uo(sat)，则RF门限电压受输出电压的控制

电路中引入正反馈(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。上门限电压U'+

：ui逐渐增加时的门限电压下门限电压U"+：ui

逐渐减小时的门限电压两次跳变之间具有迟滞特性—滞回比较器回差：

优点：

1.改善了输出波形在跃变时的陡度。

2.回差提高了电路的抗干扰能力,

U越大,抗干扰能力越强。调节RF

或R2

可以改变回差电压的大小。【解】

(1)

求上、下门限电压【例】电路如图所示，若RF

=20k

，R2=10k

，

Uo(sat)

=±6V，输入电压ui=3sin314t，试画出对应的输出电压u0波形。下门限电压上门限电压【解】(2)电压传输特性及输出电压u0波形输入、输出电压波形【例】电路如图所示，若RF

=20k

，R2=10k

，

Uo(sat)

=±6V，输入电压ui=3sin314t，试画出对应的输出电压u0波形。【例】电路如图所示，参考电压

，电阻

输入电压ui的波形图如图所示，试画出输出信号uo的波形。【解】由已知条件可知，该电路为滞回电压比较器电路，其输出电压的高低电平分别为其阈值电压为由此可画出其电压传输特性曲线如图所示。由输出曲线可以看出，当输入信号中的干扰信号不超过滞回宽度时，输出电压稳定，其抗干扰能力强。当时输出当时输出当时输出保持不变。11.4集成运算放大电路中的负反馈11.4.1反馈的基本概念

反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路引回到输入端。反馈电子电路中得到广泛应用。通过RE将输出电流反馈到输入通过RE将输出电压反馈到输入(b)有反馈放大电路(a)无反馈放大电路电子电路方框图反馈电路比较环节基本放大电路

无反馈作用的放大电路，信号是单向传递，即只有从输入端向输出端的传递信息。

有反馈作用的放大电路，信号双向传递，既有从输入端向输出端的传递信息，又有从输出端向输入端的传递信息。因此，反馈放大电路是一个闭环电路。电子电路方框图净输入信号：

若三者同相，则Xd=Xi-Xf,即Xd<Xi,此时,反馈信号削弱了净输入信号,电路为负反馈。

若Xd>Xi

，即反馈信号起了增强净输入信号的作用则为正反馈。

—净输入信号—反馈信号—输出信号

—输入信号反馈极性的判别—瞬时极性法4.若反馈信号与输入信号加在同一输入端(或同一电极)上，

两者极性相反时，净输入电压减小,为负反馈；反之，极性相同为正反馈。

3.若反馈信号与输入信号加在不同输入端(或两个电极)上，

两者极性相同时,净输入电压减小,为负反馈;反之，极性相反为正反馈。

1.设定输入信号的极性(或称瞬时极性)。

以上分析法是从输入信号设定的瞬时极性开始的,因此，称瞬时极性法。2.在这样的信号的作用下,分析电路中各级输出电压和电流是增(用表示)还是减(用表示)。

－+–uf+–ud设输入电压ui为正，差值电压ud=ui–

uf各电压的实际方向如图uf减小了净输入电压(差值电压)

——负反馈

例1：uoRFuiR2R1+–++

–

+–【例】设输入电压ui为正，差值电压ud=ui+

uf各电压的实际方向如图uf增大了净输入电压

——正反馈

–+uf–+ud

在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。

在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。－－【例】设输入电压ui为正，差值电压ube=ui–

uf各电压的实际方向如图

交流通路+–uf+–ubeie交、直流分量的信号均可通过RE，所以RE引入的是交、直流反馈。如果有发射极旁路电容，RE中仅有直流分量的信号通过，这时RE引入的则是直流反馈。引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点－

若反馈信号中只含有直流信号，为直流反馈；若反馈信号中只包含交流信号，为交流反馈；若反馈信号中即包含直流信号又包含交流信号，为交直流反馈。

通常，若反馈通路中串联了隔断直流的电容元件，则为交流反馈；若反馈通路中存在并联的交流接地电容，则为直流反馈；若不存在电容元件，则为交直流反馈。交流负反馈3.电压反馈和电流反馈

将输出电压的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电压反馈，即

将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电流反馈，即

描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式，即反馈网络的取样对象。一般，若反馈信号取自输出端，为电压反馈，若反馈信号取自非输出端，为电流反馈。4.串联反馈和并联反馈

描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式，即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。--串联负反馈--并联负反馈+_负反馈通常，在输入端，若输入信号与反馈信号通过电压形式比较得到净输入信号，为串联反馈，若输入信号与反馈信号通过电流形式比较得到净输入信号，为并联反馈。5.

四种反馈组态电压串联负反馈电流串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈11.4.2负反馈类型的判断负反馈的判断包含直流反馈和交流反馈的判断、正反馈和负反馈的判断、电压反馈和电流反馈的判断、串联反馈和并联反馈的判断等内容。1.电压串联负反馈

设输入电压ui为正，差值电压ud=ui–

ufuf削弱了净输入电压(差值电压)

—负反馈反馈电压取自输出电压—电压反馈反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较

—串联反馈各电压的实际方向如图2.并联电压负反馈－

设输入电压ui

为正，差值电流id=i1–

if各电流实际方向如图if削弱了净输入电流(差值电流)

—负反馈反馈电流取自输出电压—电压反馈i1if

id(b)方框图(a)电路3.串联电流负反馈+–uf–+ud设输入电压ui

为正，差值电压ud=ui–

uf各电压的实际方向如图uf削弱了净输入电压(差值电压)

—负反馈反馈电压取自输出电流—电流反馈

反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较

—串联反馈

uf=Rio(a)电路(b)方框图

特点:输出电流io与负载电阻RL无关—同相输入恒流源电路或电压—电流变换电路。4.并联电流负反馈设输入电压ui

为正，差值电流id=i1–

if各电流的实际方向如图if削弱了净输入电流(差值电流)—负反馈反馈电流取自输出电流—电流反馈反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较

—并联反馈－

(a)电路(b)方框图i1ifid4.并联电流负反馈i1ifid特点：输出电流io与负载电阻RL无关

——反相输入恒流源电路运算放大器电路反馈类型的判别方法：1.反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈；

2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端(同相和反相)上的，是串联反馈；加在同一个输入端(同相或反相)上的，是并联反馈；

3.对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈；

4.对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，是负反馈；否则是正反馈。【例1】试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。uf+–

因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出,所以是电压反馈；

因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以是串联反馈；因输入信号和反馈信号的极性相同,所以是负反馈。－

－

串联电压负反馈

【解】先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；【例2】试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。

解：因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是电流反馈；

因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上,所以是并联反馈;

因净输入电流id等于输入电流和反馈电流之差,所以是负反馈。

－

并联电流负反馈

i1ifid【例3】判断图示电路中的负反馈类型。【解】RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；RE1对本级引入串联电流负反馈。RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。【例3】判断图示电路中的负反馈类型。RE1、RF引入越级串联电压负反馈。－+－+

【解】T2集电极的

反馈到T1的发射极,提高了E1的交流电位，使Ube1减小，故为负反馈；反馈从T2的集电极引出，是电压反馈；反馈电压引入到T1的发射极，是串联反馈。【例4】如果RF的另一端不接在T1的发射极，而是接在它的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈？【解】T2集电极的

反馈到T1的基极，提高了B1的交流电位，使Ube1增大，故为正反馈；

这时RE1、RF引入越级正反馈。－+－+

RF2(R1、R2):

直流反馈（稳定静态工作点）RF、CF:

交流电压并联负反馈(a)RF1、RE1:交直流电压串联负反馈+––+++––【例5】RE2:

直流反馈【例】试分析图所示多级放大电路中的级间反馈类型。【解】对图(a)前级B和后级A之间通过反馈元件R4连接，存在反馈。此反馈通路对直流和交流信号均可传递，是交直流反馈。应用瞬时极性法，当输入信号为＋时，通过反馈后得到的净输入信号将被削弱，故是负反馈。反馈信号是从非出输出获得，为电流反馈，反馈回到输入端时，是以电压进行比较的，为串联反馈，故该反馈类型为电流串联负反馈。【解】对图(b)，前级和后级间有两条级间反馈通路，

和

。其反馈信号

取自输出端，故为电压反馈；在输入端，反馈信号与输入信号以电压形式