汽車電工電子技術(shù)第

1、孫樂春孫樂春汽車工程學(xué)院汽車工程學(xué)院運(yùn)算放大器概述運(yùn)算放大器概述9.1反饋在放大電路中的應(yīng)用反饋在放大電路中的應(yīng)用9.2目錄目錄9.1 運(yùn)算放大器概述運(yùn)算放大器概述運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，是用途極為運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，是用途極為廣泛的模擬電子集成電路產(chǎn)品廣泛的模擬電子集成電路產(chǎn)品 外形通常有雙列直插式、扁平式及圓筒式等三種外形通常有雙列直插式、扁平式及圓筒式等三種 輸入級一般采用差動放大電路，輸入電阻高并且可以消除零點(diǎn)輸入級一般采用差動放大電路，輸入電阻高并且可以消除零點(diǎn)漂移；中間級一般采用共射極放大電路，主要提供高的電壓放漂移；中間級一般采用共射極

2、放大電路，主要提供高的電壓放大倍數(shù)；輸出級多采用無變壓器互補(bǔ)對稱式功率放大電路，以大倍數(shù)；輸出級多采用無變壓器互補(bǔ)對稱式功率放大電路，以盡量增大其負(fù)載能力，減小輸出電阻。盡量增大其負(fù)載能力，減小輸出電阻。二、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和特性二、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)和特性1. 集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的主要參數(shù)（1 1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)）開環(huán)電壓放大倍數(shù)A A0 0在沒有外接交流負(fù)反饋電路的開環(huán)情況下，輸出端開路，在在沒有外接交流負(fù)反饋電路的開環(huán)情況下，輸出端開路，在兩個輸入端間加一個很小的低頻電壓信號時所測出的電壓放兩個輸入端間加一個很小的低頻電壓信號時所測出的電壓放大倍數(shù)，稱為開環(huán)電壓放

3、大倍數(shù)，用大倍數(shù)，稱為開環(huán)電壓放大倍數(shù)，用A A0 0表示，它是決定運(yùn)算精表示，它是決定運(yùn)算精度的重要因素。度的重要因素。A A0 0越大，集成運(yùn)放的運(yùn)算精度就越高，所構(gòu)成越大，集成運(yùn)放的運(yùn)算精度就越高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定。的運(yùn)算電路越穩(wěn)定。（2 2）差模輸入電阻）差模輸入電阻r ridid集成運(yùn)放開環(huán)時從兩個輸入端看進(jìn)去的動態(tài)電阻，稱為差模輸集成運(yùn)放開環(huán)時從兩個輸入端看進(jìn)去的動態(tài)電阻，稱為差模輸入電阻。其值越大，表明集成運(yùn)放從輸入信號源所吸取的電流入電阻。其值越大，表明集成運(yùn)放從輸入信號源所吸取的電流越小，運(yùn)算的精度就越高。一般為幾十到幾百千歐，最高可達(dá)越小，運(yùn)算的精度就越高。一般為幾十

4、到幾百千歐，最高可達(dá)10105 5MM。 （3 3）開環(huán)輸出電阻）開環(huán)輸出電阻r r0 0集成運(yùn)放開環(huán)時輸出級的輸出電阻，稱為開環(huán)輸出電阻。集成運(yùn)放開環(huán)時輸出級的輸出電阻，稱為開環(huán)輸出電阻。r r0 0愈小，愈小，集成運(yùn)放帶負(fù)載的能力就愈強(qiáng)。由于集成運(yùn)放采用互補(bǔ)對稱式集成運(yùn)放帶負(fù)載的能力就愈強(qiáng)。由于集成運(yùn)放采用互補(bǔ)對稱式射極輸出電路，其射極輸出電路，其r r0 0較低，一般為幾十到幾百歐。較低，一般為幾十到幾百歐。 （4 4）最大輸出電壓）最大輸出電壓U UOMOM在標(biāo)稱電源電壓和額定負(fù)載電阻的情況下，能使集成運(yùn)放在標(biāo)稱電源電壓和額定負(fù)載電阻的情況下，能使集成運(yùn)放輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)

5、系的最大輸出電壓，稱輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，稱為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。在輸入信號為零和輸出端空載的情況下，集成運(yùn)放本身所在輸入信號為零和輸出端空載的情況下，集成運(yùn)放本身所消耗的直流電源功率，稱為靜態(tài)功耗。此值越小越好。消耗的直流電源功率，稱為靜態(tài)功耗。此值越小越好。（5 5）靜態(tài)功耗）靜態(tài)功耗P PC C（6 6）輸入失調(diào)電壓）輸入失調(diào)電壓U UIOIO在集成運(yùn)放電路中，在理想情況下應(yīng)滿足：當(dāng)輸入電壓為零時，在集成運(yùn)放電路中，在理想情況下應(yīng)滿足：當(dāng)輸入電壓為零時，直流輸出電壓也為零。但實際上，由于制造時電路中元件參數(shù)直流輸出電壓也為零。但實際

6、上，由于制造時電路中元件參數(shù)并不完全對稱并不完全對稱,U,UI I=0=0時，時，U U0 000這稱為靜態(tài)失調(diào)。將這個不等于這稱為靜態(tài)失調(diào)。將這個不等于零的輸出電壓折算為集成運(yùn)放輸入端的等效輸入電壓，稱為輸零的輸出電壓折算為集成運(yùn)放輸入端的等效輸入電壓，稱為輸入失調(diào)電壓，用入失調(diào)電壓，用U UIOIO 表示，一般為毫伏數(shù)量級。顯然，其值愈表示，一般為毫伏數(shù)量級。顯然，其值愈小愈好。小愈好。一般都用對稱的正、負(fù)電源同時供電，其他參數(shù)可參考國家標(biāo)準(zhǔn)。一般都用對稱的正、負(fù)電源同時供電，其他參數(shù)可參考國家標(biāo)準(zhǔn)。（7 7）電源電壓）電源電壓U UCCCC2.2.集成運(yùn)放的主要特性集成運(yùn)放的主要特性電壓

7、傳輸特性是指表示集成運(yùn)放輸出電壓電壓傳輸特性是指表示集成運(yùn)放輸出電壓u u0 0與輸入電壓與輸入電壓u ui i（u ui i= u= u0 0-u-u- -）之間關(guān)系的特性曲線）之間關(guān)系的特性曲線線性區(qū)線性區(qū) u u0 0 A A0 0 (u(u0 0-u-u- -)= A)= A0 0u ui i 飽和區(qū)飽和區(qū) 當(dāng)當(dāng)u u+ +稍高于稍高于u u- -，輸出電壓，輸出電壓u u0 0就達(dá)到就達(dá)到U UOMOM，并保持恒定不變，這稱，并保持恒定不變，這稱為正飽和區(qū)；反之，當(dāng)為正飽和區(qū)；反之，當(dāng)u u稍低于稍低于u u- -，u u0 0就達(dá)到就達(dá)到-U-UOMOM ，并保持不，并保持不變，這

8、稱為負(fù)飽和區(qū)。變，這稱為負(fù)飽和區(qū)。 通常集成運(yùn)放的正、負(fù)電源電壓相等，通常集成運(yùn)放的正、負(fù)電源電壓相等，U UOMOM 也相等，故其電也相等，故其電壓傳輸特性基本上對稱于原點(diǎn)。壓傳輸特性基本上對稱于原點(diǎn)。 只有在深度電壓負(fù)反饋作用下才能使運(yùn)放工作在線性區(qū)；而在只有在深度電壓負(fù)反饋作用下才能使運(yùn)放工作在線性區(qū)；而在開環(huán)或正反饋工作時，通常處于非線性限幅狀態(tài)，工作在飽和開環(huán)或正反饋工作時，通常處于非線性限幅狀態(tài)，工作在飽和區(qū)，根據(jù)輸入信號的極性，可以是正飽和或負(fù)飽和。區(qū)，根據(jù)輸入信號的極性，可以是正飽和或負(fù)飽和。三、理想運(yùn)算放大器三、理想運(yùn)算放大器1.理想化模型的符號和指標(biāo)理想化模型的符號和指標(biāo)（

9、l l）開環(huán)電壓放大倍數(shù)為無窮大，）開環(huán)電壓放大倍數(shù)為無窮大，A A0 0 （2 2）運(yùn)算放大器差模輸入電阻，）運(yùn)算放大器差模輸入電阻，r ridid （3 3）輸出電阻為零，）輸出電阻為零，r r0 0幾乎為零幾乎為零0。2.2.分析集成運(yùn)放應(yīng)用電路的基本原則分析集成運(yùn)放應(yīng)用電路的基本原則兩個輸入端的對地電壓基本相等，或稱兩輸入端的電位兩個輸入端的對地電壓基本相等，或稱兩輸入端的電位基本相等。基本相等。 集成運(yùn)放的兩個輸入端均不流入電流集成運(yùn)放的兩個輸入端均不流入電流 理想集成運(yùn)放是恒壓輸出，輸出電壓理想集成運(yùn)放是恒壓輸出，輸出電壓u u0 0不受負(fù)載變化的影響不受負(fù)載變化的影響 必須注意：

10、只有當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，才能運(yùn)用必須注意：只有當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，才能運(yùn)用“虛短虛短”的概念。而一般說來，只有在深度電壓負(fù)反饋情況下，集成的概念。而一般說來，只有在深度電壓負(fù)反饋情況下，集成運(yùn)放才能工作在線性區(qū)。運(yùn)放才能工作在線性區(qū)。9.2 反饋在放大電路中應(yīng)用反饋在放大電路中應(yīng)用一、開環(huán)、閉環(huán)、反饋的概念一、開環(huán)、閉環(huán)、反饋的概念1、定義、定義當(dāng)用一定形式的網(wǎng)絡(luò)（如當(dāng)用一定形式的網(wǎng)絡(luò)（如R R、C C等）在外部將它們連接起來，等）在外部將它們連接起來，這稱為這稱為閉環(huán)狀態(tài)閉環(huán)狀態(tài)，又稱為，又稱為反饋狀態(tài)反饋狀態(tài)。集成運(yùn)放有兩個輸入端，一個輸出端。當(dāng)輸出端和輸入端之間集成運(yùn)放有兩個輸入

11、端，一個輸出端。當(dāng)輸出端和輸入端之間不外接電路，即兩者之間在外部是斷開的，這稱為不外接電路，即兩者之間在外部是斷開的，這稱為開環(huán)狀態(tài)開環(huán)狀態(tài)所謂所謂反饋反饋，就是將放大電路輸出信號（電壓或電流）的一部分，就是將放大電路輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部通過一定形式的電路（反饋電路）送回到輸入端，和輸或全部通過一定形式的電路（反饋電路）送回到輸入端，和輸入信號共同作用于基本放大電路，控制其輸出。入信號共同作用于基本放大電路，控制其輸出。正、負(fù)反饋正、負(fù)反饋 二、正、負(fù)反饋電路判斷二、正、負(fù)反饋電路判斷 即首先任意假定外輸入信號的瞬時極性，然后根據(jù)放大原即首先任意假定外輸入信號的瞬時極性，然后根

12、據(jù)放大原理確定輸出端的瞬時極性，再由反饋電路確定反饋信號的理確定輸出端的瞬時極性，再由反饋電路確定反饋信號的極性。比較外輸入信號及反饋信號極性。比較外輸入信號及反饋信號, ,即可判斷是什么反饋。即可判斷是什么反饋。如反饋信號使外輸入信號增強(qiáng)，而使凈輸入信號增大，即如反饋信號使外輸入信號增強(qiáng)，而使凈輸入信號增大，即為正反饋。反之，如反饋信號使凈輸入信號減小，則為負(fù)為正反饋。反之，如反饋信號使凈輸入信號減小，則為負(fù)反饋。反饋。瞬時極性法瞬時極性法三、常見放大器三、常見放大器集成運(yùn)算放大器負(fù)反饋放大電路，根據(jù)信號輸入方式來劃分集成運(yùn)算放大器負(fù)反饋放大電路，根據(jù)信號輸入方式來劃分, ,有兩種基本連接方

13、式，即同相輸入放大電路和反相輸入放大有兩種基本連接方式，即同相輸入放大電路和反相輸入放大電路。電路。1. 同相放大器同相放大器輸入信號輸入信號u ui i經(jīng)電阻經(jīng)電阻R R2 2加到同相輸入端，輸出電壓加到同相輸入端，輸出電壓u u0 0與與u ui i同相位，同相位，故稱為故稱為同相輸入放大電路同相輸入放大電路。反相輸入端經(jīng)電阻。反相輸入端經(jīng)電阻R Rl l接地，反饋電接地，反饋電阻阻R Rf f連接在輸出端和反相輸入端之間，形成連接在輸出端和反相輸入端之間，形成負(fù)反饋負(fù)反饋。 R R2 2=R=R1 1RRf f 0f11uRuRR0f11iuRuRR1f1f1i0f1RRRuuARR上式

14、說明，上式說明，A Af f是大于或等于是大于或等于1 1的正數(shù)，的正數(shù)，U U0 0與與u ui i同相位且成比例關(guān)同相位且成比例關(guān)系。當(dāng)它用于運(yùn)算的目的時，稱為系。當(dāng)它用于運(yùn)算的目的時，稱為同相輸入比例運(yùn)算放大電路同相輸入比例運(yùn)算放大電路。1f1f1i0f1RRRuuARR電壓跟隨器電壓跟隨器 例例 R Rl l=10k,R=10k,Rf f=20k,R=20k,R3=10k,=20k,R=20k,R3=10k,求閉環(huán)電壓放大倍數(shù)求閉環(huán)電壓放大倍數(shù)A Af f。2. 反相放大器反相放大器輸入信號輸入信號u ui i經(jīng)電阻經(jīng)電阻R R1 1加到反相輸入端；同相端經(jīng)電阻加到反相輸入端；同相端經(jīng)

15、電阻R R2 2接地。此接地。此電路的輸出電壓電路的輸出電壓u u0 0與輸入電壓與輸入電壓u ui i是反相的，故稱為是反相的，故稱為反相輸入放反相輸入放大電路大電路。 1i1i1RuRuuif01iRuRu1fi0fRRuuA式中的負(fù)號說明式中的負(fù)號說明u u0 0與與u ui i相位相反，相位相反，A Af f的大小僅取決于的大小僅取決于 R Rf f與與R R1 1的的比值。此電路用于運(yùn)算目的時，稱為比值。此電路用于運(yùn)算目的時，稱為反相輸入比例運(yùn)算放大反相輸入比例運(yùn)算放大電路。電路。如果如果R Rf f=R=R1 1=R=R，則，則 A Af f=-1=-1此時此時u u0 0與與u

16、ui i大小相等，相位相反，此大小相等，相位相反，此電路稱為反相電路（反相放大器）。電路稱為反相電路（反相放大器）。3. 加法器加法器 u u+ +uu- -0,i0,id d003i32211321RuRuRuiiiiiifu u0 0=-i=-if fR Rf f=-=-（i i1 1+i+i2 2+i+i3 3）R Rf f ）u uR3R3R Ru uR RR Ru uR RR R-（-（i3i3f fi2i22 2f fi1i11 1f f可見：輸出電壓的大小正比于各輸入電壓之和，實現(xiàn)了求和運(yùn)算?？梢姡狠敵鲭妷旱拇笮≌扔诟鬏斎腚妷褐?，實現(xiàn)了求和運(yùn)算。 令令R R1 1=R=R2

17、2=R=R3 3=R=R 則則u u0 0=-R=-Rf f/R(u/R(uilil+u+ui2i2+u+ui3i3 ) ) 4 4差分放大器差分放大器 如果它的同相輸入端和反相如果它的同相輸入端和反相輸入端都接有輸入信號輸入端都接有輸入信號u ui1i1和和u ui2i2，就構(gòu)成減法運(yùn)算放大電，就構(gòu)成減法運(yùn)算放大電路，即路，即差分放大電路。差分放大電路。R R1 1=R=R2 2,R,Rf f=R=R3 3）（i1i21f0uuRRu若令若令R Rf f=R=R1 1 , ,則則）（i1i20uuu 上式表明：輸出電壓等于兩個輸入電壓之差，故又稱為差動上式表明：輸出電壓等于兩個輸入電壓之差，

18、故又稱為差動運(yùn)算放大電路，它實現(xiàn)了減法運(yùn)算的功能。運(yùn)算放大電路，它實現(xiàn)了減法運(yùn)算的功能。5 5積分器積分器 積分運(yùn)算電路用來對輸入信號進(jìn)行積分運(yùn)算，它的輸出電壓與輸積分運(yùn)算電路用來對輸入信號進(jìn)行積分運(yùn)算，它的輸出電壓與輸入電壓成積分關(guān)系入電壓成積分關(guān)系 dtuT1dtuCR1uiiif10鋸齒波、三角波形發(fā)生器電路鋸齒波、三角波形發(fā)生器電路 積分電路除用來進(jìn)行積分積分電路除用來進(jìn)行積分運(yùn)算、組成波形發(fā)生器外，運(yùn)算、組成波形發(fā)生器外，在自動控制系統(tǒng)中常用來在自動控制系統(tǒng)中常用來組成調(diào)節(jié)器。組成調(diào)節(jié)器。 6.比較器比較器用于將輸入信號電壓用于將輸入信號電壓u ui i和參考（基準(zhǔn)）電壓和參考（基準(zhǔn)

19、）電壓U UR R進(jìn)行比較。根進(jìn)行比較。根據(jù)據(jù) u ui i是大于還是小于是大于還是小于U UR R而決定其輸出電壓而決定其輸出電壓 U Uomom的正負(fù)，在的正負(fù)，在u ui i=U=UR R時，輸出電壓將產(chǎn)生躍變。這種電路廣泛應(yīng)用于自動檢時，輸出電壓將產(chǎn)生躍變。這種電路廣泛應(yīng)用于自動檢測、自動控制及各種非正弦波發(fā)生器中。測、自動控制及各種非正弦波發(fā)生器中。 a a圖當(dāng)圖當(dāng) u ui iU U UR R時，時，u u0 0=-U=-Uomom當(dāng)當(dāng)u ui i=U=UR R時，輸時，輸出電壓出電壓u u0 0產(chǎn)生躍變（實際是圖中虛線所示），是狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。產(chǎn)生躍變（實際是圖中虛線所示），是狀態(tài)轉(zhuǎn)

20、換點(diǎn)。任意電平比較器。 任意電平比較器任意電平比較器 如果取如果取U UR R=0=0，即將參考電壓端接地，將輸入電壓，即將參考電壓端接地，將輸入電壓u ui i與零電平進(jìn)與零電平進(jìn)行比較，這稱為過零比較器，又叫零電平比較器，如圖中所行比較，這稱為過零比較器，又叫零電平比較器，如圖中所示。圖中示。圖中u ui i接在反相輸入端，故稱為接在反相輸入端，故稱為反相零電平比較器反相零電平比較器；如；如果果u ui i接到同相輸入端，則稱為接到同相輸入端，則稱為同相零電平比較器。同相零電平比較器。其限幅值決定于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值其限幅值決定于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值UZ的大小的大小 例例9-2（2）滯回比較器）滯回比較

21、器在簡單的電壓比較器的基礎(chǔ)上適當(dāng)引入正反饋，這稱為滯回比在簡單的電壓比較器的基礎(chǔ)上適當(dāng)引入正反饋，這稱為滯回比較器較器 Z322URRR1BU Z322URRR2BU當(dāng)當(dāng)u u0 0=+U=+UZ Z時，時， 輸入電壓輸入電壓u ui i 由負(fù)向正變化，當(dāng)由負(fù)向正變化，當(dāng) u ui i U UB1B1時，時，u u0 0就由就由+U+UZ Z-U-UZ Z, ,電壓傳輸特性由電壓傳輸特性由abcdeabcde 當(dāng)當(dāng)u ui i由正向負(fù)變化時，因由正向負(fù)變化時，因u u0 0原來是原來是U UZ Z,U,UB B=U=UB2B2, ,故必須使故必須使 u ui iUUB2B2，u u0 0才能由

22、負(fù)變正，電壓傳輸特性由才能由負(fù)變正，電壓傳輸特性由edfbaedfba U UB1B1、U UB2B2稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，又稱為門限電壓稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，又稱為門限電壓, ,U=UU=UB1B1-U-UB2B2稱為回稱為回差。由于存在回差，使電路抗干擾能力增強(qiáng)。差。由于存在回差，使電路抗干擾能力增強(qiáng)。 （3 3）窗口電壓比較器）窗口電壓比較器 窗口比較器是由兩個閾值電壓不等的簡單比較器組成的窗口比較器是由兩個閾值電壓不等的簡單比較器組成的, ,閾值小閾值小的采用反相接法的采用反相接法, ,閾值大的采用同相接法閾值大的采用同相接法 四、集成放大器在汽車電子電路中的應(yīng)用四、集成放大器在汽車電子電路中的應(yīng)用 1.1