第8章集成運(yùn)算放大器——電工電子技術(shù)

1、8.1.1 輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路通常由差動(dòng)放大電路構(gòu)成，目的是為了減小放大電路的零點(diǎn)漂移、提高輸入阻抗。通常由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，目的是為了獲得較高的電壓放大倍數(shù)。通常由互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路構(gòu)成，目的是為了減小輸出電阻，提高電路的帶負(fù)載能力。一般由各種恒流源電路構(gòu)成，作用是為上述各級(jí)電路提供穩(wěn)定、合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。 A +同相輸入端反相輸入端uouu+8.1.2 （1）差模開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù) Ado。指集成運(yùn)放本身（無(wú)外加反饋回路）的差模電壓放大倍數(shù)，即uuuAodo。它體現(xiàn)了集成運(yùn)放的電壓放大能力，一般在 104107之間。Ado越大，電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。（2）共模

2、開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù) Aco。指集成運(yùn)放本身的共模電壓放大倍數(shù)，它反映集成運(yùn)放抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質(zhì)的集成運(yùn)放 Aco應(yīng)接近于零。（3）共模抑制比 KCMR。用來(lái)綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，一般應(yīng)大于 80dB。（4）差模輸入電阻 rid。指差模信號(hào)作用下集成運(yùn)放的輸入電阻。（5）輸入失調(diào)電壓 Uio。指為使輸出電壓為零，在輸入級(jí)所加的補(bǔ)償電壓值。它反映差動(dòng)放大部分參數(shù)的不對(duì)稱(chēng)程度，顯然越小越好，一般為毫伏級(jí)。（6）失調(diào)電壓溫度系數(shù)UioT。是指溫度變化T 時(shí)所產(chǎn)生的失調(diào)電壓變化Uio的大小，它直接影響集成運(yùn)放的精確度，一般為幾十V。（7）轉(zhuǎn)換速率 SR。衡量集成

3、運(yùn)放對(duì)高速變化信號(hào)的適應(yīng)能力，一般為幾 Vs，若輸入信號(hào)變化速率大于此值，輸出波形會(huì)嚴(yán)重失真。1 1、集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的主要參數(shù)2 2、集成運(yùn)放的種類(lèi)集成運(yùn)放的種類(lèi)（1）通用型。性能指標(biāo)適合一般性使用，其特點(diǎn)是電源電壓適應(yīng)范圍廣，允許有較大的輸入電壓等，如 CF741等。（2）低功耗型。靜態(tài)功耗2mW，如 XF253 等。（3）高精度型。失調(diào)電壓溫度系數(shù)在 1V左右，能保證組成的電路對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，如CF75、CF7650 等。（4）高阻型。輸入電阻可達(dá) 1012，如 F55系列等。還有寬帶型、高壓型等等。使用時(shí)須查閱集成運(yùn)放手冊(cè)，詳細(xì)了解它們的各種參數(shù)，作為使用和選擇的依據(jù)

4、。8.1.3 uouu+ +實(shí)際特性理想運(yùn)放符號(hào) 運(yùn)放電壓傳輸特性理想特性u(píng)ou+uUOMUOM0非線(xiàn)性區(qū)分析依據(jù)：當(dāng)i0，即時(shí)，oOM當(dāng)i0，即 xi ，即反饋信號(hào)起了削弱凈輸入信號(hào)的作用，引入的是負(fù)反饋。反饋放大電路的放大倍數(shù)為：AFAxxxxxAfdif1oo通常稱(chēng)fA為反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)，A為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，|1 |AF為反饋深度。從上式可知，若1|1 | AF，則AAf，說(shuō)明引入反饋后，由于凈輸入信號(hào)的減小，使放大倍數(shù)降低了，引入的是負(fù)反饋，且反饋深度的值越大（即反饋深度越深），負(fù)反饋的作用越強(qiáng)，fA也越小。若1|1 | AF，則AAf，說(shuō)明引入反饋后，由于凈輸入信號(hào)的增強(qiáng)，使放

5、大倍數(shù)增大了，引入的是正反饋。反饋的正、負(fù)極性通常采用瞬時(shí)極性法判別。晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管及集成運(yùn)算放大器的瞬時(shí)極性如圖所示。晶體管的基極（或柵極）和發(fā)射極（或源極）瞬時(shí)極性相同，而與集電極（或漏極）瞬時(shí)極性相反。集成運(yùn)算放大器的同相輸入端與輸出端瞬時(shí)極性相同，而反相輸入端與輸出端瞬時(shí)極性相反。 A +(a) 晶體管 (b) 場(chǎng)效應(yīng)管 (c) 集成運(yùn)算放大器+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB1RB2RE+uf+ ube +解：解：設(shè)基極輸入信號(hào)ui的瞬時(shí)極性為正，則發(fā)射極反饋信號(hào)uf的瞬時(shí)極性亦為正，發(fā)射結(jié)上實(shí)際得到的信號(hào)ube（凈輸入信號(hào)）與沒(méi)有反饋時(shí)相比減小了，即反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)

6、的作用，故可確定為負(fù)反饋。Rpui +uoR1RF+uf+ud解：解：設(shè)輸入信號(hào)ui瞬時(shí)極性為正，則輸出信號(hào)uo的瞬時(shí)極性為負(fù)，經(jīng)RF返送回同相輸入端，反饋信號(hào)uf的瞬時(shí)極性為負(fù)，凈輸入信號(hào)ud與沒(méi)有反饋時(shí)相比增大了，即反饋信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)的作用，故可確定為正反饋。Rpui + +uoR1RF+uf+ud解：解：設(shè)輸入信號(hào)ui瞬時(shí)極性為正，則輸出信號(hào)uo的瞬時(shí)極性為正，經(jīng)RF返送回反相輸入端，反饋信號(hào)uf的瞬時(shí)極性為正，凈輸入信號(hào)ud與沒(méi)有反饋時(shí)相比減小了，即反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)的作用，故可確定為負(fù)反饋。8.3.2 根據(jù)反饋信號(hào)是取自輸出電壓還是取自輸出電流，可分為電壓反饋和電流反饋。的反

7、饋信號(hào)xf取自輸出電壓uo，xf與uo成正比。的反饋信號(hào)xf取自輸出電流io，xf與io成正比。電壓反饋和電流反饋的判別，通常是將放大電路的輸出端交流短路（即令uo=0 ），若反饋信號(hào)消失，則為電壓反饋，否則為電流反饋。根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸入端的連接方式，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。的反饋信號(hào)和輸入信號(hào)以電壓串聯(lián)方式疊加，ud=uiuf，以得到基本放大電路的輸入電壓ud。的反饋信號(hào)和輸入信號(hào)以電流并聯(lián)方式疊加，id=iiif，以得到基本放大電路的輸入電流ii。串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋可以根據(jù)電路結(jié)構(gòu)判別。當(dāng)反饋信號(hào)和輸入信號(hào)接在放大電路的同一點(diǎn)（另一點(diǎn)往往是接地點(diǎn)）時(shí)，一般可判定為并聯(lián)反饋；

8、而接在放大電路的不同點(diǎn)時(shí)，一般可判定為串聯(lián)反饋。綜合以上兩種情況，可構(gòu)成、和4種不同類(lèi)型的放大電路。Rpui + +uoR1RF+uf+ud1 1、電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓串聯(lián)負(fù)反饋設(shè)輸入信號(hào)ui瞬時(shí)極性為正，則輸出信號(hào)uo的瞬時(shí)極性為正，經(jīng)RF返送回反相輸入端，反饋信號(hào)uf的瞬時(shí)極性為正，凈輸入信號(hào)ud與沒(méi)有反饋時(shí)相比減小了，即反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)的作用，故為。將輸出端交流短路，RF直接接地，反饋電壓uf=0，即反饋信號(hào)消失，故為。輸入信號(hào)ui加在集成運(yùn)算放大器的同相輸入端和地之間，而反饋信號(hào)uf加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，不在同一點(diǎn)，故為。Rp +uouiRFR1iiifid2

9、2、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋設(shè)輸入信號(hào)ui（ii）瞬時(shí)極性為正，則輸出信號(hào)uo的瞬時(shí)極性為負(fù)，流經(jīng)RF的電流（反饋信號(hào)）if的方向與圖示參考方向相同，即if瞬時(shí)極性為正，凈輸入信號(hào)id與沒(méi)有反饋時(shí)相比減將輸出端交流短路，RF直接接地，反饋電流if=0，即反饋信號(hào)消失，故為。輸入信號(hào)ii加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，而反饋信號(hào)if也加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，在同一點(diǎn)，故為。小了，即反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)的作用，故為。+uoRpui + +R+uf+udRLio3 3、電流串聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋設(shè)輸入信號(hào)ui瞬時(shí)極性為正，則輸出信號(hào)uo的瞬時(shí)極性為正，經(jīng)RF返送回

10、反相輸入端，反饋信號(hào)uf的瞬時(shí)極性為正，凈輸入信號(hào)ud與沒(méi)有反饋時(shí)相比減小了，即反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)的作用，故為。將輸出端交流短路，盡管uo=0 ，但輸出電流io仍隨輸入信號(hào)而改變，在R上仍有反饋電壓uf產(chǎn)生，故可判定不是電壓反饋，而是。輸入信號(hào)ui加在集成運(yùn)算放大器的同相輸入端和地之間，而反饋信號(hào)uf加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，不在同一點(diǎn)，故為。Rp +uiRFR1iiifidRRL+uoio4 4、電流并聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋設(shè)輸入信號(hào)ui（ii）瞬時(shí)極性為正，則輸出信號(hào)uo的瞬時(shí)極性為負(fù)，流經(jīng)RF的電流（反饋信號(hào)）if的方向與圖示參考方向相同，即if瞬時(shí)極性為正，凈輸入信

11、號(hào)id與沒(méi)有反饋時(shí)相比減將輸出端交流短路，盡管uo=0 ，但輸出電流io仍隨輸入信號(hào)而改變，在R上仍有反饋電壓uf產(chǎn)生，故可判定不是電壓反饋，而是。輸入信號(hào)ii加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，而反饋信號(hào)if也加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，在同一點(diǎn)，故為。小了，即反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)的作用，故為。8.3.3 1 1、穩(wěn)定放大倍數(shù)、穩(wěn)定放大倍數(shù)AFAAf1AdAAFAdAff11式中ffAdA為閉環(huán)放大倍數(shù)的相對(duì)變化率，AdA為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的 相 對(duì) 變 化 率 。 對(duì) 負(fù) 反 饋 放 大 器 ， 由 于11 AF， 所 以AdAAdAff。上述結(jié)果表明，由于外界因素的影響，使

12、開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) A 有一個(gè)較大的相對(duì)變化率時(shí)，由于引入負(fù)反饋，閉環(huán)放大倍數(shù)的相對(duì)變化率只有開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)相對(duì)變化率的AF1分之一，即閉環(huán)放大倍數(shù)的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。AAAFAFAFAFAFdAdAff11)1 (1)1 (122如某放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=1000，由于外界因素（如溫度、電源波動(dòng)、更換元件等）使其相對(duì)變化了dA/A=10%，若反饋系數(shù)F=0.009，則閉環(huán)放大倍數(shù)的相對(duì)變化為dAf/Af=10%/(1+10000.009)=1%?？梢?jiàn)放大倍數(shù)的穩(wěn)定性大大提高了。但此時(shí)的閉環(huán)放大倍數(shù)為Af=1000/(1+10000.009)=100，比開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)顯著降低，即用降低放大倍數(shù)的

13、代價(jià)換取提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。負(fù)反饋越深，放大倍數(shù)越穩(wěn)定。在深度負(fù)反饋條件下，即11 AF時(shí)，有：FAFAAf11上式表明深度負(fù)反饋時(shí)的閉環(huán)放大倍數(shù)僅取決于反饋系數(shù)F，而與開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) A 無(wú)關(guān)。通常反饋網(wǎng)絡(luò)僅由電阻構(gòu)成，反饋系數(shù) F 十分穩(wěn)定。所以，閉環(huán)放大倍數(shù)必然是相當(dāng)穩(wěn)定的，諸如溫度變化、參數(shù)改變、電源電壓波動(dòng)等明顯影響開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的因素，都不會(huì)對(duì)閉環(huán)放大倍數(shù)產(chǎn)生多大影響。2 2、減小非線(xiàn)性失真、減小非線(xiàn)性失真AxixoAFxixoxdxf+無(wú)負(fù)反饋時(shí)產(chǎn)生正半周大負(fù)半周小的失真。引入負(fù)反饋后，失真了的信號(hào)經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)又送回到輸入端，與輸入信號(hào)反相疊加，得到的凈輸入信號(hào)為正半周小而負(fù)半周大。

14、這樣正好彌補(bǔ)了放大器的缺陷，使輸出信號(hào)比較接近于正弦波。3 3、展寬通頻帶、展寬通頻帶AA0.707AfHfLfAf0.707AffLffHf引入負(fù)反饋可以展寬放大電路的通頻帶。這是因?yàn)榉糯箅娐吩谥蓄l段的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A較高，反饋信號(hào)也較大，因而凈輸入信號(hào)降低得較多，閉環(huán)放大倍數(shù)Af也隨之降低較多；而在低頻段和高頻段，A較低，反饋信號(hào)較小，因而凈輸入信號(hào)降低得較小，閉環(huán)放大倍數(shù)Af也降低較小。這樣使放大倍數(shù)在比較寬的頻段上趨于穩(wěn)定，即展寬了通頻帶。4 4、改變輸入電阻、改變輸入電阻對(duì)于串聯(lián)負(fù)反饋，由于反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入回路串聯(lián)，總輸入電阻為基本放大電路本身的輸入電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的等效電阻兩部分串聯(lián)相加

15、，故可使放大電路的輸入電阻增大。對(duì)于并聯(lián)負(fù)反饋，由于反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入回路并聯(lián)，總輸入電阻為基本放大電路本身的輸入電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的等效電阻兩部分并聯(lián)，故可使放大電路的輸入電阻減小。5 5、改變輸出電阻、改變輸出電阻對(duì)于電壓負(fù)反饋，由于反饋信號(hào)正比于輸出電壓，反饋的作用是使輸出電壓趨于穩(wěn)定，使其受負(fù)載變動(dòng)的影響減小，即使放大電路的輸出特性接近理想電壓源特性，故而使輸出電阻減小。對(duì)于電流負(fù)反饋，由于反饋信號(hào)正比于輸出電流，反饋的作用是使輸出電流趨于穩(wěn)定，使其受負(fù)載變動(dòng)的影響減小，即使放大電路的輸出特性接近理想電流源特性，故而使輸出電阻增大。8.4.1 ：選出所需要的頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，使其順利通過(guò)；而對(duì)

16、于頻率超出此范圍的信號(hào)，使其不易通過(guò)。不同的濾波器具有不同的頻率特性，大致可分為、和四種。：僅由無(wú)源元件R、C構(gòu)成的濾波器。無(wú)源濾波器的帶負(fù)載能力較差，這是因?yàn)闊o(wú)源濾波器與負(fù)載間沒(méi)有隔離，當(dāng)在輸出端接上負(fù)載時(shí)，負(fù)載也將成為濾波器的一部分，這必然導(dǎo)致濾波器頻率特性的改變。此外，由于無(wú)源濾波器僅由無(wú)源元件構(gòu)成，無(wú)放大能力，所以對(duì)輸入信號(hào)總是衰減的。：由無(wú)源元件R、C和放大電路構(gòu)成的濾波器。放大電路廣泛采用帶有深度負(fù)反饋的集成運(yùn)算放大器。由于集成運(yùn)算放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，使濾波器輸出和輸入間有良好的隔離，便于級(jí)聯(lián)，以構(gòu)成濾波特性好或頻率特性有特殊要求的濾波器。R (a) 電路 (b

17、) 幅頻特性 +RFR1CAufAu21Au0ououiRCjUUCjRCjUUiiC111RCjURRURRUi1111F1Foo1Fo1111jARCjRRUUAuiuf2o1uufAARC1o：式中1F1RRAu為通頻帶放大倍數(shù)，RC1o稱(chēng)為截止角頻率。電壓放大倍數(shù)的幅頻特性為：一階有源低通濾波器的幅頻特性與理想特性相差較大，濾波效果不夠理想，采用二階或高階有源濾波器可明顯改善濾波效果。圖示為用二級(jí) RC 低通濾波電路串聯(lián)后接入集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的二階低通有源濾波器及其幅頻特性。R +RFR1CAufAu21Au0o一階二階uouiRC 二階低通有源濾波器及其幅頻特性高通濾波器和低通濾波

18、器一樣，有一階和高階濾波器。將低通濾波器中的電阻 R 和電容 C對(duì)調(diào)即成為高通濾波器。8.4.2 +Cuoui +uG：控制信號(hào)uG出現(xiàn)時(shí)，電子開(kāi)關(guān)接通，輸入模擬信號(hào)ui經(jīng)電子開(kāi)關(guān)使保持電容C迅速充電，電容電壓即輸出電壓uo跟隨輸入模擬信號(hào)電壓ui的變化而變化。：uG=0，電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，保持電容C上的電壓因?yàn)闆](méi)有放電回路而得以保持。一直到下一次控制信號(hào)的到來(lái)，開(kāi)始新的采樣保持周期。ui,uo0t采樣 采樣 采樣保持 保持 保持8.4.3 uiR2(a) 電路 (b) 電壓傳輸特性 +R10uoURuiuoURuOMuOM運(yùn)算放大器處在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓

19、，運(yùn)算放大器便進(jìn)入非線(xiàn)性工作區(qū)域，輸出電壓uo達(dá)到最大值UOM。RUui時(shí)，OMoUu；RUui時(shí)，OMoUu。R2(a) 電路 (b) 電壓傳輸特性 +R10uouiuiuouOMuOM基準(zhǔn)電壓UR=0時(shí)，輸入電壓ui與零電位比較，稱(chēng)為過(guò)零比較器。uiR2(a) 電路 (b) 電壓傳輸特性 +R10uoURuiuoURUZR輸出端接穩(wěn)壓管限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷?，則uiUR時(shí)，穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ?uo=0；uiUR時(shí)，穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ?uo=UZ；uiUR時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿， uo=UZ時(shí)。電壓比較器廣泛應(yīng)用在模-數(shù)接口、電平檢測(cè)及波形變換等領(lǐng)域。如圖所示為用過(guò)零比較器

20、把正弦波變換為矩形波的例子。0uiui0uiuoUOMUOM8.5.1 AFxi=0 + xd+ xfxo：在無(wú)輸入信號(hào)（xi=0）時(shí)，電路中的噪擾電壓（如元件的熱噪聲、電路參數(shù)波動(dòng)引起的電壓、電流的變化、電源接通時(shí)引起的瞬變過(guò)程等）使放大器產(chǎn)生瞬間輸出xo，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端，得到瞬間輸入xd，再經(jīng)基本放大器放大，又在輸出端產(chǎn)生新的輸出信號(hào)xo，如此反復(fù)。在無(wú)反饋或負(fù)反饋情況下，輸出xo會(huì)逐漸減小，直到消失。但在正反饋情況下，xo會(huì)很快增大，最后由于飽和等原因輸出穩(wěn)定在xo，并靠反饋永久保持下去。 可見(jiàn)產(chǎn)生自 激振蕩必 須滿(mǎn)足dfXX。由于oXFXf，dXAXo，由此可得產(chǎn)生自激振蕩的條