電路與電子技術(shù)第6章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用3

1、所謂理想運(yùn)放理想運(yùn)放就是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，即認(rèn)為集成運(yùn)放的各項(xiàng)指標(biāo)為：6.4 放大電路的反饋6.4.1 理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)1、什么是理想運(yùn)放、什么是理想運(yùn)放 在分析估算集成運(yùn)放的應(yīng)用電路時(shí)，工程上允許實(shí)際運(yùn)放造成的誤差可認(rèn)為是理想運(yùn)放，如無特別說明，均將集成運(yùn)放作為理想運(yùn)放進(jìn)行討論。開環(huán)差模電壓增益Aod = ；差模輸入電阻RId = ；輸出電阻Ro = 0；共模抑制比KCMR = ；上限截止頻率fH = ； 輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及它們的零漂均為零。 集成運(yùn)放的工作狀態(tài)有線性和非線性兩種狀態(tài)，在其傳輸特性曲線上對應(yīng)兩個(gè)區(qū)域，即線性區(qū)線性區(qū)和非線性區(qū)非線性區(qū)。

2、2 理想運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)理想運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)運(yùn)放在電路中的符號及電壓傳輸特性曲線運(yùn)放在電路中的符號及電壓傳輸特性曲線ui(-)ui(+)uo_+A國標(biāo)符號國標(biāo)符號A_+uo國標(biāo)符號國標(biāo)符號ui(-)ui(+)uId =（u+ - u -）差動輸入差動輸入線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)uoudo電壓傳輸特性+uOM-uOM理想特性實(shí)際特性實(shí)際特性 當(dāng)工作在線性區(qū)時(shí)，集成運(yùn)放的輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系，即 )(odOuuAu1. 線性區(qū)線性區(qū) 式中uo是集成運(yùn)放的輸出端電壓；u+ 和u-分別是其同相輸入端和反相輸入端電壓；Aod是其開環(huán)差模電壓增益。ui(-)ui(+)uo_

3、+A國標(biāo)符號國標(biāo)符號uId =（u+ - u -）差動輸入差動輸入0/odOAuuu uu 上式表明同相輸入端與反相輸入端的電位相等，如同將該兩點(diǎn)短路一樣，但實(shí)際上該兩點(diǎn)并未真正被短路，因此常將此特點(diǎn)簡稱為虛短虛短。 實(shí)際集成運(yùn)放的Aod，因此u+ 與u- 不可能完全相等。但是當(dāng)Aod足夠大時(shí)，集成運(yùn)放的差模輸入電壓（u+ - u -）的值很小，可以忽略。理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)有兩個(gè)重要特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)有兩個(gè)重要特點(diǎn)：（1）理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零虛短虛短因理想運(yùn)放的Aod = ，所以由上式可得)(odOuuAuuId =（u+ - u -）差動輸入

4、差動輸入uoui(-)ui(+)_+A 由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻R I d = ，因此在其兩個(gè)輸入端均沒有電流，即有0ii 此時(shí)運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的電流都等于零，如同該兩點(diǎn)被斷開一樣，將此特點(diǎn)簡稱為虛斷虛斷。（2）理想運(yùn)放的輸入電流等于零）理想運(yùn)放的輸入電流等于零-虛斷虛斷 虛短虛短和虛斷虛斷是理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)重要特點(diǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn)常常作為今后分析運(yùn)放應(yīng)用電路的出發(fā)點(diǎn)。 如果運(yùn)放的工作信號超出了線性放大的范圍，則輸出電壓與輸入電壓不再滿足線性區(qū)的表達(dá)式2. 非線性區(qū)非線性區(qū)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，也有兩個(gè)重要特點(diǎn)：uoui(-)ui(+)_+AR I d = )(odO

5、uuAu即 在非線性區(qū)內(nèi)，運(yùn)放的差模輸入電壓（u+ - u -）可能很大，即 u +u - ，此時(shí)不存在虛短虛短現(xiàn)象。 （1）理想運(yùn)放的輸出電壓uo只有兩種取值：或等于運(yùn)放的正向最大輸出電壓+UOM，或等于其負(fù)向最大輸出電壓-UOM，當(dāng)當(dāng)u + u - 時(shí)，時(shí)，u o = +UOM 因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的RId = ，故在非線性區(qū)仍滿足輸入電流等于零，即式對非線性工作區(qū)仍然成立。 當(dāng)當(dāng)u + u - 時(shí)，時(shí)，u o = -UOM uoudo理想特性實(shí)際特性+uOM-uOM（2）理想運(yùn)放的輸入電流等于零0iiuoui(-)ui(+)_+AR I d = 如上所述，理想運(yùn)放工作在不同狀態(tài)時(shí)，其表現(xiàn)出的特點(diǎn)

6、也不相同。因此，在分析各種應(yīng)用電路時(shí)，首先必須判斷其中的集成運(yùn)放究竟工作在哪種狀態(tài)。 集成運(yùn)放的開環(huán)差模電壓增益Aod通常很大，為了保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，一般情況下，必須在電路中引入深度負(fù)反饋，以減小直接施加在運(yùn)放兩個(gè)輸入端的凈輸入電壓。反饋放大器的方框圖 凈輸入Xf反饋量輸出量輸入量+基本放大電路AXo反饋網(wǎng)絡(luò)FXiiX 所謂反饋所謂反饋就是將放大電路的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過一定的電路形式（反饋網(wǎng)絡(luò)）引回到它的輸入端來影響輸入量（電壓或電流）的連接方式。 1 反饋的基本概念反饋的基本概念反饋放大電路的方框圖6. 4 .2負(fù)反饋的基本概念及判別方法負(fù)反饋的基本概念及判別方法

7、叫開環(huán)放大倍數(shù)； 叫反饋系數(shù)； 叫閉環(huán)放大倍數(shù)。因?yàn)樗詉oXXA0XXFfiofXXA fiiXXXFAAXXAiof1凈輸入Xf反饋量輸出量輸入量+基本放大電路AXo反饋網(wǎng)絡(luò)FXiiX定義iifiiFAXXXXX即：電壓串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋2 反饋的分類及判別方法反饋的分類及判別方法反饋的各類反饋的各類負(fù)反饋正反饋電壓負(fù)反饋電流負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋有無反饋的判斷有無反饋的判斷 若放大電路中存在將輸出回路與輸入回路相連接的通路，即反饋網(wǎng)絡(luò)，并影響放大電路的凈輸入量并影響放大電路的凈輸入量，則表明電路中引入了反饋。尋找電

8、路中有無反饋通路是判斷電路中是否引入反饋的主要方法。+AuuoR2Ii.，If.Ii.R1ui+AuuoR2ui無反饋有反饋無反饋+Auuoui0XiXfX 如果反饋量 增強(qiáng)了凈輸入 ，使輸出量 有所增大，稱為正反饋正反饋 如果反饋量 削弱了凈輸入量 ，使輸出量 有所減小，則稱為負(fù)反饋負(fù)反饋。 fXiX0X反饋放大器的方框圖 凈輸入Xf反饋量輸出量輸入量+基本放大電路AXo反饋網(wǎng)絡(luò)FXiiX正、負(fù)反饋的判斷正、負(fù)反饋的判斷正負(fù)正負(fù)反饋判斷反饋判斷的基本的基本方法方法：一般用瞬時(shí)極性法（1）首先假設(shè)輸入信號某一時(shí)刻的瞬時(shí)極性為正（用“+”表示）或負(fù)（用“-”表示），“+”號表示該瞬間信號有增大的

9、趨勢，“-”則表示有減小的趨勢（2）根據(jù)輸入信號與輸出信號的相位關(guān)系，逐步推斷電路有關(guān)各點(diǎn)此時(shí)的極性，最終確定輸出信號和反饋信號的瞬時(shí)極性。（3）再根據(jù)反饋信號與輸入信號的連接情況，分析凈輸入量的變化，如果反饋信號使凈輸入量增強(qiáng)，即為正反饋，反之為負(fù)反饋。反饋類型判斷的反饋類型判斷的步驟步驟例例 試判斷圖所示電路中引入的是正反饋還是負(fù)反饋。i b = i i i f+AuuoR2uiR1uiuF+_+_+AuuoR2uiR1uiuF+_+uI= uI - uFuI= uI + uF+_UoRLUCCRcRfIiRsClC2+sU+IfIb負(fù)反饋負(fù)反饋負(fù)反饋負(fù)反饋正反饋正反饋+AuuoR2Ii.

10、，If.Ii.R1uiCR3+AuuoR2uiCR1直流反饋交流反饋（2）直流反饋和交流反饋）直流反饋和交流反饋 按反饋量中包含交、直流的成分的不同，有直流反饋和交流反饋。在集成運(yùn)放反饋電路中，往往是兩者兼有。 如果反饋量中只含有直流成分，稱為直流反饋直流反饋。主要作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn) 如果反饋量中只含交流成分，稱為交流反饋交流反饋。交流負(fù)反饋則影響電路的動態(tài)性能。交、直流反饋共存僅有直流反饋 輸出電壓為0，若反饋量隨之為0，則為電壓反饋；若反饋量依然存在，則為電流反饋。電路引入了電壓負(fù)反饋判定方法輸出短路法輸出短路法。將反饋放大器的輸出端對交流短路, 若其反饋信號隨之消失, 則為電壓反饋電壓

11、反饋, 否則為電流反饋。 因?yàn)檩敵龆藢涣鞫搪泛? 輸出交變電壓為零, 若反饋信號隨之消失, 則說明反饋信號正比于輸出電壓, 故為電壓反饋；若反饋信號依然存在, 則說明反饋信號不正比于輸出電壓, 故不是電壓反饋, 而是電流反饋。(3) 電壓反饋和電流反饋的判定：電壓反饋和電流反饋的判定：UoRLUCCRcRfUiRsClUsC2+ReUoRLUCCRcRbUiRsClUsC2+電流反饋電流反饋電壓反饋電壓反饋電流仍然存在反饋量隨之為0引入電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓引入電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流僅受基極電流的控制電路引入了電流負(fù)反饋反饋電流FINiiiFIDuuu引入了并聯(lián)反饋引入了串聯(lián)反饋Fu（4）串

12、聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 若放大電路輸入端，輸入量、反饋量和凈輸入量電流信號的形式方式疊加，為并聯(lián)反饋。fiiIIIfiiUUU 若放大電路輸入端，輸入量、反饋量和凈輸入量以電壓信號的形式方式疊加，為串聯(lián)反饋。 總結(jié)：判別反饋步驟 1）采用瞬時(shí)極性法，若是負(fù)反饋，需進(jìn)一步判斷反饋的組態(tài)； 2）從輸出端，判別電壓、電流反饋-反饋信號直接從輸出電壓取為電壓負(fù)反饋，否則為電流負(fù)反饋； 3）從輸入端，判別串聯(lián)、并聯(lián)負(fù)反饋-若輸入端信號是電壓、串聯(lián)疊加形式的為串聯(lián)負(fù)反饋，以電流、并聯(lián)形式疊加的為并聯(lián)負(fù)反饋ReUoRLUCCRcRbUiRsClUsC2+UoRLUCCRcRfUiRsClUsC

13、2+電流串聯(lián)反饋電流串聯(lián)反饋電壓并聯(lián)反饋電壓并聯(lián)反饋fiiIIIfiiUUUUiUfUi,IfIiIi, 圖示電路有無引入反饋？是直流反饋還是交流反饋？是正反饋還是負(fù)反饋？若為交流負(fù)反饋，其組態(tài)為哪種？分立元件放大電路中反饋的分析+_+_uF引入了電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器電路反饋的判斷舉例放大器電路反饋的判斷舉例串聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器電路串聯(lián)電壓負(fù)反饋放大器電路 Rb2Rc222RbRc1Rb1CeT2TlC2RfUCC+Uo+Ui+Re1Re2UoRLUCCRcRfUiRsClUsC2+電壓并聯(lián)反饋電壓并聯(lián)反饋_+_UF+_IFIi,Ii串聯(lián)電流負(fù)反饋放大器串聯(lián)電流負(fù)反饋放大器UoCeRe3CIc

14、21UbeRLRfRcUCC+C14Uf+UioI+2Rb1Rb并聯(lián)電流負(fù)反饋放大器并聯(lián)電流負(fù)反饋放大器 C1UsoCUCC+IfRsUiIiRfUoRLI+1Rc1Re2Rc1Ib1Ce2Re2Ue2Ie2Ic2單級電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路單級電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路RBUCC+C1+Ui.C2+Ui.，REUf=Uo.RLUo.反饋網(wǎng)絡(luò)+RBUCCC1Ui.C2Ui.,RERL反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)+Uf.RofRCIc.+單級電流串聯(lián)負(fù)反饋電路單級電流串聯(lián)負(fù)反饋電路R2UCC+C2Ui.RERLUo.CER1If.Ii.Ii,RC反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)+Ui.單級電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路單級電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路串聯(lián)電壓

15、負(fù)反饋串聯(lián)電壓負(fù)反饋R2c1R1R5R4R6RLC1Ui.Uf.R3+C3V1V2c2C2UoUCC+Ui.反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)e1b1+,+并聯(lián)電流負(fù)反饋并聯(lián)電流負(fù)反饋R2+CCUi.R3RLUo.R6CER1Ii.c1If.Ui.e1V1e2UCCR4V2R5Rof反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)b1Ii.c2+，+串聯(lián)電流負(fù)反饋電路串聯(lián)電流負(fù)反饋電路 R2+Ui.R3c1Ui.T1c2R4T2R5CBUf.R8b1R1CCRLUo.+e3UCCR6T3R7反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)，三級并聯(lián)電壓負(fù)反饋電路三級并聯(lián)電壓負(fù)反饋電路 Ui.V1+R3CE1R1If.Ii.IiR2c1R4R6CE3R8R7UCCV2V3b1

16、RifR1反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)Uo.c2c3R5.Ui. ,=,+6.4.3 負(fù)反饋對放大器性能的影響負(fù)反饋對放大器性能的影響 閉環(huán)放大倍數(shù)Af, 僅是開環(huán)放大倍數(shù)A的(1+FA)分之一。 1 使放大器的放大倍數(shù)下降使放大器的放大倍數(shù)下降根據(jù)負(fù)反饋的定義可知, 負(fù)反饋總是使凈輸入信號減弱。iiXX 對負(fù)反饋放大器則有ioioXXXX所以FAAAf1凈輸入Xf反饋量輸出量輸入量+基本放大電路AXo反饋網(wǎng)絡(luò)FXiiXioXXA0XXFfiofXXA AAf即負(fù)反饋對放大電路性能的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：AFAAf1 可見Af A 式中，1+AF稱為反饋深度，當(dāng)1+AF 1時(shí)， ，稱放大電路為深度

17、負(fù)反饋。FAf1（1）若（1+AF）1，則Af A，說明引入反饋后使放大倍數(shù)減小，這種反饋稱為負(fù)反饋負(fù)反饋。負(fù)反饋放大電路是以犧牲放大倍數(shù)作為代價(jià)換來整個(gè)電路性能的穩(wěn)定。討論：討論：可簡化為 ，這表明，當(dāng)反饋深度（1+AF）1時(shí)，閉環(huán)放大倍數(shù)Af基本上等于反饋系數(shù)F的倒數(shù)，而與放大電路的放大倍數(shù)與放大器本身的A無關(guān)，只于反饋系數(shù)有關(guān)，稱為深度負(fù)反饋稱為深度負(fù)反饋FAf1在負(fù)反饋情況下，如果反饋深度（1+AF）1，則式AFAAf1 如溫度等因素變化而導(dǎo)致放大網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)A發(fā)生變化，只要F的值一定，就能保證閉環(huán)放大倍數(shù)Af穩(wěn)定，這是深度負(fù)反饋放大電路的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。深度負(fù)反饋放大電路的一個(gè)突出優(yōu)

18、點(diǎn)。（2）若（1+AF）1，則AfA，即引入反饋后放大倍數(shù)比原來增大，因此這種反饋稱為正反饋稱為正反饋。（3）若（1+AF）= 0，即AF = 1，則Af。說明當(dāng)Xi= 0時(shí)，Xo0，放大電路在沒有外加輸入信號，也有一定的輸出信號。放大電路的這種狀態(tài)。 有時(shí)為產(chǎn)生正弦波或其它波形信號，有意識地在放大電路中引入一個(gè)正反饋，并使之滿足自激振蕩的條件。例如，當(dāng)A變化10 %時(shí)，若1+AF = 100，則Af僅變化0.1%。 2 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。 應(yīng)當(dāng)指出，Af的穩(wěn)定性是以損失放大倍數(shù)作為代價(jià)的，即Af減小到A的（1+AF）分之一，才使其穩(wěn)定性提高到A的（1+AF）倍。22

19、)1 (1)1 ()1 (FAFAAFFAdAdAfAFAAf1FAFA1111AAFAf11AAFAdAdAff)1 (1AdAFAAdAff)1 (1開環(huán)放大倍數(shù)相對穩(wěn)定度為AA閉環(huán)放大倍數(shù)相對穩(wěn)定度為ffAA減小非線性失真和抑制干擾、噪聲 負(fù)反饋減小非線性失真 3 改善非線性失真改善非線性失真 無反饋無反饋AXiX0w w t大大小小w w t大大小小w w t 小小w w t大大有無反饋有無反饋AFXiXi,X0Xfw w tw w t小小w w t大大負(fù)反饋改善放大器頻率響應(yīng)的示意圖 4 展寬頻帶展寬頻帶fbwf=(1+FA)fbw無反饋放大器的頻率響應(yīng)有負(fù)反饋放大器的頻率響應(yīng)AIAI3 dBAIfAIf3 dBfLfH無反饋放大器的帶寬負(fù)反饋放大器的帶寬fLffHf增益f(頻率)A引入負(fù)反饋后，電壓放大倍數(shù)下降幾分之一，通頻帶就展寬幾倍。可見，引入負(fù)反饋可以展寬通頻帶，但這也是以降低放大倍數(shù)作為代價(jià)的。1)對輸入電阻的影響iiiifiiiifiiiIAFUUIUUIURIURiif)1 (RAFR 對輸入電阻的影響僅與反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路輸入端的接法有關(guān)，即決定于是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。串聯(lián)負(fù)反饋增大了輸入電阻串聯(lián)負(fù)反饋增大了輸入電阻5. 負(fù)反饋可以改變輸入、輸出電阻負(fù)反饋可以改變輸入、輸出電阻ioUX