第6章運算放大器2

1、第第 6 章章 運算放大器運算放大器6.1 集成運算放大器簡集成運算放大器簡介介6.3 運算放大器負反饋運算放大器負反饋6.2 模擬運算電路模擬運算電路6.4 信號處理電路信號處理電路6.5 正弦波振蕩器正弦波振蕩器運算放大器的符號運算放大器的符號反相反相輸入端輸入端uo+uu +同相同相輸入端輸入端信號傳信號傳輸方向輸方向輸出端輸出端+Auo理想理想運放開環(huán)運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)實際運放開環(huán)實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)1. .反相輸入反相輸入fiii 0 uu1i1iiRuRuui FFRuRuuioof i1ouRRuF 1iofRRuuAFu FRRR/12 6.2.1

2、 比例運算比例運算由運放工作在線性區(qū)的依據(jù)由運放工作在線性區(qū)的依據(jù)可列出可列出由此得出由此得出閉環(huán)電壓閉環(huán)電壓放大倍數(shù)放大倍數(shù)平衡電阻平衡電阻iouu 1iof uuAuFRR 1若若則則ifR1R2uoRFiiui+模擬模擬2. .同相輸入同相輸入fiii iuuu 1i1iRuRui FFRuuRuuioiof i1o)1(uRRuF 1iof1RRuuAFu 由運放工作在線性區(qū)的依據(jù)由運放工作在線性區(qū)的依據(jù)可列出可列出由此得出由此得出閉環(huán)電壓閉環(huán)電壓放大倍數(shù)放大倍數(shù)0 FR1iof uuAu 1R若若則則或或ifR1R2uoRFiiui+11i1i1Rui FiiRuiiio21f )(

3、i212i111ouRRuRRuFF 1 加法運算加法運算由圖可列出由圖可列出由上列各式可得由上列各式可得當當12i2i2Rui 11211RRR 時，則上式為時，則上式為)(i2i11ouuRRuF FRRRR/12112 平衡電阻平衡電阻uoifR12R2RFii2ui2+R11ii1ui1+6.2.2 6.2.2 加減法運算加減法運算i2323uRRRu 2 減法運算減法運算 如果兩個輸入端都有信號如果兩個輸入端都有信號因為因為 uu，故上列兩式可得，故上列兩式可得i11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF 由圖可列出由圖可列出輸入，則為差分輸入。輸入，則為差分輸入。i1i1iR

4、uu ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+)(oi111i1uuRRRuF 2減法運算減法運算當當21RR 時，時，)(i1i21ouuRRuF FRRRR/12112 平衡電阻平衡電阻i11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF 3RRF 和和1RRF i1i2ouuu 則上式為則上式為當當時，則得時，則得 可見，輸出電壓與兩個輸入電壓的差值成正比，可見，輸出電壓與兩個輸入電壓的差值成正比，故可進行減法運算。故可進行減法運算。ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+圖中，圖中，321RRR ,id1ic1i1uuu ,id2ic2i2uuu ic2ic1uu id2id

5、1uu 其中其中是共模分量，是共模分量，是差模分量。是差模分量。如果如果，試問，試問 RF 多大時輸出電壓不含共多大時輸出電壓不含共ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+模分量？模分量？例i11Fi23231Fo)1(uRRuRRRRRu )()()1(id1ic11Fid2ic23231FuuRRuuRRRRR ic21F3231F)1(uRRRRRRR )()1(id21Fid23231FuRRuRRRRR 解解 欲使欲使 uo不含共模分量不含共模分量 uic2，必須滿足下列條件，必須滿足下列條件:0)1(1F3231F RRRRRRR0)1(1F3231F RRRRRRR)()1

6、(id21Fid21231FouRRuRRRRRu ,321RRR 1FRR id22u id1ic1i1mV)28(mV10uuu id2ic2i2mV)28(mV6uuu mV42id2o uu 解解 因因經(jīng)整理后得經(jīng)整理后得。此時輸出電壓。此時輸出電壓例如例如則則1、 積分運算積分運算tuCRuF d1i1otCRUuF1io o(sat)U uoR1R2CFui+uC+ifii當當 ui 為階躍電壓時，則為階躍電壓時，則uo 隨時間線性增長，隨時間線性增長，uoOtuiOt最后達到負飽和值。最后達到負飽和值。6.2.3 6.2.3 積分和微分運算積分和微分運算2 微分運算微分運算tuC

7、tuCiddddi1c1i ifoiRiRuFF tuCRuFddi1o uoRFR2C1ui+uC+ifii微分運算是積分的逆運算，將積微分運算是積分的逆運算，將積由圖可列出由圖可列出故故即輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微分成正比。即輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微分成正比。分電路反相輸入端的電阻與反饋電容分電路反相輸入端的電阻與反饋電容位置對調，就成為微分電路。位置對調，就成為微分電路。2 微分運算微分運算tuCRuFddi1o uoRFR2C1ui+uC+ifiiUi tuoOtuiO注意：由于此電路工作時穩(wěn)定性不高，注意：由于此電路工作時穩(wěn)定性不高， 故實際中很少應用。故實際中很少應用

8、。 當當 ui 為階躍電壓時為階躍電壓時 uo 為尖脈沖電壓。為尖脈沖電壓。凡是將放大電路凡是將放大電路( (或某個系統(tǒng)或某個系統(tǒng)) )輸出信號的一部輸出信號的一部分或全部經(jīng)某種電路分或全部經(jīng)某種電路( (反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡) )引回到輸入端，稱引回到輸入端，稱為為反饋反饋。6.3.1 反饋的基本概念反饋的基本概念如果反饋信號使凈輸入信號增加，稱為如果反饋信號使凈輸入信號增加，稱為正反饋正反饋。如果反饋信號使凈輸入信號減小，稱為如果反饋信號使凈輸入信號減小，稱為負反饋負反饋。AoXiX無負反饋放大無負反饋放大電路方框圖電路方框圖6.3 6.3 放大電路中的負反饋放大電路中的負反饋基本放大電路基本

9、放大電路反饋電路反饋電路fidXXX F+fXdXAoXiX帶有負反饋放大帶有負反饋放大電路的方框圖電路的方框圖比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 輸入信號輸入信號 凈輸入信號凈輸入信號 反饋信號反饋信號 輸出信號輸出信號dXiXfXoX凈輸入信號凈輸入信號若三者同相，若三者同相，fidXXX 可見可見idXX ，電路為負反饋。，電路為負反饋。則則6.3.1 6.3.1 反饋的基反饋的基本概念本概念 根據(jù)反饋電路與基本放大電路在輸入、輸出根據(jù)反饋電路與基本放大電路在輸入、輸出端的連接方式不同，負反饋有以下四種類型。端的連接方式不同，負反饋有以下四種類型。負反饋的類型有：負反饋的類型有：AF+dXoXfXiX反饋

10、量取自輸出電壓為電壓反饋，反饋量取自輸出電壓為電壓反饋， 取自輸出電流為電流反饋；取自輸出電流為電流反饋；反饋量以電流的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為并聯(lián)反饋；反饋量以電流的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為并聯(lián)反饋；在輸入端在輸入端反饋量以電壓的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為串聯(lián)反饋。反饋量以電壓的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為串聯(lián)反饋。電壓串聯(lián)負反饋；電壓串聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋；電流串聯(lián)負反饋；電流串聯(lián)負反饋；電流并聯(lián)負反饋。電流并聯(lián)負反饋。在輸出端在輸出端6.3.2 6.3.2 負反饋的類型負反饋的類型ui+R1R2uoRF+RLud+uf+ fiduuu 設某一瞬時設某

11、一瞬時 ui 為正，則此時為正，則此時 uo也為正，同時反饋電壓也為正，同時反饋電壓 uf 也為正。也為正。 凈輸入信號凈輸入信號 小于輸入信號，即小于輸入信號，即 uf 的存在使凈的存在使凈輸入信號減小輸入信號減小，所以為所以為負負反饋。反饋。01F1fuRRRu 反饋電壓反饋電壓取自輸出電壓，并與之成正比，取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反饋。故為電壓反饋。 uf 與與 ui 在輸入端以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)在輸入端以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。反饋。判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 1. 串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋 首先用電位的瞬時極性判別首先用

12、電位的瞬時極性判別反饋的正、負。反饋的正、負。1. 串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋ui+R1R2uoRF+RLud+uf+ AF+ufuduiuo 串聯(lián)電壓負反饋方框圖串聯(lián)電壓負反饋方框圖FoFofRuRuui uoR1R2RF+ui+RL iiidif-fidiii 設某一瞬時設某一瞬時 ui 為正，則此時為正，則此時 uo 為負，各電流實際方向如圖示。為負，各電流實際方向如圖示。 凈輸入電流凈輸入電流小于輸入電流，即小于輸入電流，即 if 的存在使的存在使凈輸入電流減小凈輸入電流減小，所以為所以為負負反饋。反饋。反饋電流反饋電流取自輸出電壓，并與之取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反饋。成

13、正比，故為電壓反饋。 if 與與 ii 在輸入端以電流形式作比較，兩者并聯(lián)，故為并聯(lián)在輸入端以電流形式作比較，兩者并聯(lián)，故為并聯(lián)反饋。反饋。判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 2. 并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋 首先用電位的瞬時極性判別首先用電位的瞬時極性判別反饋的正、負。反饋的正、負。2. 并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋AF+uiuoifidiiuoR1R2RF+ui+RLidif ii- 并聯(lián)電壓負反饋方框圖并聯(lián)電壓負反饋方框圖ofRiu fiduuu 為負反饋；為負反饋； uf 與與 ui 在輸入端以電壓形式作在輸入端以電壓形式作反饋電壓反饋電壓與輸出電流成比，故為電流反饋；與輸

14、出電流成比，故為電流反饋；判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 3. 串聯(lián)電流負反饋串聯(lián)電流負反饋 AF+ufuduiio 串聯(lián)電流負反饋方框圖串聯(lián)電流負反饋方框圖比較，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。比較，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。R2uoR+RLud+ uf+ioui+fidiii oFf)(iRRRi 圖中圖中判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 4. 并聯(lián)電流負反饋并聯(lián)電流負反饋 并聯(lián)電流負反饋方框圖并聯(lián)電流負反饋方框圖AF+uiioidiiififRFiRuRRui+RL ioR1iiidR2-如何判別電路中反饋類型小結如何判別電路中反饋類型小結( (1) ) 反饋電路直接從輸

15、出端引出的，是電壓反饋；反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負載電阻靠近從負載電阻靠近“地地”端引出的，是電流反饋；端引出的，是電流反饋； ( (2) ) 輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端，是輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端，是串聯(lián)反饋；加在同一輸入端的是并聯(lián)反饋；串聯(lián)反饋；加在同一輸入端的是并聯(lián)反饋；( (3) ) 反饋信號使凈輸入信號減小的，是負反饋。反饋信號使凈輸入信號減小的，是負反饋。 ( (也可將輸出端短路，若反饋量為零，則為電壓反饋；也可將輸出端短路，若反饋量為零，則為電壓反饋；若反饋量不為零，則為電流反饋。若反饋量不為零，則為電流反饋。) ) 例例1 判別圖示電路從

16、判別圖示電路從 A2 輸出端引入輸出端引入 A1 輸入端的反饋類型。輸入端的反饋類型。uoui+ uo1ud+RL Ruf+A1A2 解解 反饋電路從反饋電路從 A2 的輸出端引出，故為電壓反饋；的輸出端引出，故為電壓反饋； 反饋電壓反饋電壓 uf 和和 ui 輸入電壓分別加在的同相和反相兩個輸輸入電壓分別加在的同相和反相兩個輸入端，故為串聯(lián)反饋；入端，故為串聯(lián)反饋； 設為設為 ui 正，則正，則 uo1為負，為負， uo 為正。為正。反饋電壓反饋電壓 uf 使凈輸入電壓使凈輸入電壓 ud = ui uf減小，故為負反饋；減小，故為負反饋；串聯(lián)電壓負反饋。串聯(lián)電壓負反饋。uoui+ Ruo1i

17、i+RL -A1A2idif a 例例 2 判別圖示電路從判別圖示電路從 A2 輸出端引入輸出端引入 A1 輸入端的反饋類型。輸入端的反饋類型。 解解 反饋電路從反饋電路從 RL 靠近靠近“地地”端引出，為電流反饋端引出，為電流反饋； 反饋電流反饋電流 if 和和 ii 輸入電流加在輸入電流加在 A1 的的 同一個輸入端，故同一個輸入端，故為并聯(lián)反饋；為并聯(lián)反饋； 設為設為 ui 正，則正，則 uo1 為正，為正， uo 為負。反饋電流實際方向如為負。反饋電流實際方向如圖所示，圖所示，凈輸入電流凈輸入電流 id = ii if減小，故為負反饋；減小，故為負反饋；并聯(lián)電流負反饋。并聯(lián)電流負反饋。

18、1. .提高放大電路的穩(wěn)定性提高放大電路的穩(wěn)定性 doXXA ofXXF fidXXX AFAXXA 1iofAAAFAAd11dff AF+dXoXfXiX開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)反饋系數(shù)引入負反饋后凈輸入信號引入負反饋后凈輸入信號引入負反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)引入負反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)對上式求導對上式求導 可見，引入負反饋后，放大倍數(shù)降低了，可見，引入負反饋后，放大倍數(shù)降低了，而放大倍數(shù)的穩(wěn)定性卻提高了。而放大倍數(shù)的穩(wěn)定性卻提高了。6.3.3 6.3.3 負反饋對放大電路工作的影響負反饋對放大電路工作的影響uf2. .改善非線性失真改善非線性失真加入加入負反饋負反饋無負反饋無負反饋FufA

19、uuiuo+uduo大大小小uiAu接近正弦波接近正弦波3. .對放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響對放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響四種負反饋對四種負反饋對 ri 和和 ro 的影響的影響riro減低減低增高增高增高增高增高增高增高增高減低減低減低減低減低減低串聯(lián)電壓串聯(lián)電壓串聯(lián)電流串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并聯(lián)電壓并聯(lián)電流并聯(lián)電流思考題：為了分別實現(xiàn)：思考題：為了分別實現(xiàn)： ( (a) ) 穩(wěn)定輸出電壓；穩(wěn)定輸出電壓； ( (b) ) 穩(wěn)定輸出電流；穩(wěn)定輸出電流； ( (c) ) 提高輸入電阻；提高輸入電阻； ( (d) ) 降低輸出電阻。降低輸出電阻。應引入哪種類型的負反饋？應引入哪種類型的負反饋？

20、6.4.1 有源濾波器有源濾波器 所謂濾波器就是一種選頻電路。它能選出有用的所謂濾波器就是一種選頻電路。它能選出有用的信號，而抑制無用的信號。信號，而抑制無用的信號。 由電阻、電容、電感等元件組成的濾波電路稱為由電阻、電容、電感等元件組成的濾波電路稱為無源濾波器。而由無源濾波器。而由 R、L、C 及運放構成的濾波器，由及運放構成的濾波器，由于運放工作時要外加電源，所以稱為有源濾波器。于運放工作時要外加電源，所以稱為有源濾波器。 有源濾波器相對于無源濾波器，具有體積小、重量有源濾波器相對于無源濾波器，具有體積小、重量輕、具有良好的選擇性，還可使所處理的信號不衰減甚輕、具有良好的選擇性，還可使所處

21、理的信號不衰減甚至還能放大。其缺點是放大器工作時要提供電源、在大至還能放大。其缺點是放大器工作時要提供電源、在大信號工作時，運放可能會產(chǎn)生失真等。信號工作時，運放可能會產(chǎn)生失真等。1. 有源低通濾波器有源低通濾波器icj1j1UCRCUU URRUF)1(1ouoRFR1Cui+uC+R設圖中設圖中 ui 為某一頻率的正弦量為某一頻率的正弦量由由 RC 電路得出電路得出RCU j1i 由同相比例運算關系得出由同相比例運算關系得出6.4.1 6.4.1 有源濾波器有源濾波器1. .有源低通濾波器有源低通濾波器011ioj11j11 RRRCRRUUFFRC10 故故稱為截止角頻率稱為截止角頻率式

22、中式中若若 為變量，則該電路的傳遞函數(shù)為變量，則該電路的傳遞函數(shù)0fo01ioj1j11)j ()j ()j ( uFARRUUT20fo)(1)j ( uAT0arctan)( 其模為其模為幅角為幅角為1. 有源低通濾波器有源低通濾波器0 fo)j (uAT 2)j (fouAT 0 0)j ( T 低通濾波器具有使低通濾波器具有使低頻信號易通過，而抑低頻信號易通過，而抑制高頻信號的作用。制高頻信號的作用。時，時，時，時，時，時，O 0 )j ( TfouAfo21uA頻率特性頻率特性2. .有源高通濾波器有源高通濾波器RC10 RCUUCRRU j11j1ii 011ioj11j111 R

23、RRCRRUUFF URRUF)1(1oRFR1Cui+Ruo由由 RC 電路得出電路得出由同相比例運算關系得出由同相比例運算關系得出故故稱為截止角頻率稱為截止角頻率式中式中2. .有源高通濾波器有源高通濾波器0fo01ioj1j11)j ()j ()j ( uFARRUUT20fo)(1)j ( uAT 0arctan)( 0 fo)j (uAT 2)j (fouAT 0 0)j ( T其模為其模為幅角為幅角為若若 為變量，則該電路的傳遞函數(shù)為變量，則該電路的傳遞函數(shù)時，時，時，時，時，時， 高通濾波器具有使高高通濾波器具有使高頻信號易通過，而抑制低頻信號易通過，而抑制低頻信號的作用。頻信號

24、的作用。頻率特性頻率特性O 0 )j ( TfouAfo21uA6.4.2采樣保持電路 電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一個電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一個參考電壓進行比較，當兩者相等時產(chǎn)生躍變，由此參考電壓進行比較，當兩者相等時產(chǎn)生躍變，由此判別輸入信號的大小和極性。判別輸入信號的大小和極性。 電壓比較器用于自動控制、波形變換、模數(shù)轉電壓比較器用于自動控制、波形變換、模數(shù)轉換及越限報警等。換及越限報警等。 集成運放構成電壓比較器時，多處于開環(huán)或正集成運放構成電壓比較器時，多處于開環(huán)或正反饋的工作狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。反饋的工作狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。6.4.3 6.4.3 電壓

25、比較器電壓比較器 將運放任一輸入端加上輸入信號，而另一輸入端加入將運放任一輸入端加上輸入信號，而另一輸入端加入?yún)⒖茧妷?，即可構成電壓比較器，如圖所示。參考電壓，即可構成電壓比較器，如圖所示。電壓傳電壓傳輸特性輸特性6.4.3 電壓比較器電壓比較器Ui 為輸入電壓，為輸入電壓， UR 為參考電壓為參考電壓當當 ui UR 時，時， uo = Uo(sat)ui UR 時，時， uo = +Uo(sat)ui = UR 時，時， uo 發(fā)生躍變發(fā)生躍變uoiuOuoR1R2ui+UR+uR+ 當當 UR = 0 時，即輸入電壓和零電平比較，稱為時，即輸入電壓和零電平比較，稱為過零比較器。過零比較器

26、。電壓傳電壓傳輸特性輸特性uoiuOuo 若圖中若圖中 ui 為正弦波，為正弦波，畫出畫出 uo 的波形。的波形。OiutR1R2ui+UR+uoOt 在輸出端與地之間接一個雙向穩(wěn)壓管，即可把輸在輸出端與地之間接一個雙向穩(wěn)壓管，即可把輸出電壓限制在某一特定值，以和接在數(shù)字電路的電平出電壓限制在某一特定值，以和接在數(shù)字電路的電平匹配。匹配。電壓傳輸特性電壓傳輸特性uoRR1R2+DZui+uoiuO限幅電壓比較器限幅電壓比較器 例例 1 圖中所示為運放組成的過溫保護電路，圖中所示為運放組成的過溫保護電路，R 是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。KA 是繼電器，溫是繼電器，溫度升高，超過規(guī)定值，度升高，超過規(guī)定值，KA 動作，自動切斷電源。分動作，自動切斷電源。分析其工作原理。析其工作原理。溫度溫度 超過超過 規(guī)定值，規(guī)定值，ui UR， uo= +UOM，T 導通。導通。 KA 動作，動作，切斷電源。切斷電源。R1R2URRR4KA+UCCTR3+uiuo溫度未超過規(guī)定值，溫度未超