電工電子ch5集成運算放大器

集成運算放大器南京工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子系第五章第五章集成運算放大器1、集成運算放大器概述2、放大電路中的負(fù)反饋4、集成運放在信號處理方面的運用3、集成運放在信號運算方面的運用返回前一頁后一頁1、了解集成運放的基本概念、電壓傳輸特性和主要參數(shù)。2、理解反饋的概念，了解反饋的類型；了解負(fù)反饋對放大電路性能的影響。3、掌握理想運算放大器的基本分析方法，理解集成運放組成的比例、加、減、微分和積分電路的工作原理。4、了解單門限電壓比較器的工作原理?；疽螅汉笠豁摲祷厍耙豁撝攸c：了解集成運放的電壓傳輸特性和主要參數(shù)。理解反饋的概念，了解負(fù)反饋對放大電路性能的影響。掌握理想運算放大器的基本分析方法。了解單門限電壓比較器的工作原理。難點：

反饋的極性和類型判斷，理想運放虛短、虛斷的概念。第一節(jié)集成運算放大器概述一、集成運放的基本組成

集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。四個組成部分：輸入級、中間級、輸出級和偏置電路輸入級：具有較高的輸入電阻，能減小零點漂移和抑制干擾信號，采用差動放大電路。中間級：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。常采用一級或多級共射放大電路。輸出級：要向負(fù)載提供一定的功率，要求輸出阻抗Ro小，帶負(fù)載能力強。常采用射極輸出器或互補射極輸出器組成。偏置電路：提供合適的工作電流。二、集成運放的輸入級—差動放大電路

集成運放電路主要采用直接耦合方式，因此需要解決零點漂移的問題。差動放大電路作為多級放大電路的輸入級，能夠抑制零點漂移。電路結(jié)構(gòu)T1和T2特性相同，電路結(jié)構(gòu)對稱，兩個輸入、兩個輸出uoui1+UCCRCT1RCT2ui2+++–––uo1–uo2–++－UＣＣ+UCCu+uou–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級輸出級與uo反相與uo同相三、集成運放的封裝電路結(jié)構(gòu)四、集成運放的特性1）開環(huán)差模電壓增益Ao

是決定運放運算精度的主要因素。2）最大輸出電壓UOmax

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。

3)輸入失調(diào)電壓UIO4)輸入失調(diào)電流IIO5)輸入偏置電流IIB愈小愈好1．集成運放的主要參數(shù)２、集成運放的電壓傳輸特性uo=f(ui)+Uo-Uoui=u+－u-

uo線性區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)：uo

=Ao（u+－

u－

）飽和區(qū)：u+>u－

時，uo

=+Uou+<u－

時，uo

=－Uo

∵uo

=Ao（u+－

u－

）+Uo(sat)-Uo(sat)ui=u+－u－

uo線性區(qū)電壓傳輸特性++∞uou-。u+i+i-３、集成運放的理想特性(重點)Auo

，rid

，ro0②輸入電流約等于0

即i+=i－0稱“虛斷”

∴①差模輸入電壓約等于0

即u+=u－

稱“虛短”第二節(jié)放大電路中的負(fù)反饋一、反饋的基本概念二、放大電路中負(fù)反饋的類型三、負(fù)反饋對放大電路性能的改善一、反饋的基本概念反饋：將放大電路輸出端的信號(電壓或電流)

的一部分或全部引回到輸入端。+UCCRE++––+UCCRE++––將輸出電流反饋到輸入將輸出電壓反饋到輸入反饋放大電路的三個環(huán)節(jié)：基本放大電路比較環(huán)節(jié)反饋電路F反饋電路–+輸出信號輸入信號反饋信號反饋系數(shù)凈輸入信號基本放大電路Ao放大倍數(shù)直流反饋：反饋只對直流分量起作用，反饋元件只能傳遞直流信號。負(fù)反饋：反饋信號削弱凈輸入信號，使放大倍數(shù)降低。交流反饋：反饋只對交流分量起作用，反饋元件只能傳遞交流信號。

正反饋：反饋信號增強凈輸入信號，使放大倍數(shù)提高。二、放大電路中反饋的類型1交流反饋與直流反饋

在反饋網(wǎng)絡(luò)中串接隔直電容，可以隔斷直流，此時反饋只對交流起作用。

在起反饋作用的電阻兩端并聯(lián)旁路電容，可以使其只對直流起作用。

反饋只對交流信號起作用，稱為交流反饋。反饋只對直流起作用，稱為直流反饋。有的反饋對交直流均起作用。返回后一頁前一頁RE直流反饋RE交直流反饋+UCCRE++––+UCCRE++––返回后一頁前一頁2、放大電路中負(fù)反饋的類型

1)根據(jù)反饋所采樣的信號不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。

電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻的作用。

電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻的作用。如果反饋信號取自輸出電壓，叫電壓反饋。如果反饋信號取自輸出電流，叫電流反饋。返回后一頁前一頁2)根據(jù)反饋信號在輸入端與輸入信號比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號串聯(lián)，稱為串聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號并聯(lián)，稱為并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大，并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。iiifibib=ii-if輸入信號反饋信號凈輸入信號并聯(lián)反饋ube=ui-uf輸入信號凈輸入信號串聯(lián)反饋ufuiube+++–––反饋信號反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋電流信號與輸入信號電流比較,稱為并聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋電壓信號與輸入信號電壓比較的，稱為串聯(lián)反饋。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)反饋負(fù)反饋的分類３、負(fù)反饋放大電路的分析分析步驟：3)判別是否負(fù)反饋？1)找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容)。2)判別是交流反饋還是直流反饋？4)是負(fù)反饋！判斷是何種類型的負(fù)反饋？返回后一頁前一頁例1：1)判反饋元件（電阻和電容）

(1）連接在輸入與輸出之間的元件。

(2）為輸入回路與輸出回路所共有的元件。發(fā)射極電阻RE為輸入回路與輸出回路所共有，所以RE是反饋元件。+UCCRE++––返回后一頁前一頁例1：2）判斷是交流反饋還是直流反饋交、直流分量的信號均可通過RE，所以RE引入的是交、直流反饋。

如果有發(fā)射極旁路電容，RE中僅有直流分量的信號通過，這時RE引入的則是直流反饋。ＣE+UCCRE++––返回后一頁前一頁例1：

3)判斷反饋類型重點討論交流反饋凈輸入信號：

ui與uf

串聯(lián)，以電壓形式比較——串聯(lián)反饋

ui正半周時，uf也是正半周，即兩者同相減小---負(fù)反饋

uf

正比于輸出電流——電流反饋

——電流串聯(lián)負(fù)反饋跳轉(zhuǎn)2+UCCRE++––+–+–返回后一頁前一頁1）判斷負(fù)反饋的方法：瞬時極性法：假設(shè)輸入級基極瞬時極性為正，根據(jù)集電極瞬時極性與基極相反、發(fā)射極瞬時極性與基極相同的原則，標(biāo)出相關(guān)各點的瞬時極性。++－++－+－

輸入與反饋極性相同為負(fù)反饋

輸入與反饋極性相反為正反饋

輸入與反饋極性相反為負(fù)反饋

輸入與反饋極性相同為正反饋返回后一頁前一頁2）判斷串、并聯(lián)反饋+－+－反饋到基極為并聯(lián)反饋反饋到發(fā)射極為串聯(lián)反饋返回后一頁前一頁在一個點比較,比較信號為電流時是并聯(lián)在兩個點比較,比較信號為電壓/位時是串聯(lián)RLioiE

從集電極引出為電壓反饋

從發(fā)射極引出為電流反饋共發(fā)射極電路3）判斷電壓、電流反饋uoRL+–返回后一頁前一頁判斷反饋類型的口訣：共發(fā)射極電路：集出為壓，射出為流，基入為并，射入為串。例1：判斷圖示電路中RE1、RE2的負(fù)反饋作用。RCRB1RB2RE1RE2CEC2C1+UCCuouiRE2對交流不起作用，RE1對交、直流均起作用電流串聯(lián)反饋思考++––返回后一頁前一頁例2：判斷Rf是否負(fù)反饋，若是，判斷反饋的類型。+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+UCCuoui+–T1T2Rf電壓串聯(lián)負(fù)反饋（交流反饋）－－返回后一頁前一頁+–C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1C3C2+UCCuoui+–T2Rf

若Rf與T２發(fā)射極相接如圖所示，引入的是何種類型的反饋？T1－－－－正反饋思考返回后一頁前一頁例3：判斷圖示電路Rf的反饋類型。uouiRE2RfRE1RC1RC2+UCC電流并聯(lián)負(fù)反饋（交、直流反饋）－－+－思考––++返回后一頁前一頁三、負(fù)反饋對放大電路性能的影響基本放大電路A反饋電路F+–反饋電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號基本放大器的放大倍數(shù)返回后一頁前一頁1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性閉環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)返回后一頁前一頁負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。引入負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。同相，所以AF是正實數(shù)負(fù)反饋時，放大倍數(shù)下降1+|AF|倍，其穩(wěn)定性提高1+|AF|倍。中，則有：返回后一頁前一頁若稱為深度負(fù)反饋，此時：

在深度負(fù)反饋的條件下，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)?！答伾疃确祷睾笠豁撉耙豁?.減小非線性的失真Auiufud加反饋前加反饋后uoui小大小大小大

負(fù)反饋是利用失真的波形來改善波形的失真，因此只能減小失真，但不能完全消除失真。uoAF返回后一頁前一頁擴展寬通頻帶

(知道有這么個結(jié)論即可)引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：fAu無負(fù)反饋有負(fù)反饋跳轉(zhuǎn)返回后一頁前一頁4.對輸入電阻的影響在同樣的Ib下，Ui=Ube+Uf

>Ube，rif提高。1）串聯(lián)負(fù)反饋無負(fù)反饋時：有負(fù)反饋時：uiubeib++––uf+–使電路的輸入電阻提高返回后一頁前一頁if無負(fù)反饋時：有負(fù)反饋時：在同樣的Ube下，Ii=Ib+If>Ib，rif降低。2）并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻降低iiibube+–返回后一頁前一頁

電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。

電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。1）電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻降低2）電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻提高5.對輸出電阻的影響返回后一頁前一頁第三節(jié)集成運放器在信號運算方面的運用一、比例運算

二、加法運算

三、減法運算

四、積分運算

五、微分運算后一頁返回前一頁一、比例運算1、反相比例運算（1）電路組成

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地（）。（2）電壓放大倍數(shù)∵

虛斷∵

虛短∴

u-=u+=0

稱“虛地”—反相輸入的重要特點uo++∞.uiR2RFu+u_。。R1.。。++––i1ifi-i+一、比例運算

∵要求靜態(tài)時u+、u-對地電阻相同，∴平衡電阻

R2=R1//RF∵

虛短∴

u-=u+=0

稱“虛地”—反相輸入運算的重要特點uo++∞.uiR2RFu+u_。。R1.。。++––1、反相比例運算電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻低，共模電壓

0－－后一頁返回前一頁

⑤電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻低.

結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui極性相反?！遳i加在反相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④∵

u-=u+=0，∴反相輸入端“虛地”。例：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF

=50k。求：1、Auf

；

2、若R1不變，要求Auf為–10，則RF

應(yīng)為多少？RF++∞..uiuoR2u+u_。。

R1解：1、Auf=–RF

R1

=–5010=–52、∵

Auf=–RF

R1

=–RF

10=–10

∴RF=Auf

R1=1010=100

返回∵虛短

∴∵虛斷++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1iFi1輸入電阻高2、同相比例運算電路（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)電壓串聯(lián)負(fù)反饋⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低。

結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui極性相同?！遳i

加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u-=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。后一頁返回前一頁

當(dāng)R1=或RF=0時，uiuo++∞.u+u_。。

URLR1R2++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。

此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高，輸出電阻低，在電路中的作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能更好。后一頁返回前一頁二、加法運算∵虛短u-=u+=0∵虛斷++∞...ui2ui1uoR2RFu+u_。。

Ri1Ri2。i1i2iFi-i1+i2=if，即∵后一頁返回前一頁三、減法運算由虛斷可得：由虛短可得：分析方法一：++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一頁返回前一頁

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如果取R1

=R2

=R3

=RF

輸出與兩個輸入信號的差值成正比。++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一頁返回前一頁分析方法二：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2后一頁返回前一頁四、積分運算由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifiF=?CF++∞.uoR2u+u_。R1ui。.i1if+–后一頁返回前一頁若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui時，則uot0-UOM+UOMt0ui積分飽和線性積分時間輸出電壓隨時間線性變化后一頁返回前一頁當(dāng)電容CF的初始電壓為uc(t0)時，則有前一頁后一頁采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故u0是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。

將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成比例—積分運算電路。這種運算器又稱PI調(diào)節(jié)器，常用于控制系統(tǒng)中，以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。返回比例—積分運算電路的輸出電壓++∞..uiuoR2RFu+u-。。

R1CFiFi1uc輸出電壓是對輸入電壓的比例—積分上式表明：

改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù)，以滿足控制系統(tǒng)的要求。iF前一頁后一頁—PI調(diào)節(jié)器+–返回五、微分運算uot0t0ui++∞.uoR2u+u_。uiRF。.C1i1if前一頁后一頁由虛短及虛斷性質(zhì)可得返回比例—微分運算輸出電壓是對輸入電壓的比例—微分上式表明：

控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。++∞.uoR2u+u_。RFui。.C1i1ifR1iR—PD調(diào)節(jié)器前一頁后一頁返回第四節(jié)集成運放在信號處理方面的應(yīng)用

一、有源濾波器二、電壓比較器前一頁后一頁返回一、有源濾波器濾波器：

選頻電路。它能選出有用頻率信號，而抑制無用頻率信號。無源濾波器：

由電阻、電容和電感元件組成的濾波器。有源濾波器：

由運算放大器組成的濾波器。缺點：低頻時體積大，很難做到小型化。特點：體積小、效率高、頻率特性好。前一頁后一頁返回二、電壓比較電路

電壓比較電路用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。功能：用途：

數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。前一頁后一頁返回電壓傳輸特性-Uo+Uo有運放處于開環(huán)狀態(tài)1、基本電壓比較器

可見，在ui

=UR

處輸出電壓uo發(fā)生躍變。門限電平：輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的輸入電壓。即uiuooUR++∞uiuou+u_。。

R1+_URR2uitoouot+UO–UOt1t2UR電壓傳輸特性-Uo+UouiuooUR單限電壓比較電路：