第8章 運算放大器

第八章集成運算放大器（中）電工電子學(xué)B南京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院第八章集成運算放大器8.1集成運算放大器概述8.3運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用8.4運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用8.2運算放大電路中的負(fù)反饋集成電路：相對于分立元件而言，即把整個電路中的元器件及各元件間的連接制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路。集成電路按功能：數(shù)字集成電路模擬集成電路：集成運算放大器1、了解集成運放的基本組成、特點、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。3、掌握理想運算放大器的分析方法。4、理解用集成運放組成的比例、加、減、微分和積分電路的結(jié)構(gòu)、工作原理。5、理解用集成運放組成的電壓比較器的工作原理。本章要求：8.1集成運算放大器概述一、集成運算放大器的特點及組成

集成運算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。是一種常用的模擬集成電路。特點：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸

ri

高:幾十k

幾百kKCMR（共模抑制比）很大

ro

?。簬资?/p>

~幾百

Auo

很大:104~107組成：由四個基本部分組成輸入級中間級輸出級偏置電路u-u+uo集成運放的組成輸入級：采用帶恒流源的差動放大電路，盡量減小零點漂移,提高KCMR

,提高輸入阻抗Ri。中間級：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，又稱電壓放大級。常采用帶恒流源的共射放大電路。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。偏置電路：為各級提供合適的偏置電流。++Aouou

+u-。。

。+UCC－UEE運放的符號：二、運放外形：81圓殼式雙列直插式123456782－反相輸入端，輸出與輸入反相3－同相輸入端，輸出與輸入同相4－負(fù)電源端7－正電源端6－輸出端1和5－外接調(diào)零電位器8－空端三、集成運放的特性1)開環(huán)差模電壓增益Ao：指運放輸出端與輸入端之間無外加回路(稱開環(huán))時，輸出電壓與輸入電壓的比值。

是決定運放運算精度的主要因素。越大越好。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、主要參數(shù)6)共模輸入電壓范圍UICM7)共模抑制比KCMR2、集成運放的電壓傳輸特性指開環(huán)應(yīng)用時輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系曲線：+Uo(sat)-Uo(sat)ud

=u+－u-

uo線性區(qū)負(fù)飽和區(qū)正飽和區(qū)可見，集成運放有兩個工作區(qū)：線性區(qū)、飽和區(qū)工作在線性區(qū)時：工作在飽和區(qū)時：Uo+、Uo-的絕對值分別小于正負(fù)電源值四、理想運算放大器及其分析依據(jù)1、理想運算放大器

Ao

，KCMR，rid

，ro02、理想運放的電路符號和電壓傳輸特性Uo

+Uo

-ud

=u+－u-

uouo++u

+u-。。

。3、理想運放工作在線性區(qū)時的分析依據(jù)∵Ao

=

，uo為有限值①“虛短”：差模輸入電壓約等于0，即u+=u－②“虛斷”：輸入電流約等于0，即i+=i－0++∞uou-。u+i+i-∴u＋－u－

0可以認(rèn)為集成運放的兩個輸入端電位相等，象短接一樣，稱為“虛短”?！遰id＝∴兩個輸入端的電流視為0，好像輸入端與運放斷開一樣，稱為“虛斷”。一、反饋的基本概念反饋：將放大電路輸出端信號(電壓或電流)的一部分或全部引回到輸入端。8.2放大電路中的負(fù)反饋直流反饋：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。在振蕩器中引入正反饋，用以產(chǎn)生波形。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。在放大電路中，出現(xiàn)正反饋將使放大器產(chǎn)生自激振蕩，使放大器不能正常工作。正反饋：反饋信號增強凈輸入信號，使放大倍數(shù)提高。引入交流負(fù)反饋的目的：改善放大電路的性能引入直流負(fù)反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點。反饋的分類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)1、反饋的定義和表示法反饋電路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)2、負(fù)反饋放大電路的一般表達式引入反饋后，反饋放大電路的放大倍數(shù)稱為閉環(huán)放大倍數(shù)，用Af表示，則反饋放大電路的基本關(guān)系式：引入負(fù)反饋后，凈輸入信號Xd減小，從而使閉環(huán)放大倍數(shù)下降，即∴∴越大，越小，反饋越強烈。若稱為深度負(fù)反饋，此時：在深度負(fù)反饋的條件下，閉環(huán)放大倍數(shù)Af取決于反饋系數(shù)F，與開環(huán)放大倍數(shù)Ao無關(guān)。——反饋深度反映了負(fù)反饋的強弱程度。二、負(fù)反饋的類型1.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。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)，即反饋信號與輸入信號以電壓形式作比較，稱為串聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電流形式作比較，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。2、反饋的判別分析步驟：2)判別是否負(fù)反饋？1)找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容）。3)是負(fù)反饋！判斷是何種類型的負(fù)反饋？2、反饋的判別分析方法：1)反饋極性的判別：瞬時極性法a、先假設(shè)輸入信號的瞬時極性，并用符號、表示；－＋b、沿反饋環(huán)路逐步判定并標(biāo)出有關(guān)各點信號的極性，確定反饋信號的瞬間極性；c、根據(jù)反饋信號對輸入信號的作用判定正負(fù)反饋。如果反饋信號使輸入信號加強則為正反饋；如果反饋信號使輸入信號減弱則為負(fù)反饋。在單級集成運放放大電路中，當(dāng)反饋信號引到同相端時為正反饋，引到反相端時為負(fù)反饋。2、反饋的判別方法分析方法：2)反饋方式的判別：a、在輸出回路：根據(jù)反饋信號的采樣判定是電流反饋還是電壓反饋。將采樣輸出端短路（令uo＝0），若反饋信號消失則為電壓反饋，否則為電流反饋。將采樣輸出端開路（令io＝0），若反饋信號消失則為電流反饋，否則為電壓反饋。2、反饋的判別方法分析方法：2)反饋方式的判別：b、在輸入回路：判定是并聯(lián)反饋還是串聯(lián)反饋。若反饋信號和輸入信號在輸入端以電壓加減形式出現(xiàn)，則為串聯(lián)反饋；若以電流加減形式出現(xiàn)則為并聯(lián)反饋。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)：若反饋信號和輸入信號接在放大器同一點則為并聯(lián)反饋，否則為串聯(lián)反饋。例1：

1)判定反饋元件（電阻和電容）

(1）連接在輸入與輸出之間的元件。

(2）輸入回路與輸出回路所共有的元件。電阻Rf連接輸入回路和輸出回路，所以Rf是反饋元件。uo+++－－+uf－+uiudR1R2RfRL+－＋＋＋

2)判定反饋極性瞬時極性法反饋信號為正，加在反相輸入端，使得凈輸入減小，為負(fù)反饋。

3)判定反饋類型輸出端短路uf消失，則為電壓反饋；在輸入端以電壓加減形式出現(xiàn)（或電路結(jié)構(gòu)）可見為串聯(lián)反饋反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋判斷反饋類型4）反饋過程分析：當(dāng)ui一定時，負(fù)載變化可見，通過反饋的引入，使得輸出電壓得到穩(wěn)定5）電路分析計算：由“虛斷”：由“虛短”：＋＋＋uo+++－－+uf－+uiudR1R2RfRL+－Rio

1)判定反饋元件（電阻和電容）

(1）連接在輸入與輸出之間的元件。

(2）輸入回路與輸出回路所共有的元件

2)判定反饋極性瞬時極性法

3)判定反饋類型電阻Rf連接輸入回路和輸出回路，所以Rf是反饋元件，與R1組成反饋網(wǎng)絡(luò)。反饋信號為正，加在反相輸入端，使得凈輸入減小，為負(fù)反饋。輸出端短路uf不消失，則為電流反饋；或者計算uf的值（正比與io）在輸入端以電壓加減形式出現(xiàn)（或電路結(jié)構(gòu)）可見為串聯(lián)反饋反饋類型：電流串聯(lián)負(fù)反饋例2、判斷電路的反饋類型4）反饋過程分析：當(dāng)ui一定時，負(fù)載變化可見，通過反饋的引入，使得輸出電流得到穩(wěn)定5）電路分析計算：由“虛斷”：由“虛短”：三、負(fù)反饋對放大電路性能的影響基本放大電路Ao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)1.對放大倍數(shù)的影響閉環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。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：放大倍數(shù)的相對變化：Af的變化量為A的引入負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。2.改善波形的失真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，而不能完全消除失真。uoAF3.展寬通頻帶引入負(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+–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8.3集成運放

在信號運算方面的應(yīng)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+平衡電阻，保證輸入端對地的靜態(tài)電阻相等R2=R1//Rf一、比例運算∵

虛短∴

u-=u+=0

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

若取Rf＝R1，則uo＝-ui，Auf＝-1。電路為反相器。

⑤電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低，

ri

=R1。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∵虛短

∴∵虛斷++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1iFi1輸入電阻高2、同相輸入比例運算（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)電壓串聯(lián)負(fù)反饋當(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。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。∵ui

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。二、加法運算

1、反相加法運算∵虛短u-=u+=0當(dāng)Rf＝Ri1＝Ri2時，uo＝－(ui1＋ui2)∵虛斷++∞...ui2ui1uoR2RFu+u_。。

Ri1Ri2。i1i2iFi-i1+i2=if，即∵2、同相加法運算

根據(jù)疊加原理：

ui1單獨作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨作用時++∞..uoRFu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri1分析方法一：思考分析方法二：++∞..uoRFu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri1也可寫出u-和u+的表達式，利用u-=u+的性質(zhì)求解。++∞..uoRFu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri2++∞...ui2ui1uoR2RFu+u_。。

Ri1Ri2。反相加法運算電路同相加法運算電路1、輸入電阻低；1、輸入電阻高；反相加法運算電路的特點：同相加法運算電路的特點：2、共模電壓低；3、當(dāng)改變某一路輸入電阻時，對其它路無影響；2、共模電壓高；3、當(dāng)改變某一路輸入電阻時，對其它路有影響；三、減法運算由虛斷可得：由虛短可得：分析方法一：++∞...ui2ui1uoR3RFu+u-。。

R1。R2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要求電阻必須對稱，但是輸入電阻不高。可采用同相輸入減法器++∞..ui1ui2uo1R4R2R1。R3++∞..uoR1。R2。同相輸入減法運算第一級為同相輸入比例運算第二級為減法運算四、積分運算由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=if，u+=u-=0iF=?CF++∞.uoR2u+u_。R1ui。.i1if+–則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線性積分時間輸出電壓隨時間線性變化t0uiuot0-UOM+UOM輸入為方波，輸出為三角波。因此，積分電路除了具有運算功能外，還可用于波形轉(zhuǎn)換。五、微分運算uot0t0ui++∞.uoR2u+u_。uiRF。.C1i1if由虛短及虛斷性質(zhì)可得8.4運放在信號處理方面的應(yīng)用一、有源濾波器二、采樣保持電路三、電壓比較器會分析、畫傳輸特性、根據(jù)輸入波形畫輸出波形了解概念一、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1.有源低通濾波器前一頁后一頁返回電路能使低于0（0＝1/RC）的信號順利通過，衰減很小；而使高于0的信號不易通過，衰減很大。2.有源高通濾波器電路使頻率大于0

的信號通過，而小于0

的信號被阻止3.帶通濾波器和帶阻濾波器帶通濾波器使通頻帶范圍內(nèi)的信號可以通過，通頻帶以外的信號被阻止二、采樣保持電路采樣保持電路多用于模一數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）它是將隨時間變化的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后供計算機進行數(shù)據(jù)處理。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行A/D轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。前一頁后一頁返回三、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。前一頁后一頁返回理想運放工作在非線性區(qū)的特點：①輸出只有兩種可能+Uo

或–Uo

當(dāng)u+>u－

時，uo

=+Uo

u+<u－

時，uo

=

–

Uo

不存在“虛短”現(xiàn)象

②i+=i－

0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性

+Uo–

Uoud

=u+－u－

uo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、基本比較電路

可見，在ui

=UR

處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。閾值電壓（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_。。