第七章集成運算放大器與其應用

第七章集成運算放大器與其應用第一頁，共57頁。7.1集成運放簡介

一.集成運放的總體結構第二頁，共57頁。

二.簡單的集成運放

原理電路：第三頁，共57頁。＋－u-－u+uo集成運算放大器符號國際符號：國內(nèi)符號：集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小反相輸入端同相輸入端輸出端第四頁，共57頁。三.集成運算放大器各部分的作用

原理電路：第五頁，共57頁。AB第六頁，共57頁。1.偏置電路：偏置電路用于提供各級放大電路直流偏置，通常采用恒流源電路以起到穩(wěn)定各級靜態(tài)工作點和抑制溫漂的作用。2.輸入級：輸入級采用差動放大電路她具有溫漂小和輸入電阻較高的特點，用于放大微弱的輸入信號。第七頁，共57頁。3.中間級：中間級在盡量提高通頻帶的情況下，實現(xiàn)較高的電壓增益。輸出級一般為射極輸出器。用來提高集成運放的輸出電流和功率，它具有輸出電阻小、帶負載能力強的特點。4.輸出級：第八頁，共57頁。

1.輸入失調(diào)電UIO

輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。四、集成運算放大器的主要參數(shù)

2.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

第九頁，共57頁。

3.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在104～107左右。

4.差模輸入電阻rid

：輸入差模信號時運放的輸入電阻。數(shù)值越大，對信號源的影響越小。

5.差模輸出電阻rod

：輸入差模信號時運放的輸出電阻。數(shù)值越小，說明運放的帶負載能力越大。

第十頁，共57頁。

6.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達160dB。

7.開環(huán)帶寬

fH

：

運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH。第十一頁，共57頁。

9.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：反映運放在大信號情況下對快速變化信號的反應能力。SR越大，說明運放的高頻特性越好，它通常在1.5~80V/μs。轉(zhuǎn)換速率SR的表達式為

8.最大輸出電壓

Uopp

：

運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH。第十二頁，共57頁。五、理想集成運算放大器理想運放的主要性能參數(shù):開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)共模抑制比差模輸入電阻輸出電阻為了計算方便，常常把集成運放理想化，即認可所有越大越好的性能指標均假設為無窮大，所有越小越好的性能均假設為零。第十三頁，共57頁。運放在線性工作時的特點：

當集成運放連接成閉環(huán)負反饋狀態(tài)時，集成運放工作在線性區(qū)，其特點是：（1）同相輸入端和反相輸入端“虛短”，即（2）同相輸入端和反相輸入端“虛斷”，即

“虛短”和“虛斷”是集成運放工作在線性區(qū)的兩個重要的特點，是分析運放電路的基礎。

第十四頁，共57頁。運放在非線性工作時的特點：

當集成運放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)時，集成運放工作在非線性區(qū)。此時集成運放的輸出只有兩種狀態(tài)，高電平和低電平狀態(tài)。在非線性區(qū)，集成運放滿足:當時，當時，第十五頁，共57頁。從一個例子說起輸入量：ui、ube、ib反饋——將電子系統(tǒng)輸出回路的電量（電壓或電流），以一定的方式送回到輸入回路的過程。7.2.1反饋的基本概念輸出量：uo、uce、ic正向傳輸——信號從輸入端到輸出端的傳輸TUBEICICUEIB穩(wěn)定工作點電路：UB一定第十六頁，共57頁?；痉糯箅娐稟反饋網(wǎng)絡F放大：迭加：1.方框圖：A稱為開環(huán)放大倍數(shù)+–反饋：AF稱為閉環(huán)放大倍數(shù)AF=Xo/Xi輸出信號輸入信號反饋信號凈輸入信號F稱為反饋系數(shù)設Xf與Xi同相一.負反饋放大電路的方框圖負反饋放大器第十七頁，共57頁。2.負反饋放大器的一般關系閉環(huán)放大倍數(shù)：放大：反饋：迭加：AF=Xo/Xi=Xo/(Xd+Xf)=Xo/(+XoF)=XoA11A+F=A1+AF第十八頁，共57頁。3.關于反饋深度的討論一般負反饋稱為反饋深度深度負反饋正反饋自激振蕩第十九頁，共57頁。二.幾個基本概念1.開環(huán)與閉環(huán)電路中只有正向傳輸，沒有反向傳輸，稱為開環(huán)狀態(tài)。正向傳輸——信號從輸入端到輸出端的傳輸反向傳輸——信號從輸出端到輸入端的傳輸既有正向傳輸，又有反饋稱為閉環(huán)狀態(tài)。信號的正向傳輸信號的正向傳輸反饋傳輸(通路)（反饋網(wǎng)絡）第二十頁，共57頁。直流反饋——若電路將直流量反饋到輸入回路，則稱直流反饋。2.直流反饋與交流反饋該電路引入直流反饋的目的，是為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q。交流反饋——若電路將交流量反饋到輸入回路，則稱交流反饋。（如去掉電容Ce）交流反饋，影響電路的交流工作性能。直流反饋交流反饋ic第二十一頁，共57頁。解：根據(jù)反饋到輸入端的信號是交流還是直流還是同時存在，來進行判別。例：判斷下圖中有哪些反饋回路，是交流反饋還是直流反饋。交、直流反饋交流反饋

注意電容的“隔直通交”作用！第二十二頁，共57頁。例：基本放大器，無反饋，凈輸入量ube=ui，電壓放大倍數(shù)為：3.負反饋與正反饋負反饋——輸入量不變時，引入反饋后使凈輸入量減小，放大倍數(shù)減小。引入反饋后，凈輸入量ube=ui-uf，電壓放大倍數(shù)為：可見，凈輸入量減小，放大倍數(shù)減小，所以是負反饋。正反饋——輸入量不變時，引入反饋后使凈輸入量增加，放大倍數(shù)增加。第二十三頁，共57頁。7.2.2負反饋放大器的四種類型負反饋類型有四種組態(tài):電壓串聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋第二十四頁，共57頁。一.電壓串聯(lián)負反饋根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，所以該電路為電壓串聯(lián)負反饋從輸入端看，有：ud=ui-uf故為串聯(lián)負反饋。用“瞬時極性法”判斷反饋極性：

假設某一瞬時，在放大電路的輸入端加入一個正極性的輸入信號，按信號傳輸方向依次判斷相關點的瞬時極性，直至判斷出反饋信號的瞬時極性。如果反饋信號的瞬時極性使凈輸入減小，則為負反饋；反之為正反饋。反饋電壓：因為反饋量與輸出電壓成比例，所以稱電壓反饋。第二十五頁，共57頁。二.電壓并聯(lián)負反饋根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，所以該電路為電壓串聯(lián)負反饋。id=ii-if從輸入端看有：因為反饋量與輸出電壓成比例，所以是電壓反饋。

反饋電流：故為并聯(lián)負反饋。第二十六頁，共57頁。三.電流并聯(lián)負反饋根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，所以該電路為電流并聯(lián)負反饋。又因為在輸入端有:id=ii-if

反饋電流：因為反饋量與輸出電流成比例，所以是電流反饋。故為并聯(lián)負反饋。第二十七頁，共57頁。

四.電流串聯(lián)負反饋

反饋電壓：uf=ioRf根據(jù)瞬時極性判斷是負反饋，所以該電路為電流串聯(lián)負反饋ud=ui-uf又因為在輸入端有因為反饋量與輸出電流成比例，所以是電流反饋。故為串聯(lián)負反饋。第二十八頁，共57頁。

五.反饋類型及判別方法總結1.直流反饋與交流反饋——注意電容的“隔直通交”作用

例題1:試判斷下圖電路中有哪些反饋支路，各是直流反饋還是交流反饋？第二十九頁，共57頁。2.反饋極性：正反饋與負反饋判定方法——“瞬時極性法”例題2:試判斷下列電路中反饋支路的反饋極性。對于串聯(lián)反饋：輸入量與反饋量作用在不同的兩點上，若輸入量與反饋量的瞬時極性相同為負反饋，瞬時極性相反為正反饋。對于并聯(lián)反饋：輸入量與反饋量作用在同一點上，若反饋元件兩端瞬時極性相反為負反饋，瞬時極性相同為正反饋。第三十頁，共57頁。3.取樣方式——電壓反饋與電流反饋

假設輸出端交流短路（RL=0），即uo=0，若反饋信號消失了，則為電壓反饋；若反饋信號仍然存在，則為電流反饋。電壓反饋：反饋信號的大小與輸出電壓成比例。判斷方法——輸出短路法：電流反饋：反饋信號的大小與輸出電流成比例。第三十一頁，共57頁。例題3:試判斷下列電路中引入的反饋是電壓反饋還是電流反饋。電流反饋電壓反饋第三十二頁，共57頁。

4.比較方式——串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號加在放大電路輸入回路的兩個電極。有：ud=ui-uf

并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號加在放大電路輸入回路的同一個電極。有：id=ii-if

此時反饋信號與輸入信號是電壓相加減的關系。此時反饋信號與輸入信號是電流相加減的關系。第三十三頁，共57頁。

對于三極管電路：

若反饋信號與輸入信號同時加在三極管的基極或發(fā)射極，則為并聯(lián)反饋。

若反饋信號與輸入信號一個加在基極一個加在發(fā)射極則為串聯(lián)反饋。第三十四頁，共57頁。

對于運放電路：

若反饋信號與輸入信號同時加在同相端或反相端為并聯(lián)反饋。

若反饋信號與輸入信號一個加在同相端一個加在反相端則為串聯(lián)反饋。第三十五頁，共57頁。7.2.3負反饋對放大電路性能的影響

提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性改善了波形失真展寬了通頻帶改變輸入電阻和輸出電阻

在放大器中引入負反饋

降低了放大倍數(shù)

使放大器的性能得以改善：第三十六頁，共57頁。一.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性閉環(huán)時則只考慮幅值有即閉環(huán)增益相對變化量比開環(huán)減小了1+AF倍另一方面:在深度負反饋條件下

即閉環(huán)增益只取決于反饋網(wǎng)絡。當反饋網(wǎng)絡由穩(wěn)定的線性元件組成時，閉環(huán)增益將有很高的穩(wěn)定性。第三十七頁，共57頁。2.改善放大器的非線性失真Auiufuiuoud加反饋前加反饋后AF+–失真改善uouo第三十八頁，共57頁。3.擴展放大器的通頻帶放大電路加入負反饋后，增益下降，但通頻帶卻加寬了。

無反饋時放大器的通頻帶：fbw=fH－fLfH有反饋時放大器的通頻帶：fbwf=fHf－fLffHf可以證明：fbwf=(1+AF)fbw放大器的一個重要特性：增益與通頻帶之積為常數(shù)。即：Amf×fbwf=Am×fbw020lg|A|（dB）F（Hz）AmfLfHfLffHfAmf第三十九頁，共57頁。4.負反饋對輸入電阻的影響

(1)串聯(lián)負反饋使輸入電阻增加

無反饋時：

有反饋時：第四十頁，共57頁。(2)并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小

無反饋時：

有反饋時：第四十一頁，共57頁。5.負反饋對輸出電阻的影響

電壓負反饋→穩(wěn)定輸出電壓（當負載變化時）→恒壓源→輸出電阻小。(1)電壓負反饋使輸出電阻減小

電流負反饋→穩(wěn)定輸出電流（當負載變化時）→恒流源→輸出電阻大。(2)電流負反饋使輸出電阻提高第四十二頁，共57頁。為改善性能引入負反饋的一般原則要穩(wěn)定直流量——引直流負反饋要穩(wěn)定交流量——引交流負反饋要穩(wěn)定輸出電壓——引電壓負反饋要穩(wěn)定輸出電流——引電流負反饋要增大輸入電阻——引串聯(lián)負反饋要減小輸入電阻——引并聯(lián)負反饋第四十三頁，共57頁。7.3.1比例運算電路一.反相比例運算虛地點i1=if

（虛斷）因為有負反饋，利用虛短和虛斷u+

=0

u－=u+=0（虛地）反饋方式：電壓并聯(lián)負反饋電壓放大倍數(shù):第四十四頁，共57頁。例題1.

R1=10k,Rf=20k,ui=-1V。求:uo、Ri。說明R0的作用，R0應為多大？特點：共模輸入電壓=0（u－=u+=0）缺點：輸入電阻?。?/p>

Ri=R1）R0為平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):R0=R1//Rf第四十五頁，共57頁。二.同相比例運算電路u-=u+=uii1=if（虛斷）平衡電阻R=Rf//R1因為有負反饋，利用虛短