第7章 運(yùn)算放大器及應(yīng)用

第七章

運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

第一節(jié)集成運(yùn)算放大器

第二節(jié)負(fù)反饋放大器第三節(jié)運(yùn)算放大器的應(yīng)用

返回主目錄第一節(jié)集成運(yùn)算放大器

一、集成運(yùn)算放大器的組成及符號(hào)1。電路的組成圖7－1集成運(yùn)放外形圓殼式雙列直插式圖7－2集成運(yùn)放的組成框圖集成運(yùn)算放大器各級(jí)的作用輸入級(jí)：要求輸入電阻高，能夠抑制零點(diǎn)漂移和干擾信號(hào)。采用差動(dòng)放大電路，它有同相和反相兩個(gè)輸入端。中間級(jí)：電壓放大，要求電壓放大倍數(shù)高，一般由共射放大電路組成。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求其輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路或射極輸出器組成。偏置電路的作用：為上述各級(jí)電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。一般由各種恒流源組成。2、集成運(yùn)放的圖形符號(hào)及引腳圖7-3集成運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)新符號(hào)舊符號(hào)同相輸入端反相輸入端圖7－4CF741引腳功能二、運(yùn)放的種類(lèi)和主要參數(shù)1.種類(lèi)（1）通用型其性能指標(biāo)適合一般情況下使用，其特點(diǎn)是電源電壓適應(yīng)范圍廣，不需要外接補(bǔ)償電容來(lái)防止電路自激，允許有較大的輸入電壓等。（2）低功耗型靜態(tài)功耗≤2mW，如FX253等。（3）高精度型溫度變化時(shí)其漂移電壓很小，能保證組成的電路對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，如CF725（國(guó)外的μA725）、CF7650（國(guó)外的ICL7650）等。（4）高阻型輸入電阻可達(dá)1012Ω，如F55系列等。（1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

指運(yùn)放在無(wú)外加反饋情況下的空載電壓放大倍數(shù)（差模輸入），一般約為103~107，即80~140dB（20Lg|Auo|）。（2）差模輸入電阻ri

指運(yùn)放在差模輸入時(shí)的開(kāi)環(huán)輸入電阻，一般在幾十千歐~幾十兆歐范圍。ri

越大，性能越好。（3）開(kāi)環(huán)輸出電阻ro

指運(yùn)放無(wú)外加反饋回路時(shí)的輸出電阻，開(kāi)環(huán)輸出電阻ro越小，帶負(fù)載能力越強(qiáng)。一般約為20~200Ω。2、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)KCMR=

（4）共模抑制比KCMR

用來(lái)綜合衡量運(yùn)放的放大和抗零漂、抗共模干擾的能力，KCMR越大，抗共模干擾能力越強(qiáng)。一般在80dB以上。（7－1）

（5）輸入失調(diào)電壓Uio

實(shí)際運(yùn)算放大器，當(dāng)輸入電壓u＋

=u－=0時(shí)，輸出電壓uO

≠0，將其折合到輸入端就是輸入失調(diào)電壓。它在數(shù)值上等于輸出電壓為零時(shí)兩輸入端之間應(yīng)施加的直流補(bǔ)償電壓。Uio的大小反應(yīng)了輸入級(jí)差動(dòng)放大電路的不對(duì)稱(chēng)程度，顯然其值越小越好，一般為幾毫伏，高質(zhì)量的在1mV以下。（6）輸入失調(diào)電流Io

輸入失調(diào)電流是輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流之差。Iio一般為納安級(jí)，其值越小越好。

（7）最大輸出電壓UoPP

指運(yùn)放在空載情況下，最大不失真輸出電壓的峰—峰值。三、理想運(yùn)算放大器的理想特性1．理想化條件(三高一低)

開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞；差模輸入電阻ri

→∞；開(kāi)環(huán)輸出電阻ro→0；共模抑制比KCMR→∞

。

在分析運(yùn)算放大器時(shí)，一般可將它看成是一個(gè)理想運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)的兩個(gè)推論：“虛短”、“虛斷”1）由于Auo→∞，而輸出電壓是有限電壓，從式（7-1）可知ui+－ui－＝uo／Auo≈0，即

ui＋≈ui－

（7－2）上式說(shuō)明同相輸入端和反相輸入端之間相當(dāng)于短路。由于不是真正的短路，故稱(chēng)“虛短”。2）由于運(yùn)算放大器的差模電阻rid→∞，而輸入電壓ui＝ui+-ui－是有限值，兩個(gè)輸入端電流i

i+=ii－=ui／ri

，即

ii+=ii－≈0

（7－3）上式說(shuō)明同相輸入端和反相輸入端之間相當(dāng)于斷路。由于不是真正的斷路，故稱(chēng)“虛斷”。四、集成運(yùn)放的使用常識(shí)1.合理選用集成運(yùn)放型號(hào)1)高輸入阻抗型3)高速型2)高精度型

4)低功耗型2.了解管腳功能，掌握粗測(cè)方法1)能用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)引線端之間有無(wú)短路或開(kāi)路現(xiàn)象.例如正負(fù)電源端線與地線端及其它引線端不能短路；輸入端或輸出端也不能和地線端及其它引線端短路2)在粗測(cè)集成運(yùn)放時(shí)應(yīng)注意：不用大電流擋（如R×1Ω擋）測(cè)量，以避免電流過(guò)大而燒壞PN結(jié)；也不能用高壓擋（如R×10KΩ擋）測(cè)量，以避免電壓過(guò)高而使PN結(jié)擊穿。3.保護(hù)措施1)電源端保護(hù)圖7-6電源端保護(hù)

2)輸入端保護(hù)圖7-7輸入端保護(hù)五、集成運(yùn)放的三種輸入方式1.反相放大器

(1)電路結(jié)構(gòu)

圖7-8反相放大器

R2=R1//Rf，

2）電壓放大倍數(shù)

ii=0

i1=if

虛地

(7-4)

負(fù)號(hào)表示輸出電壓uo與ui

相位相反圖7-8反相放大器

則

(7-5)

五、集成運(yùn)放的三種輸入方式2.同相放大器

(1)電路結(jié)構(gòu)

圖7-9同相放大器

（2）電壓放大倍數(shù)圖7-9同相放大器uo=i1(R1+Rf)

ui=ui+=ui-=i1R1

Auf

=

Auf

=

(7-6)

ii=0

(7-7)

3.差動(dòng)放大器（1）電路結(jié)構(gòu)

圖7-10差動(dòng)放大器

（2）電壓放大倍數(shù)由疊加原理當(dāng)ui1單獨(dú)作用時(shí),為反相放大關(guān)系

當(dāng)ui2單獨(dú)作用時(shí),為同相放大關(guān)系

u0+=（2）電壓放大倍數(shù)當(dāng)Ｒ１＝Ｒ２，且Rf

=R3時(shí)，上式變?yōu)?7-8)

(7-9)

Auf=

第二節(jié)負(fù)反饋放大器一、反饋的基本概念負(fù)反饋的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)、穩(wěn)定放大倍數(shù)、改變輸入、輸出電阻、拓展通頻帶、減小非線性失真等。反饋：凡是將放大電路輸出信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部通過(guò)某種電路（反饋電路）引回到輸入端，就稱(chēng)為反饋。負(fù)反饋：若引回的反饋信號(hào)削弱輸入信號(hào)而使放大電路的放大倍數(shù)降低，則稱(chēng)這種反饋為負(fù)反饋。正反饋：若反饋信號(hào)增強(qiáng)輸入信號(hào)，則為正反饋。圖7-11反饋放大電路方框圖二、反饋類(lèi)型的判別方法1.有無(wú)反饋的判別

在放大電路的輸出端與輸入端之間有電路連接，就有反饋，否則就沒(méi)有反饋。圖7-12有無(wú)反饋的判別a)無(wú)反饋的放大電路b)有反饋的放大電路

2．電流、電壓反饋的判斷反饋信號(hào)取自于是輸出電壓，且Xf∝u0，是電壓反饋；若反饋信號(hào)取自于輸出電流，且Xf∝io，是電流反饋。圖7-13電壓、電流反饋判別a)電壓反饋框圖b)電流反饋框圖

3．串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判斷若輸入信號(hào)ui與反饋信號(hào)uf在輸入端相串聯(lián)，且以電壓相減的形式出現(xiàn)，即ui′=ui-uf，為串聯(lián)反饋；若輸入信號(hào)ii與反饋信號(hào)if在輸入回路并聯(lián)且以電流相減形式出現(xiàn)，即ii′=ii-if為并聯(lián)反饋。如圖7-14所示。

圖7-14串并聯(lián)反饋的判別a)串聯(lián)負(fù)反饋框圖b)并聯(lián)負(fù)反饋框圖

4．正、負(fù)反饋的判斷用瞬時(shí)極性法，先在放大器輸入端設(shè)出輸入信號(hào)極性的“+”或“-”，再依次按相關(guān)點(diǎn)的相位變化推出各點(diǎn)對(duì)地交流瞬時(shí)極性，最后根據(jù)反饋回輸入端（或輸入回路）的反饋信號(hào)瞬時(shí)極性看其效果，使原輸入信號(hào)消弱的是負(fù)反饋，否則是正反饋。如圖7-15所示圖7-15正、負(fù)反饋的判別a）負(fù)反饋b）正反饋5．交、直流反饋的判別如圖7-16a所示，交流成分被C旁路掉，在R2上產(chǎn)生的反饋信號(hào)只有直流成分，所以為直流反饋；如圖7-16b所示電路，由于電容C的隔直作用使Rf上只有交流成分，所以為交流反饋。圖7-16交、直流反饋的判斷a）直流反饋b）交流反饋三、負(fù)反饋放大器的四種組態(tài)

1.電壓并聯(lián)負(fù)反饋如圖7-17所示電路。圖7-17電壓并聯(lián)負(fù)反饋

2.電壓串聯(lián)負(fù)反饋如圖7-18所示電路圖7-18電壓串聯(lián)負(fù)反饋3.電流并聯(lián)負(fù)反饋如圖7-19所示電路。圖7-19電流并聯(lián)負(fù)反饋4.電流串聯(lián)負(fù)反饋如圖7-20所示電路。圖7-20電流串聯(lián)負(fù)反饋四、負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響1．負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降A(chǔ)u=u0/ui′

Auf=u0/ui

F=Auf====

====Auf=開(kāi)環(huán)閉環(huán)（7-10）

（7-11）

反饋深度：（1+AuF）是衡量負(fù)反饋程度的一個(gè)重要指標(biāo)，稱(chēng)為反饋深度。（1+AuF）越大，放大倍數(shù)Auf越小。深度負(fù)反饋：當(dāng)AuF＞＞1時(shí)稱(chēng)為深度負(fù)反饋，此時(shí)Auf

≈1/F，可以認(rèn)為放大電路的放大倍數(shù)只由反饋電路決定，而與基本放大電路放大倍數(shù)無(wú)關(guān)。

結(jié)論：引入深度負(fù)反饋后，放大倍數(shù)Auf=1/F，即基本不受外界因素變化的影響，放大電路的工作非常穩(wěn)定。2．負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高

3．改善非線性失真

圖7－21負(fù)反饋對(duì)非線性失真的改善4．拓展通頻帶圖7－22負(fù)反饋展寬放大器的通頻帶5.負(fù)反饋對(duì)輸入電阻和輸出電阻的影響1）負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響取決于反饋信號(hào)在輸入端的連接方式。圖7-23串聯(lián)負(fù)反饋提高輸入電阻串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻提高圖7-24并聯(lián)負(fù)反饋降低輸入電阻并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻降低。電壓負(fù)反饋降低輸出電阻，目的是穩(wěn)定輸出電壓從輸出端看放大電路，可用戴維南等效電路來(lái)等效理想狀態(tài)下，ro=0，輸出電壓為恒壓源特性，電壓負(fù)反饋越深，輸出電阻越小，輸出電壓越穩(wěn)定。

電流負(fù)反饋提高輸出電阻，目的是穩(wěn)定輸出電流從輸出端看，放大電路可等效為電流源與電阻并聯(lián)。理想狀態(tài)下，ro=∞，輸出電流為恒流源特性。電流負(fù)反饋越深，輸出電阻越大，輸出電流越穩(wěn)定。一、運(yùn)放的線性應(yīng)用的必要條件第三節(jié)運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很高，很難使運(yùn)放工作在線性區(qū).由于溫漂等影響，相當(dāng)于在輸入端加上了毫伏數(shù)量級(jí)的電壓，使運(yùn)放在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，輸出電壓為最大值或最小值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為運(yùn)放進(jìn)入正或負(fù)的飽和狀態(tài)。例如，μA741開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為105以上，如果兩輸入端之間加上1mV的電壓，按工作在線性區(qū)來(lái)計(jì)算，輸出電壓應(yīng)為1mV×105=100V，這是不可能的，因?yàn)棣藺741的電源電壓最大是±18V，不可能有100V的電壓輸出，這是因?yàn)檫\(yùn)放內(nèi)部一些晶體管已經(jīng)工作到飽和區(qū)或截止區(qū)，使輸出端只能接近電源電壓的大小。綜上所述，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)狀態(tài)是無(wú)法進(jìn)行線性放大的，解決的辦法是引入負(fù)反饋。所以負(fù)反饋是運(yùn)放線性應(yīng)用的必要條件。二、運(yùn)放的線性應(yīng)用1．信號(hào)運(yùn)算電路（1）加法運(yùn)算電路（加法器）平衡電阻R2=R11//R12//R13//Rf

。圖7-26加法運(yùn)算電路由于ui－=

ui＋及ii＋=ii-=0，運(yùn)放的反相輸入端“虛地”，于是（7－12）

當(dāng)R11=R12=R13=Rf

=R1時(shí)，

（7－13）上式表明，如圖7-26所示電路的輸出電壓u0為各輸入信號(hào)電壓之和，由此完成加法運(yùn)算。式中的負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。（2）減法運(yùn)算電路（減法器）圖7-27減法運(yùn)算電路

u0=ui2-ui1

當(dāng)R1=R2=R3=Rf

時(shí)，

由式（7-8）得

2．電壓—電流變換電路

圖7－27b為同相輸入式電壓—電流變換器。其效果與反相輸入式電壓—電流變換器相同，如式（7－15）。

iL

=i1=（7－15）（1）電壓—電流變換電路將輸入電壓變換成與之成正比的輸出電流的電路，稱(chēng)為電壓—電流變換器。如圖7－27a所示為反相輸入式電壓—電流變換器。在理想條件下，有上式說(shuō)明，負(fù)載電流與輸入電壓成正比，而與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)。只要輸入電壓ui

恒定，則輸出電流iL

將穩(wěn)定不變。圖7－27電壓—電流變換電路反相輸入式同相輸入式（2