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1、集成运算放大器及其应用,集成电路(IC,integrated circuit):将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小(SSI)、中(MSI)、大(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)；,集成电路概述,集成电路内部结构的特点,1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3.几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4.二极管一般用三
2、极管的发射结构成。,使用IC时的注意事项,IC不耐高温，焊接IC时需要充分注意；IC不能加过高的电压或者反相电压；避免在高湿度的环境中工作。,集成电路,数字（digital）集成电路,模拟（analog）集成电路,集成运算放大器是模拟集成电路的最主要的代表器件，一直在模拟集成电路中居主导地位。由于这种放大器早期是在模拟计算机中实现某种数学运算，故名运算放大器。现在，它的应用已远远超过了模拟计算的范围，在信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域都得到了广泛的应用。,5.1集成运算放大器概述,集成运算放大器的组成,通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。,通常由
3、共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。,通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。,一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。,UEE,+UCC,u+,uo,u,反相输入端,同相输入端,原理框图,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,一、开环差模电压放大倍数Aod,无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的Aod为。,二、共模抑制比KCMMR,常用分贝作单位，一般100dB以上。,三、差模输入电阻rid,ri1M,有的可达100M以上。,四、输出电阻ro,ro=几
4、-几十。,集成运放的主要性能指标,五、最大共模输入电压UIcmax,六、最大差模输入电压UIdmax,七、-3dB带宽fH,运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用于高频信号。,还有其他一些反映运放对称性、零漂等的参数。不再一一介绍。,集成运算放大器的特点,集成运放是一种电压放大倍数高，输入电阻大，输出电阻小，零点漂移小，抗干扰能力强，可靠性高，体积小，耗电少的通用电子器件。,如图所示。它有两个输入端，标“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。,集成运放的电路符号,Auo越
5、大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|12V时，运放处于线性区。,线性放大区,集成运放的电压传输特性,非线性区,集成运算放大器的应用,工作于线性区的称为线性应用，由于集成运放的A非常大，线性区很陡，即使输入电压很小，由于外部干扰等原因，不引入深度的负反馈很难稳定在线性区。工作于饱和区的称为非线性应用。,ri 大:几十k 几百 k,运放的特点,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A uo很大:104 107,运放符号：,理想运算放大器及其分析依据,理想运放的传输特性,由于。线性区几乎与纵坐标重合。
6、不加负反馈时，稍有ud即进入饱和区,时，,时，,在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,运放工作在线性区的特点,5.2 集成运放的非线性应用,所谓非线性应用是指：由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,集成运放的理想化参数：Ado=、rid=、ro=0、KCMR=、等,非线性区（饱和区）,非线性区分析依据：,当i0，即时，oOM当i0，即时，oOM,电压比较器,电压比较器由按开环连接的运算放大器组成，工作在非线性区域。用来对运算放大器的两个输入端
7、的电压进行比较。当同相输入端的电压较高时，输出为正向的最大输出电压；反之，当反相输入端的电压较高时，输出为负的最大输出电压。在输出端若用稳压二极管限幅，输出电压等于稳压二极管的稳定电压。,1.电压比较器,UR,UR为参考电压,当ui UR时,uo=+Uom当ui UR时,uo=-Uom,特点:运放处于 开环状态,UR,当ui UR时,uo=-Uom,若ui从反相端输入,电压比较器(续),电压传输特性曲线,过零比较器:当UR=0时,电压比较器(续),例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。,用稳压管稳定输出电压,忽略了UF,ri 大:几十k 几百 k,运放的特点,KCMRR 很大,ro 小：几十
8、几百,A uo很大:104 107,运放符号：,理想运算放大器及其分析依据,理想运放的传输特性,由于。线性区几乎与纵坐标重合。不加负反馈时，稍有ud即进入饱和区,时，,时，,在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,运放工作在线性区的特点,5.3放大电路中的负反馈,反馈的基本概念,反馈：将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过某种电路（反馈电路）送回到输入回路，从而影响输入信号的过程。反馈到输入回路的信号称为反馈信号。根据反馈信号对输入信号作用的不同，反馈可分为正反馈和负反馈
9、两大类型。反馈信号增强输入信号的叫做正反馈；反馈信号削弱输入信号的叫做负反馈。,取+加强输入信号 正反馈(positive feedback)用于振荡器(oscillator),取-削弱输入信号 负反馈(negative feedback)用于放大器(amplifier),开环(open loop),闭环(closed loop),反馈(feedback)框图：,反馈电路的三个环节：,放大：,反馈：,叠加：,负反馈框图：,输出信号,输入信号,反馈信号,差值信号,开环放大倍数(open loop gain),闭环放大倍数(closed loop gain),反馈系数,负反馈的分析方法,分析步骤：
10、,3.是否负反馈？,4.是负反馈！那么是何种类型的负反馈？（判断反馈的组态）,1.有无反馈？找出反馈网络（电阻）。,2.是交流反馈还是直流反馈？,有无反馈的判断,判断放大电路有无反馈的方法是：看输出量是否通过一定的电路（反馈电路）引回到输入端或者是输入回路，该电路存在，就有反馈，反之无反馈。,交直流反馈及其判断,引回的反馈量是直流量为直流反馈，如果是交流量为交流反馈。判断的方法是通过观察反馈电路，如果有直流通路，直流信号能反馈回去，则存在直流反馈。如果有交流通路，交流信号能反馈回去，则存在交流反馈。,解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。,判断下图中有哪些反馈回路，
11、是交流反馈还是直流反馈。,交、直流反馈,交流反馈,注意电容的“隔直通交”作用！,本级反馈反馈只存在于某一级放大器中,级间反馈反馈存在于两级以上的放大器中,判断下图中的本级反馈与级间反馈,级间反馈,本级反馈,本级反馈,增加隔直电容C后，Rf只对交流起反馈作用。,注：本电路中C1、C2也起到隔直作用。,正负反馈及其判断,根据引回的反馈量对输入量的影响，如果是削弱，为负反馈(negative feedback)；是加强为正反馈(positive feedbak)。正负反馈的判别方法可采用“瞬时极性法”，具体步骤是：在放大电路的输入端加一个瞬时对地的信号（作为输入信号），根据每级放大电路输出与输入的相
12、位关系，一级一级地向后观察，判断在输出端引回反馈的那一点的瞬时相位，在沿反馈回路看回来，得到在输入端的反馈信号的瞬时相位，如果反馈信号是加强输入信号为正反馈，是削弱输入信号为负反馈。,例：判断图示电路的反馈极性。,解：设基极输入信号ui的瞬时极性为正，则发射极反馈信号uf的瞬时极性亦为正，发射结上实际得到的信号ube（净输入信号）与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。,负反馈,例：判断图示电路的反馈极性。,例：判断图示电路的反馈极性。,解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为负，经RF返送回同相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为负，净输入信号
13、ud与没有反馈时相比增大了，即反馈信号增强了输入信号的作用，故可确定为正反馈。,例：判断图示电路的反馈极性。,解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为正，净输入信号ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。,总结,对单级集成运算放大电路，反馈引回到反相输入端为负反馈；反馈引回到同相输入端为正反馈。有多个运放构成的放大电路反馈极性，要根据瞬时极性法具体分析。,负反馈的类型及分析方法,负反馈的类型,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,作用：稳定静态工作点,电压反馈和
14、电流反馈,电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。,根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。,根据输出端的结构，可分为电压反馈和电流反馈。判断方法：将输出端（负载电阻的两端）短路，若反馈消失，是电压反馈，否则为电流反馈。,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。,并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。,串联反馈和并联反馈,根据输入端的结构，可分为串联反馈和并联反馈。判断方法是若输入量与反馈量在同一点，是并联反馈，否则
15、为串连反馈。,1、电压串联负反馈,设ui瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，uf的瞬时极性为正，ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈。,将输出端交流短路，RF直接接地，即反馈信号消失，故为电压反馈。,ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，不在同一点，故为串联反馈。,ui,uf,2、电压并联负反馈,即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈。,将输出端交流短路，RF直接接地，反馈电流if=0，即反馈信号消失，故为电压反馈。,ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而if也加在集成运算
16、放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为并联反馈。,3、电流串联负反馈,设ui瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，uf的瞬时极性为正，ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈。,将输出端交流短路，尽管uo=0，但io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是电流反馈。,ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，不在同一点，故为串联反馈。,ui,uf,即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈。,4、电流并联负反馈,将输出端交流短路，尽管uo=0，但io仍随输入
17、信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是电流反馈。,ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为并联反馈。,电流并联负反馈,判断以下各图的反馈类型,电流并联负反馈,电压串联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,引入电流负反馈的目的稳定输出电流,稳定过程：,RL,判断反馈类型，及电路的工作过程。,接有发射极交流负反馈电阻的放大器,(电流串联负反馈),负反馈电阻RF,性能比较,结论:(1)放大倍数减小了,但稳定了,即受晶体管的影响减小。(2)输入电阻提高了.,RB1=100kRB2=33kRE=2.4kRF=
18、100RC=5kRL=5k=60EC=15Vrbe=1.62 k,放大倍数稳定性的比较,(2)射极跟随器(电压串联负反馈),性能：,（1）放大倍数 1（2）输入电阻大（3）输出电阻小,负反馈对放大电路的影响,负反馈放大器的闭环放大倍数,当Ao很大时,AoF1,结论:当Ao很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关,只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。,负反馈使放大倍数下降。,引入负反馈使电路的稳定性提高。,1.对放大倍数的影响,若:,称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。,2.交流负反馈能改善波形的失真,加反馈前,加反馈后,失真,改善,3.对输入、
19、输出电阻的影响,1、串联反馈使电路的输入电阻增加：,2、并联反馈使电路的输入电阻减小：,3、电压反馈使电路的输出电阻减小：,例如:射极输出器,例如:射极输出器,4、电流反馈使电路的输出电阻增加,4.对通频带的影响,引入负反馈使电路的通频带宽度增加：,总结负反馈对放大器性能的影响,在输出端某点引回反馈，必须引导与这一点相对应的反相输入端才能得到负反馈；稳定静态工作点，要引入直流反馈；稳定放大倍数、减小失真、展宽频带等，要引入交流负反馈；稳定输出电压，要引入电压反馈，稳定输出电流，要引入电流负反馈；提高输入电阻，要引入串联负反馈，降低输入电阻，要引入并联负反馈；提高输出电阻，要引入电流负反馈，降低输出电阻，要引入电压负反馈。,
