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1、学习集成运算放大器,学习目的与要求,1.了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号；2.掌握集成运放的理想化条件及其分析方法；3.理解集成运放的线性应用及其工作原理；4.了解一般集成运放的简单非线性应用。,第14章 集成运算放大器,14.1 集成运算放大器概述14.2 反馈的基本概念14.3 负反馈对放大电路性能的改善14.4 理想运算放大器14.5 基本运算电路14.6 电压比较器14.7 RC正弦波振荡电路,Home,14.1 集成运算放大器概述,14.1.1 集成运算放大器的组成14.1.2 电压传输特性,14.1.1 集成运算放大器的组成,概念:是一种电压放大倍数很高的直接耦合的多级放大
2、电路组成:输入级,中间级和输出级三个基本部分组成输入级:双端输入的差分放大电路中间级:完成电压放大,一般采用共射放大电路输出级:采用互补对称放大电路或共集放大电路,1集成运算放大器概述,集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。,集成运算放大器,输入级一般是差动放大器，利用其对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、同相输入端两个输入端；中间级的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电路组成；输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力
3、。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。,集成电路的几种外形,左图所示为A741集成运算放大器的芯片实物外形图,从实物外形图上可看出，A741集成运放有8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：,空脚,正电源端,输出端,调零端,调零端,反相输入端,同相输入端,负电源端,集成运放的电路图符号,外部接线图,2集成运算的主要技术指标,指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。集成运放的Au0一般很高，约为104107；,集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出
4、电阻很低，约在几十欧至几百欧之间；,（2）差模输入电阻ri和输出电阻r0,（1）开环电压放大倍数Au0,指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。,（3）最大共模输入电压Uicmax,14.1.1 集成运算放大器的组成,集成运放的特点：,电压增益高,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,14.1.2 电压传输特性,集成运放的输出电压与输入电压之间的关系称为集成运放的电压传输特性,Ao越大，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。,运放工作在
5、线性区时的特点,例：若UOM=12V，Ao=106，则|ui|12V时，运放 处于线性区。,线性放大区,14.2 反馈的基本概念,概念:将放大电路输出回路的输出信号(电压或电流)通过某一电路或元件,部分或全部的送回输入回路的措施称为反馈.开环电压放大倍数:闭环电压放大倍数:反馈系数:,取+加强输入信号 正反馈 用于振荡器,取-削弱输入信号 负反馈 用于放大器,开环,闭环,负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。,反馈框图：,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,闭环放大倍数,
6、反馈系数,负反馈放大器的一般关系：,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。,14.2.1 反馈的分类,1 正反馈和负反馈2 交流反馈和直流反馈3 串联反馈和并联反馈4 电流反馈和电压反馈,1 正反馈和负反馈,正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。,负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。,另一角度,正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。,负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。,判别方法：瞬时极性法。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节
7、点电压变化的斜率（正斜率或负斜率，用“+”、“-”号表示）。,例,(+),(+),(-),(-),(-),净输入量,(+),(+),(-),(-),净输入量,负反馈,正反馈,反馈通路,反馈通路,级间反馈通路,(+),(+),(+),(+),(-),(-),净输入量,级间负反馈,2 交流反馈和直流反馈,根据反馈到输入端的信号是交流，还是直流，或同时存在，来进行判别。,取决于反馈通路。,例,(+),(+),(+),(+),交、直流负反馈,(+),3 串联反馈和并联反馈,串联反馈:反馈信号与输入信号以串联的形式作用于净输入端并联反馈:反馈信号与输入信号以并联形式作用于净输入端,4 电流反馈和电压反馈
8、,电压反馈:如果反馈信号取自输出电压,与输出电压成比例电流反馈:如果反馈信号取自输出电流,与输出电流成比例,5 四种类型的反馈阻态,1).类型,由此可组成四种阻态：,输入端：反馈信号在输入端的联接分为串联和并联两种方式。,输出端：反馈信号在输出端分为取电压和取电流两种方式。,电压串联,电压并联,电流串联,电流并联,2).四种阻态的判断方法,电流：将反馈接到非输出端。,电压：将反馈接到输出端。,14.3 负反馈对放大电路性能的改善,1 提高增益的稳定性,4 减少非线性失真,2 对输入电阻和输出电阻的影响,5 为改善性能引入负反馈的一般原则,3 展宽通频带,五为改善性能引入负反馈的一般原则,要稳定
9、直流量,引直流负反馈,要稳定交流量,引交流负反馈,要稳定输出电压,引电压负反馈,要稳定输出电流,引电流负反馈,要增大输入电阻,引串联负反馈,要减小输入电阻,引并联负反馈,由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,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,一、在分析信号运算电路时对运放的处理,二、分析运放组成的线性电路的出发点,虚短路虚开路放大倍数与负载无关，可以分开分析。,14.5 基本运算电路,比例运算电路加法运算电路减法运算电路微分运算电路积分运算电路,比例运算
10、电路,信号的运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,i1=i2,1.放大倍数,虚短路,虚开路,一、反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,虚开路,RP=R1/R2,uo,反相比例电路的特点：,1.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,4.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。
11、,二、同相比例运算电路,u-=u+=ui,反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。,虚短路,虚开路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,虚开路,同相比例电路的特点：,3.共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,加减运算电路,作用：将若干个输入
12、信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,一、反相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,二、同相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,此电路如果以 u+为输入，则输出为：,u+与 ui1 和 ui2 的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,3、减
13、法运算电路,四、双运放的加减运算电路,五、三运放电路,虚短路：,虚开路：,三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。,1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。,2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,比例运算电路与加减运算电路小结,4微分、积分运算电路,（1）积分运算电路,ui为恒定电压时积分电路uo的波形,（2）微分运算电路,运算电路要求,1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用“虚开路(ii=0)”和“虚
14、短路(u+=u)”分析给定运算电路的 放大倍数。,5集成运算放大电路的非线性应用电压比较器,运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压uo达到最大值UOM。,电路特点：1、在反相输入端提供一个基值电压；2、待比较信号由同相输入端输入；3、电路处于开环工作方式，运放工作在饱和区（非线性区）；4、输出 uo 为二值信号；(uo=AU(ui-UR),+,-,+,ui,+,-,UR,uo,u-,u+,ui,uo,UR,+Uom,-Uom,例：,ui,UR,uo,-Uom,+Uom,基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，称
15、为过零比较器。,输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通，uo=0；uiUR时，稳压管反向击穿，uo=UZ时。,1、过零比较器（UR=0）,+,-,+,ui,uo,u-,u+,ui,uo,+Uom,-Uom,传输特性,例：将三角波变换 为矩形波；,ui,UR,uo,+Uom,-Uom,输出端接双向稳压管进行双向限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通，uo=UZ；uiUR时，稳压管反向击穿，uo=UZ时。,电压比较器广泛应用在模-数接口、电平检测及波形变换等领域。右图所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波
16、的例子。,例：已知ui波形，UZ=6V；画出uo波形,+,-,+,+,-,UR=2V,UZ,ui,uo,R,ui,+4v,-4v,uo,分析：1、输出电压只能是+6V或-6V；2、uo 为+6V，则运放输出端 电压为正，对应输入端应 满足u-u+，即ui 2V；,u-,u+,+2V,-6V,+6V,14.4 滞回比较器,1.滞回比较器(下行),特点:电路中使用正反馈,运放处于非线性状态,1、因为有正反馈，所以输出饱和。,2、当uo正饱和时(uo=+UOM)：,3、当uo负饱和时(uo=-UOM)：,滞回比较器(下行),设ui,当ui=U+L,uo从-UOM+UOM,这时,uo=-UOM,U+=
17、U+L,设初始值:uo=+UOM,U+=U+H 设ui,当ui=U+H,uo从+UOM-UOM,传输特性,U+H上门限电压U+L下门限电压U+H-U+L称为回差,例:设输入为正弦波,画出输出的波形。,加上参考电压后的滞回比较器(下行)：,上下限：,例题：R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。,上下限：,=10V,=2V,滞回比较器(下行)两种电路传输特性的比较:,1 产生自激振荡的原理,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,14.3 正弦波振荡电路,如果：,反馈信号代替了放大电路的输入信号。,自激振荡条件的推导,自激振荡的条件,自
18、激振荡的条件：,因为：,所以，自激振荡条件也可以写成：,（1）振幅条件：,（2）相位条件：,n是整数,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。,问题1：如何启振？,Uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。,放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。,选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：,|AF|1，且A+B=2n，即可起振。,问题2：如何稳幅？,起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。,达到需要的
19、幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。,具体方法将在后面具体电路中介绍。,起振并能稳定振荡的条件：,自激振荡的条件,（1）相位条件,A+F=2 n（n=0，1，2，.）,反馈信号与输入信号同相位，产生正反馈；,（2）幅值条件,Ao F=1,由 Ao F 1 到 Ao F=1 的过程，即自激振荡的建立过程；,uo,Ao F 1,Ao F=1,正弦波振荡器都包含放大电路、正反馈电路、选频电路和限幅电路,2 RC振荡电路,用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。,一、选频电路,时，相移为0。,如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：,文氏桥选频电路,文氏桥选频电路,相频特性：,如果：R1=R2=R，C1=C2=C,二、用运放组成的RC振荡器,所以，要满足相位条件，只有在 fo 处,因为：,
