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1、电工电子技术基础,主编 李中发制作 李中发2003年7月,第8章 集成运算放大器,集成运算放大器在线性和非线性应用时的基本概念和分析依据集成运算放大器应用电路的分析方法负反馈的概念、反馈极性及类型的判别，负反馈对放大电路性能的影响。集成运算放大器在线性和非线性应用方面常用电路的组成、工作原理和电路功能,学习要点,8.1 集成运算放大器简介8.2 模拟运算电路8.3 放大电路中的负反馈8.4 信号处理电路8.5 正弦波振荡器,第8章 集成运算放大器,8.1 集成运算放大器简介,8.1.1 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。,通常由共发射
2、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。,集成运放的电路符号如图所示。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。,8.1.2 集成运算放大器的主要参数及种类,1、集成运放的主要参数,2、集成运放的种类,8.1.3 集成运算放大器的理想模型,集成运放的理想化参数：Ado=、rid=、ro
3、=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,集成运放的理想化参数：Ado=、rid=、ro=0、KCMR=、等,线性区（放大区）,线性区分析依据：,（1）虚断。由rid=，得ii0，即理想运放两个输入端的输入电流为零。（2）虚短。由Ado=，得uu，即理想运放两个输入端的电位相等。若信号从反相输入端输入，而同相输入端接地，则uu=0，即反相输入端的电位为地电位，通常称为虚地。,8.2 模拟运算电路,8.2.1 比例运算电路,1、反相输入比例运算电路,2、同相输入比例运算电路,电压跟随器,8.2.2 加法和减法运算电路,1、加法运算电路
4、,2、减法运算电路,例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。,解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。,例：求图示电路中uo与ui的关系。,8.2.3 积分和微分运算电路,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,8.3 放大电路中的负反馈,8.3.1 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
5、负反馈。,若xi、xf和xd三者同相，则xd xi，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用，引入的是负反馈。,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。,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
6、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。,8.3.2 反馈的类型及其判别,根据反馈信号是取自输出电压还是取自输出电流，可分为电压反馈和电流反馈。电压反馈的反馈信号xf取自输出电压uo，xf与uo成正比。电流反馈的反馈信号xf取自输出电流io，xf与io成正比。电压反馈和电流反馈的判别，通常是将放大电路的输出端交流短路（即令uo=0），若反馈信号消失，则为电压反馈，否则为电流反馈。,根据反馈网络与基本放大电路在输入端的连接方式，可分为串联反馈
7、和并联反馈。串联反馈的反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加，ud=uiuf，以得到基本放大电路的输入电压ud。并联反馈的反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加，id=iiif，以得到基本放大电路的输入电流ii。串联反馈和并联反馈可以根据电路结构判别。当反馈信号和输入信号接在放大电路的同一点（另一点往往是接地点）时，一般可判定为并联反馈；而接在放大电路的不同点时，一般可判定为串联反馈。综合以上两种情况，可构成电压串联、电压并联、电流串联和电流并联4种不同类型的负反馈放大电路。,1、电压串联负反馈,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
8、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，故为负反馈。,将输出端交流短路，RF直接接地，反馈电压uf=0，即反馈信号消失，故为电压反馈。,输入信号ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而反馈信号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,设输入信号ui（ii）瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为负，流经RF的电流（反馈信号）if的方向与图示参考方向相同，即if瞬时极性为正，净输入信号id与没有反馈时相比减,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。,输
9、入信号ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而反馈信号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。,ii,if,小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈。,3、电流串联负反馈,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，故为负反馈。,将输出端交流短路，尽管uo=0，但输出电流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。,输入信号ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而反馈
10、信号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,4、电流并联负反馈,设输入信号ui（ii）瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为负，流经RF的电流（反馈信号）if的方向与图示参考方向相同，即if瞬时极性为正，净输入信号id与没有反馈时相比减,将输出端交流短路，尽管uo=0，但输出电流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。,输入信号ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而反馈信号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。,ii,if,小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，
11、故为负反馈。,8.3.3 负反馈对放大电路性能的影响,1、稳定放大倍数,如某放大器的开环放大倍数A=1000，由于外界因素（如温度、电源波动、更换元件等）使其相对变化了dA/A=10%，若反馈系数F=0.009，则闭环放大倍数的相对变化为dAf/Af=10%/(1+10000.009)=1%。可见放大倍数的稳定性大大提高了。但此时的闭环放大倍数为Af=1000/(1+10000.009)=100，比开环放大倍数显著降低，即用降低放大倍数的代价换取提高放大倍数的稳定性。,2、减小非线性失真,无负反馈时产生正半周大负半周小的失真。,引入负反馈后，失真了的信号经反馈网络又送回到输入端，与输入信号反相
12、叠加，得到的净输入信号为正半周小而负半周大。这样正好弥补了放大器的缺陷，使输出信号比较接近于正弦波。,3、展宽通频带,引入负反馈可以展宽放大电路的通频带。这是因为放大电路在中频段的开环放大倍数A较高，反馈信号也较大，因而净输入信号降低得较多，闭环放大倍数Af也随之降低较多；而在低频段和高频段，A较低，反馈信号较小，因而净输入信号降低得较小，闭环放大倍数Af也降低较小。这样使放大倍数在比较宽的频段上趋于稳定，即展宽了通频带。,4、改变输入电阻,对于串联负反馈，由于反馈网络和输入回路串联，总输入电阻为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分串联相加，故可使放大电路的输入电阻增大。对于并
13、联负反馈，由于反馈网络和输入回路并联，总输入电阻为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分并联，故可使放大电路的输入电阻减小。,5、改变输出电阻,对于电压负反馈，由于反馈信号正比于输出电压，反馈的作用是使输出电压趋于稳定，使其受负载变动的影响减小，即使放大电路的输出特性接近理想电压源特性，故而使输出电阻减小。对于电流负反馈，由于反馈信号正比于输出电流，反馈的作用是使输出电流趋于稳定，使其受负载变动的影响减小，即使放大电路的输出特性接近理想电流源特性，故而使输出电阻增大。,8.4 信号处理电路,8.4.1 有源滤波器,滤波器：选出所需要的频率范围内的信号，使其顺利通过；而对于频率超出
14、此范围的信号，使其不易通过。不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为低通、高通、带通和带阻四种。无源滤波器：仅由无源元件R、C构成的滤波器。无源滤波器的带负载能力较差，这是因为无源滤波器与负载间没有隔离，当在输出端接上负载时，负载也将成为滤波器的一部分，这必然导致滤波器频率特性的改变。此外，由于无源滤波器仅由无源元件构成，无放大能力，所以对输入信号总是衰减的。有源滤波器：由无源元件R、C和放大电路构成的滤波器。放大电路广泛采用带有深度负反馈的集成运算放大器。由于集成运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使滤波器输出和输入间有良好的隔离，便于级联，以构成滤波特性好或频率特性有特殊要求的滤
15、波器。,一阶低通滤波器,截止角频率：,8.4.2 采样保持电路,采样阶段：控制信号uG出现时，电子开关接通，输入模拟信号ui经电子开关使保持电容C迅速充电，电容电压即输出电压uo跟随输入模拟信号电压ui的变化而变化。保持阶段：uG=0，电子开关断开，保持电容C上的电压因为没有放电回路而得以保持。一直到下一次控制信号的到来，开始新的采样保持周期。,8.4.3 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。,基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。,输出端接稳压管限幅。设稳
16、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。,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。如图所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子。,8.5 正弦波振荡器,8.5.1 自激振荡条件,起振过程：在无输入信号（xi=0）时，电路中的噪扰电压（如元件的热噪声、电路参数波动引起的电压、电流的变化、电源接通时引起的瞬变过程等）使放大器产生瞬间输出xo，经反馈网络反馈到输入端，得到瞬间输入xd，再经基本放大器放大，又在输出端产生新的输出信号xo，如此反复。在无反馈或负反馈情况下，输出xo会逐渐减小，直到消失。但在正反馈情况下，xo会很快增大，最后由于饱和等原因输出稳定在xo，并靠反馈永久保持下去。,起振时必须满足：AF1。,8.5.2 RC正弦波振荡器,正弦波振荡器的基本组成部分：基本放大电路正反馈网络选频网络,正弦波振荡器的分类：RC正弦波振荡器LC正弦波振荡器,文氏电桥振荡器,放大器的电压放大倍数为：,反馈网络具有选频作用。,RC反馈网络的反馈系数为：,
