第3章 負反饋和集成運放(一體化)

第三章集成運算放大器及反饋3.1集成運算放大器3.2放大電路中的反饋3.3集成運算放大器的應用圖2-1自動勵磁調(diào)節(jié)器局部電路框圖自動化系統(tǒng)中需要的放大器一般都采用集成運放，要實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)還必須在電路中引入反饋。第三章集成運算放大器及反饋目前大多數(shù)自動化系統(tǒng)中的放大器，都采用集成運算放大器，集成運放應用非常廣泛，下圖是自動勵磁調(diào)節(jié)器中的綜合放大單元，其中的A即集成運放。自動勵磁調(diào)節(jié)器中的綜合放大單元A微機勵磁調(diào)節(jié)器中的模擬信號直流采樣電路圖圖中的A是集成運算放大器A/D式模擬量輸入通道框圖采樣保持器的基本電路變電站綜合自動化系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的典型硬件結(jié)構(gòu)圖第三章負反饋和集成運放3.1概述3.2放大電路中的反饋進入3.3集成運放的線性運用進入3.1集成運算放大器3.1.1集成運算放大器簡介3.1.2集成運放的組成及表示符號進入3.1.3集成運放的主要參數(shù)進入學習目標：認識集成運放符號，知道同相輸入、反相輸入時的輸出輸入關(guān)系，知道集成運放功能及使用方法。3.1.1集成運算放大器簡介一、什么是集成電路：利用集成工藝，將電路的所有元件及聯(lián)接導線集成在同一塊硅片上，封裝在管殼內(nèi)，成為一個具有特定功能的完整電路即集成電路。

二、集成電路的分類：按其功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。模擬集成電路又稱線性集成電路，集成運算放大器（簡稱集成運放）是模擬集成電路中品種最多、應用最廣泛的一類組件。（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。常用有源負載代替大電阻。（4）只能制作幾十pF以下的小電容，如需大電容，只能外接。（5）不能制造電感，如需電感，只能外接。三、集成電路的工藝特點：*二.通用型集成運放F007原理圖AB電流源輸入級中間級輸出級*3.1.2集成運放的組成及表示符號集成運放是高增益、多級、直接耦合放大電路。集成運放常見外形圖集成運放管腳排列圖示例三、集成運算放大器符號和特點＋－u-u+uo國際符號：中國的部頒標準符號：V+∞+－反相輸入端u-+同相輸入端u輸出端ou集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小共模抑制比高仿真μA741的典型連接圖仿真1.連接電路如圖。3.反相輸入端（為什么叫反相輸入端？觀察反相輸入時，輸出與輸入的關(guān)系）2.調(diào)零。（學會調(diào)零）（1）調(diào)零是什么意思？（2）為何要調(diào)零？（3）如何調(diào)零？2、3短接接地，即輸入0，測輸出并調(diào)節(jié)電位器使輸出電壓等于0。

U-分別輸入0V、0.5V和1V電壓，U+接地，測輸出電壓UO

。（觀察結(jié)論：輸出電壓比輸入電壓大即電路有放大功能，輸出電壓與輸入電壓極性相反-說明從這個端輸入時輸出與輸入反相。仿真1.連接電路如圖。3.反相輸入端2.調(diào)零。

U+分別輸入0V、0.5V和1V電壓，U-接地，測輸出電壓UO

。（觀察結(jié)論：輸出電壓比輸入電壓大即電路有放大功能，輸出電壓與輸入電壓極性相同說明從這個端輸入時輸出與輸入同相。4.同相輸入端（為什么叫同相輸入端？觀察同相輸入時，輸出與輸入的關(guān)系）

1.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100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。

2.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應管輸入級可達109歐姆以上。

3.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180dB。3.1.3集成運算放大器的主要參數(shù)特殊集成運算放大器反映集成運放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種運放要想在各種指標上都達到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型運放，各種參數(shù)指標都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場合。特殊類型的集成運放，在某一個或幾個參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶可以從特殊類型集成運放的系列中進行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。特殊運放有高輸入阻抗型、高精度低漂移型、高速型、低功耗型、大功率型等等。3.2.1反饋的概念3.2.2反饋的分類和性質(zhì)進入3.2.3交流負反饋對放大器性能的影響進入3.2放大電路中的反饋輸入量：ui、u+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。3.2.1反饋的概念輸出量：uo正向傳輸——信號從輸入端到輸出端的傳輸正向傳輸反向傳輸uu+f1o－i+RRUiRfUoU+U+反向傳輸——信號從輸出端到輸入端的傳輸（反饋）反饋元件：Rf開環(huán)與閉環(huán)的概念電路中只有正向傳輸，沒有反向傳輸，稱為開環(huán)狀態(tài)。電路中既有正向傳輸，又有反饋稱為閉環(huán)狀態(tài)。uu+f1o－i+RRuu－o++i信號的正向傳輸信號的正向傳輸反饋（反向傳輸）圖3-6

反饋放大器方框圖和例圖(a)閉環(huán)放大器方框圖(b)反饋放大器示例基本放大電路A反饋網(wǎng)絡F開環(huán)放大倍數(shù)：+–反饋系數(shù)：輸出信號原輸入信號反饋信號凈輸入信號反饋放大電路的方框圖反饋放大器閉環(huán)放大倍數(shù)：3.2.2反饋的分類和性質(zhì)＊一、交流反饋和直流反饋二、反饋極性---負反饋與正反饋負反饋——凈輸入量減小。正反饋——使凈輸入量增加。*負反饋類型有四種組態(tài):串聯(lián)電壓負反饋、并聯(lián)電壓負反饋、

串聯(lián)電流負反饋、并聯(lián)電流負反饋。+－A∞+LRRfifid1i1Ruoiu串聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電流負反饋串聯(lián)電流負反饋3.2.3負反饋對放大電路性能的影響

提高增益的穩(wěn)定性減少非線性失真擴展頻帶改變輸入電阻和輸出電阻交流負反饋降低放大倍數(shù)直流負反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點使放大器的性能得以改善：3.3集成運算放大器的應用3.3.1集成運算放大器應用基礎(chǔ)3.3.2基本運算電路進入3.3.1集成運放應用基礎(chǔ)一、運算放大器的理想指標開環(huán)電壓增益Aod=∞;差模輸入電阻Rid=∞;輸出電阻Ro=0;共模抑制比KCMR=∞;UIO、

IIO、αUIO、αIIO均為零;輸入偏置電流IIB=0;-3BdB帶寬fH=∞;1.集成運放的傳輸特性設：電源電壓±VCC=±12V。運放的Aod=104則：│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，當Aod→∞時，線性區(qū)→00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui二、理想運放的工作特點仿真1)集成運放的非線性工作區(qū)理想運放工作在非線性區(qū)時的重要特點：+10V-10V+Uom-Uom0uoui（1）Ii+=Ii-=0（虛斷）（仿真測試）（2）若U+＞U-

則UO=+UOPP；若U+＜U-

則UO=-UOMPP；

若U+=U-

則UO=0工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！ui=u+-u-2.集成運放的二種工作狀態(tài)仿真2)集成運放非線性工作狀態(tài)的應用若ui＞UREF

則UO=+UOPP；

若ui

＜UREF

則UO=-UOPP；若ui

=UREF

則UO=0應用舉例：(1)單限比較器比較器電路可用于圖中的電壓檢測部分圖中的C1和C2均組成比較器(2)滯回比較器若uI＞UT+

則UO=-UOPP；

若uI

＜UT-

則UO=+UOPP；應用舉例：電平檢測勵磁調(diào)節(jié)器中的電源監(jiān)視電路，電源電壓偏離5±0.5V時發(fā)出故障信號。A2和A3組成的滯回比較器（1）Ii+=Ii-=0（虛斷）

（因為Rid≈∞）（2）u+=u-

（虛短）

（因為Au≈∞）2.集成運放的二種工作狀態(tài)運放工作在線性區(qū)的重要特點：2）集成運放的線性工作區(qū)為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋，集成運放工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負反饋。uu+－A∞+RIIRu－u+ffoi11Ii-Ii+仿真3.3.2集成運放的線性應用---信號運算電路一、比例運算電路1、反相比例運算電路（反相放大器）i1=if

（虛斷）利用運放線性工作的特點有：

u－=u+=0（虛地）Rf引入了深度負反饋使電路工作在線性狀態(tài)。輸入端電阻平衡要求：R2=R1//Rf虛地點u+

=0uu+－A∞+RiiRuu－+ffoi11R2則：或：虛地點u+

=0uu+－A∞+RiiRuu－+ffoi11R2可見：輸出信號與輸入信號大小成比例，相位相反。R2=R1//Rf特例：當Rf=R1時，uo=-ui-----反號器（反相器）仿真例：如下圖電路，R1=10k,Rf=20k,ui

=-1V。求:uo

、R0。（取R0=6.8KΩ）*采用T型反饋網(wǎng)絡的反相比例電路目的：在高比例系數(shù)時，避免R1阻值太小，使輸入電阻太小。2、同相比例運算電路（同相放大器）u-=u+=ui（虛短）i1=if（虛斷）其中：Rf引入深度負反饋，平衡電阻R=R1//Rfuu+－A∞+o－uu+fiRf1RRi++i1利用運放線性工作的特點有：即所以：2、同相比例運算電路其中：Rf引入深度負反饋，平衡電阻R=R1//Rf可見：輸出信號與輸入信號大小成比例，相位相同。特例：當R1=∞或Rf=0時uo=ui---電壓跟隨器uu+－A∞+o－uu+fiRf1RRi++i1仿真Au=1電壓跟隨器此電路是同相比例運算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能更好。ui=uo采樣保持器的基本電路應用舉例：微機勵磁調(diào)節(jié)器中的模擬信號直流采樣電路圖A2為電壓跟隨器A為電壓跟隨器若R1=R2=Rf

平衡電阻R0=R1//R2//Rfi1+i2=if二、反相求和電路（加法運算電路）輸出信號等于輸入信號按一定比例求和。仿真上圖是一個反相求和電路，與基本電路相比較，此電路增加了一些輔助環(huán)節(jié)。它將反饋電壓、競比電壓、補償電壓等等調(diào)節(jié)、限制信號，進行求和并放大（綜合放大），實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)并提高調(diào)節(jié)的靈敏度。其中VD5、VD6是輸入端的限幅保護，VT1、VT2接成互補對稱功放電路，使信號得到功率放大，提高帶負載的能力。綜合放大單元的輸出電壓作為移相觸發(fā)單元的控制電壓。電力系統(tǒng)的自動勵磁裝置中的綜合放大單元應用舉例：4位D/A轉(zhuǎn)換器原理圖變電站綜合自動化系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的典型硬件結(jié)構(gòu)圖三、減法運算電路ui1單獨作用

ui2單獨作用根據(jù)疊加原理

綜合：則有：輸出信號等于輸入信號按一定比例相減。1、差動輸入比例運算實現(xiàn)減法運算2、利用加法運算和反相比例運算實現(xiàn)減法運算

[例3-2]如圖3-16所示放大電路中，運放Uopp=12V，R1=9.1KΩ，R2=100KΩ，R3=10KΩ，R4=R6=25KΩ，R5=R7=200KΩ。（1）若ui1=0.5V，ui2=0.1V，求uo=?（2）若ui1=0.5V，ui2=0.3V，求uo=?（3）若ui1=0.5V，ui2=-0.3V，求uo=？解：第一步：先認識電路。電路中A1組成電壓跟隨器，A2組成同相輸入比例運算電路，A3組成減法運算電路。第二步：對各部分電路應用公式。第二步：對各部分電路應用公式。

（1）（2）>Uopp=12V，所以應取uo=Uopp=12V。<-Uopp=-12V，所以應取uo=-Uopp=-12V。（3）1、積分電路

四、積分與微分電路實現(xiàn)了對輸入信號的積分運算應用舉例：輸入方波，輸出三角波。實現(xiàn)了波形變換。tui0tuo0Ui為常數(shù)時，與時間成正比2、微分電路u-=u+=0實現(xiàn)了對輸入信號的微分運算。自動準同步裝置中，通過檢測線性整步電壓斜率判別頻差大小的電路應用舉例：此電路包含了比例、微分及求和運算。圖1-2自動準同步裝置ZZQ-5中鑒別頻差方向的邏輯電路框圖

R1

∞

－

+

Δ

+

C

R

R4

∞

－

+

Δ

+

o

1M

1μF

xR1

∞

－

+

Δ

+

R

R4

∞

－

+

Δ

+