第11章 運(yùn)算放大器

+VCCRBRCC1C2T

固定偏置共射極放大電路uiRSusuoRLVCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分壓式偏置電路能夠自動(dòng)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)射極輸出器(共集電極放大電路)T++uiuoRSC1RBC2RERL+VCC靜態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析估算法圖解法微變等效電路法圖解法放大電路的分析（重點(diǎn)）第11章運(yùn)算放大器11.1運(yùn)算放大器的簡單介紹11.2放大電路中的負(fù)反饋11.3運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用11.1.1運(yùn)算放大器的組成11.1運(yùn)算放大器的簡單介紹2、集成電路的特點(diǎn)1.元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；2.二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替；3.電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；4.電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接。1、概述集成運(yùn)放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。3、集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)和符號(hào)a.集成運(yùn)放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖輸入級(jí)偏置電路輸出級(jí)中間級(jí)輸入級(jí)—差動(dòng)放大器輸出級(jí)—射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器中間級(jí)—電壓放大器b.集成運(yùn)算放大器的符號(hào)＋－u－u+uo－＋＋u－u+uo∞反相輸入端同相輸入端

ri

大:幾百k以上c.運(yùn)放的特點(diǎn)：共模抑制比KCMR很大ro

?。簬资畮装?/p>

開環(huán)Ao

很大:104107理想運(yùn)放：ri

KCMR

ro

0Ao

－＋＋u－u+uo∞輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)-UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2ISd.原理框圖：＋

–＋＋＋

–

–輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)+UCCUEE

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量抑制零點(diǎn)漂移和共模噪聲

,

增大輸入阻抗ri。對(duì)中間級(jí)的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，即輸出阻抗ro小。給出足夠的輸出電流io

。F007電路原理圖信號(hào)測量放大器應(yīng)用舉例1.運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性

uo=

f

(

ui

),其中

ui

=

u+–

u–

11.1.2理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)uiuo++–2.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+iiuiriduO“虛斷路”原則(1)+–uiiirid=對(duì)于理想運(yùn)放:相當(dāng)于兩輸入端之間斷路ii

0rid,“虛短路”原則(2)2.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)uiuO++–相當(dāng)于兩輸入端之間短路ui

0,對(duì)于理想運(yùn)放u–u+Auouo=ui–u–=uAuo+“虛斷路”成立；3.理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析依據(jù)注意:u+=u–

不一定成立！運(yùn)放工作在線性工作狀態(tài)的必要條件：必須引入深度負(fù)反饋。輸出u0只有兩種可能：u+>u-時(shí)，u0=UOM;u+<u-時(shí)，u0=-UOM;11.2放大電路中的負(fù)反饋凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號(hào)迭加，就稱為反饋。若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為負(fù)反饋。若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)，就稱為正反饋。VCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分壓式偏置電路能夠自動(dòng)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)RE即直流負(fù)反饋元件例：11.2.1反饋的基本概念正反饋xd

=

xi

+

xf負(fù)反饋xd=

xi

–

xfA=

xo

/

xdF=

xf

/

xoAf

=—

=

——–xoxiA

1+

AFAFxoxixdxf閉環(huán)放大倍數(shù)（負(fù)反饋）xi

—總輸入信號(hào)xd

—凈輸入信號(hào)xf

—反饋信號(hào)開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)xo—輸出信號(hào)反饋：將放大器輸出信號(hào)的一部分或全部經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)送回輸入端。,AF>0－＋＋A0uouI開環(huán)－＋＋A0uouIR1R2閉環(huán)R1、R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)例：反饋極性的判斷：瞬時(shí)極性法先假設(shè)輸入端信號(hào)在某一時(shí)刻對(duì)地的極性，依此向輸出端逐級(jí)判斷電路中各相關(guān)點(diǎn)電位的極性或電流的流向，從而得到輸出信號(hào)的極性；再判斷出反饋信號(hào)的極性，若反饋信號(hào)使基本放大電路的凈輸入信號(hào)減小，則為負(fù)反饋，否則為正反饋。+–R1，R2:引入負(fù)反饋+iiiFiduIR1－＋＋A0uoR2R1R2R3RFDzuOuiUZ+RF,R2:引入正反饋ud例：同相比例運(yùn)算電路R2uiu

oRLRFR1++ud+RF,R1:引入負(fù)反饋例：VCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分壓式偏置電路RE:引入直流負(fù)反饋++例：uiuoR1RLRuf+--+ud++i0+R:引入交直流負(fù)反饋例：+-R1R3R5A1A2R4R2+-vivo例：+R5：局部反饋++—正反饋→←←判斷反饋的極性—負(fù)反饋R1R3R5A1A2R4R2vivo例：+R2：全局反饋

––→↑→判斷反饋的極性11.2.1反饋的基本概念A(yù)FxoxixdxfA=

xo

/

xd開環(huán)放大倍數(shù)F=

xf

/

xo反饋系數(shù)反饋：將放大器輸出信號(hào)的一部分或全部經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)送回輸入端。Af

=—

=

——–xoxiA

1+

AF閉環(huán)放大倍數(shù)（負(fù)反饋）,AF>0負(fù)反饋交流反饋直流反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)定或提供靜態(tài)工作點(diǎn)11.2.2

負(fù)反饋的類型串聯(lián)反饋：ui=

uid+uf輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在兩個(gè)輸入端（同相和反相）上的，是串聯(lián)反饋；例圖uiuoR1RLRuf+--+ud++i0uf≈i0R并聯(lián)反饋：ii

=

iid

+if例圖uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif≈

–—oRF輸入信號(hào)和反饋信號(hào)加在同一個(gè)輸入端（同相或反相）上的，是并聯(lián)反饋；電壓反饋：例圖uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif≈

–—oRF

反饋在輸出端與u0在同一端時(shí)，為電壓反饋反饋信號(hào)取自輸出電壓信號(hào)并與之成正比。電流反饋：例圖uiuoR1RLRuf+--+ud++i0uf≈i0R

反饋在輸出端與u0不在同一端時(shí)，為電流反饋反饋信號(hào)取自輸出電流信號(hào)并與之成正比。－＋＋A0uo+_+_uiRRL例1：判斷反饋的組態(tài)。串聯(lián)電流+++∴R引入交直流負(fù)反饋電壓負(fù)反饋iR2uu

oRLRFR1RFR1引入串聯(lián)例2：判斷反饋的組態(tài)。T++射極輸出器uiuoRSC1RBC2RERL+VCC++RE:串聯(lián)電壓負(fù)反饋例3：判斷反饋的組態(tài)。++uoR2RF引入極間：負(fù)反饋uf+串聯(lián)電流例4：判斷反饋的組態(tài)。RF

1

、RF2分別引入本極：并聯(lián)電壓負(fù)反饋uiRRF1RF2N1N2N3uORF1并聯(lián)電壓負(fù)反饋(級(jí)間)RF2串聯(lián)電壓負(fù)反饋(級(jí)間)例5：判斷RF1、RF2引入的反饋組態(tài)。11.2.4負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號(hào)開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+1.降低放大倍數(shù)負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。則有：同相，所以

AF是正實(shí)數(shù)負(fù)反饋時(shí)，|1+AF|稱為反饋深度，其值愈大，負(fù)反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，Af也就愈小。射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電壓放大倍數(shù)較低就是因?yàn)殡娐分幸肓素?fù)反饋。2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。若|AF|>>1，稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)：在深度負(fù)反饋的情況下，閉環(huán)放大倍數(shù)僅與反饋電路的參數(shù)有關(guān)。1）.串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增加：i3.對(duì)輸入電阻的影響T++射極輸出器：輸入電阻大uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE:電壓串聯(lián)負(fù)反饋2)并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻降低電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。1)電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻降低2)電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻提高4.對(duì)輸出電阻的影響T++射極輸出器：輸出電阻小uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE:電壓串聯(lián)負(fù)反饋5.改善波形的失真uf加入負(fù)反饋無負(fù)反饋FufAuiuo+–uiduo大小略大略小略小略大uiA接近正弦波改善了波形失真6.對(duì)通頻帶的影響引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：fA(f)OAm0.707AmfLfHBWAf(f)Amf0.707AmffLffHfBWf11.3運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+iiuiriduO“虛斷路”原則ii

0(1)+–“虛短路”原則(2)u–u+11.3.1

比例運(yùn)算電路RF引入深度負(fù)反饋uii1

=

—–R1uif

=

–—oRFuo

=

uiRFR1故：uiuoi1ifRFR1R21.反相比例運(yùn)算電路由虛斷路：i1

if且u+=0；稱：“虛地”

u+

u–=

0由“虛短路”原則：虛地：ui1

=—iR1例:反相比例運(yùn)算電路,設(shè):

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3uiuouo=R4R3R4+uo得'uoif

=–RF'RFRR12uiuo2.同相比例運(yùn)算電路ufRFR1uo

=

1+

u+

=

1+

uiRFR1虛斷路id

0虛短路uiu=+uou

=

——–

fR1R1RF+u-u=+故有：u-u

=

f_++uiuo此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。電壓跟隨器理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+iiuiriduO“虛斷路”原則ii

0(1)+–“虛短路”原則(2)u–u+uo

=

uiRFR1uiuoi1ifRFR1R2反相比例運(yùn)算電路RFRR12uiuouf同相比例運(yùn)算電路uo

=

1+

uiRFR1F1u

o3Pui1

ui3ui2

u

=–(

+

+

)

ui2

oui1

ui3

RFRFRFR1R2R3i1i2i3ifＲＲＲＲＲ11.3.2

反相加法運(yùn)算電路2uoRFR1R2R3利用疊加原理進(jìn)行分析ui1i2u"u0=u'o+u0=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″=

1

+

ui2RFR1R2+R3R311.3.3

減法運(yùn)算電路

11ui121例：兩級(jí)反相輸入減法運(yùn)算電路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2F2uo=

—–

?

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12F1F2F2uo1uO

=

(1

+

)(ui2–ui1)RFR2R1RP3.精密測量放大電路１ui反相積分運(yùn)算電路CFuoＲＲ211.3.4積分電路由虛斷和虛地ui1

=——iR1iC

=i1iCuC

duCdt

CF

—–iC

=

uO=–uC可得=

–

——–uoR1CF１uidt∫作業(yè)題11.3.13:已知電源電壓為±15V，ui1=1.1V,ui2=1V。問：輸出電壓uo由0上升到10V所需時(shí)間。uuOi

11.3.5反相微分運(yùn)算電路C1

duidtuo=

–

RF

C1

–—uouiＲＲF輸出