第7章 運算放大器及應(yīng)用

第七章

運算放大器及其應(yīng)用

第一節(jié)集成運算放大器

第二節(jié)負反饋放大器第三節(jié)運算放大器的應(yīng)用

返回主目錄第一節(jié)集成運算放大器

一、集成運算放大器的組成及符號1。電路的組成圖7－1集成運放外形圓殼式雙列直插式圖7－2集成運放的組成框圖集成運算放大器各級的作用輸入級：要求輸入電阻高，能夠抑制零點漂移和干擾信號。采用差動放大電路，它有同相和反相兩個輸入端。中間級：電壓放大，要求電壓放大倍數(shù)高，一般由共射放大電路組成。輸出級：與負載相接，要求其輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器組成。偏置電路的作用：為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點。一般由各種恒流源組成。2、集成運放的圖形符號及引腳圖7-3集成運算放大器的圖形符號新符號舊符號同相輸入端反相輸入端圖7－4CF741引腳功能二、運放的種類和主要參數(shù)1.種類（1）通用型其性能指標適合一般情況下使用，其特點是電源電壓適應(yīng)范圍廣，不需要外接補償電容來防止電路自激，允許有較大的輸入電壓等。（2）低功耗型靜態(tài)功耗≤2mW，如FX253等。（3）高精度型溫度變化時其漂移電壓很小，能保證組成的電路對微弱信號檢測的準確性，如CF725（國外的μA725）、CF7650（國外的ICL7650）等。（4）高阻型輸入電阻可達1012Ω，如F55系列等。（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

指運放在無外加反饋情況下的空載電壓放大倍數(shù)（差模輸入），一般約為103~107，即80~140dB（20Lg|Auo|）。（2）差模輸入電阻ri

指運放在差模輸入時的開環(huán)輸入電阻，一般在幾十千歐~幾十兆歐范圍。ri

越大，性能越好。（3）開環(huán)輸出電阻ro

指運放無外加反饋回路時的輸出電阻，開環(huán)輸出電阻ro越小，帶負載能力越強。一般約為20~200Ω。2、集成運算放大器的主要參數(shù)KCMR=

（4）共模抑制比KCMR

用來綜合衡量運放的放大和抗零漂、抗共模干擾的能力，KCMR越大，抗共模干擾能力越強。一般在80dB以上。（7－1）

（5）輸入失調(diào)電壓Uio

實際運算放大器，當輸入電壓u＋

=u－=0時，輸出電壓uO

≠0，將其折合到輸入端就是輸入失調(diào)電壓。它在數(shù)值上等于輸出電壓為零時兩輸入端之間應(yīng)施加的直流補償電壓。Uio的大小反應(yīng)了輸入級差動放大電路的不對稱程度，顯然其值越小越好，一般為幾毫伏，高質(zhì)量的在1mV以下。（6）輸入失調(diào)電流Io

輸入失調(diào)電流是輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流之差。Iio一般為納安級，其值越小越好。

（7）最大輸出電壓UoPP

指運放在空載情況下，最大不失真輸出電壓的峰—峰值。三、理想運算放大器的理想特性1．理想化條件(三高一低)

開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞；差模輸入電阻ri

→∞；開環(huán)輸出電阻ro→0；共模抑制比KCMR→∞

。

在分析運算放大器時，一般可將它看成是一個理想運算放大器。運算放大器工作在線性區(qū)的兩個推論：“虛短”、“虛斷”1）由于Auo→∞，而輸出電壓是有限電壓，從式（7-1）可知ui+－ui－＝uo／Auo≈0，即

ui＋≈ui－

（7－2）上式說明同相輸入端和反相輸入端之間相當于短路。由于不是真正的短路，故稱“虛短”。2）由于運算放大器的差模電阻rid→∞，而輸入電壓ui＝ui+-ui－是有限值，兩個輸入端電流i

i+=ii－=ui／ri

，即

ii+=ii－≈0

（7－3）上式說明同相輸入端和反相輸入端之間相當于斷路。由于不是真正的斷路，故稱“虛斷”。四、集成運放的使用常識1.合理選用集成運放型號1)高輸入阻抗型3)高速型2)高精度型

4)低功耗型2.了解管腳功能，掌握粗測方法1)能用萬用表測量各個引線端之間有無短路或開路現(xiàn)象.例如正負電源端線與地線端及其它引線端不能短路；輸入端或輸出端也不能和地線端及其它引線端短路2)在粗測集成運放時應(yīng)注意：不用大電流擋（如R×1Ω擋）測量，以避免電流過大而燒壞PN結(jié)；也不能用高壓擋（如R×10KΩ擋）測量，以避免電壓過高而使PN結(jié)擊穿。3.保護措施1)電源端保護圖7-6電源端保護

2)輸入端保護圖7-7輸入端保護五、集成運放的三種輸入方式1.反相放大器

(1)電路結(jié)構(gòu)

圖7-8反相放大器

R2=R1//Rf，

2）電壓放大倍數(shù)

ii=0

i1=if

虛地

(7-4)

負號表示輸出電壓uo與ui

相位相反圖7-8反相放大器

則

(7-5)

五、集成運放的三種輸入方式2.同相放大器

(1)電路結(jié)構(gòu)

圖7-9同相放大器

（2）電壓放大倍數(shù)圖7-9同相放大器uo=i1(R1+Rf)

ui=ui+=ui-=i1R1

Auf

=

Auf

=

(7-6)

ii=0

(7-7)

3.差動放大器（1）電路結(jié)構(gòu)

圖7-10差動放大器

（2）電壓放大倍數(shù)由疊加原理當ui1單獨作用時,為反相放大關(guān)系

當ui2單獨作用時,為同相放大關(guān)系

u0+=（2）電壓放大倍數(shù)當Ｒ１＝Ｒ２，且Rf

=R3時，上式變?yōu)?7-8)

(7-9)

Auf=

第二節(jié)負反饋放大器一、反饋的基本概念負反饋的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點、穩(wěn)定放大倍數(shù)、改變輸入、輸出電阻、拓展通頻帶、減小非線性失真等。反饋：凡是將放大電路輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部通過某種電路（反饋電路）引回到輸入端，就稱為反饋。負反饋：若引回的反饋信號削弱輸入信號而使放大電路的放大倍數(shù)降低，則稱這種反饋為負反饋。正反饋：若反饋信號增強輸入信號，則為正反饋。圖7-11反饋放大電路方框圖二、反饋類型的判別方法1.有無反饋的判別

在放大電路的輸出端與輸入端之間有電路連接，就有反饋，否則就沒有反饋。圖7-12有無反饋的判別a)無反饋的放大電路b)有反饋的放大電路

2．電流、電壓反饋的判斷反饋信號取自于是輸出電壓，且Xf∝u0，是電壓反饋；若反饋信號取自于輸出電流，且Xf∝io，是電流反饋。圖7-13電壓、電流反饋判別a)電壓反饋框圖b)電流反饋框圖

3．串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判斷若輸入信號ui與反饋信號uf在輸入端相串聯(lián)，且以電壓相減的形式出現(xiàn)，即ui′=ui-uf，為串聯(lián)反饋；若輸入信號ii與反饋信號if在輸入回路并聯(lián)且以電流相減形式出現(xiàn)，即ii′=ii-if為并聯(lián)反饋。如圖7-14所示。

圖7-14串并聯(lián)反饋的判別a)串聯(lián)負反饋框圖b)并聯(lián)負反饋框圖

4．正、負反饋的判斷用瞬時極性法，先在放大器輸入端設(shè)出輸入信號極性的“+”或“-”，再依次按相關(guān)點的相位變化推出各點對地交流瞬時極性，最后根據(jù)反饋回輸入端（或輸入回路）的反饋信號瞬時極性看其效果，使原輸入信號消弱的是負反饋，否則是正反饋。如圖7-15所示圖7-15正、負反饋的判別a）負反饋b）正反饋5．交、直流反饋的判別如圖7-16a所示，交流成分被C旁路掉，在R2上產(chǎn)生的反饋信號只有直流成分，所以為直流反饋；如圖7-16b所示電路，由于電容C的隔直作用使Rf上只有交流成分，所以為交流反饋。圖7-16交、直流反饋的判斷a）直流反饋b）交流反饋三、負反饋放大器的四種組態(tài)

1.電壓并聯(lián)負反饋如圖7-17所示電路。圖7-17電壓并聯(lián)負反饋

2.電壓串聯(lián)負反饋如圖7-18所示電路圖7-18電壓串聯(lián)負反饋3.電流并聯(lián)負反饋如圖7-19所示電路。圖7-19電流并聯(lián)負反饋4.電流串聯(lián)負反饋如圖7-20所示電路。圖7-20電流串聯(lián)負反饋四、負反饋對放大器性能的影響1．負反饋使放大倍數(shù)下降A(chǔ)u=u0/ui′

Auf=u0/ui

F=Auf====

====Auf=開環(huán)閉環(huán)（7-10）

（7-11）

反饋深度：（1+AuF）是衡量負反饋程度的一個重要指標，稱為反饋深度。（1+AuF）越大，放大倍數(shù)Auf越小。深度負反饋：當AuF＞＞1時稱為深度負反饋，此時Auf

≈1/F，可以認為放大電路的放大倍數(shù)只由反饋電路決定，而與基本放大電路放大倍數(shù)無關(guān)。

結(jié)論：引入深度負反饋后，放大倍數(shù)Auf=1/F，即基本不受外界因素變化的影響，放大電路的工作非常穩(wěn)定。2．負反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高

3．改善非線性失真

圖7－21負反饋對非線性失真的改善4．拓展通頻帶圖7－22負反饋展寬放大器的通頻帶5.負反饋對輸入電阻和輸出電阻的影響1）負反饋對輸入電阻的影響取決于反饋信號在輸入端的連接方式。圖7-23串聯(lián)負反饋提高輸入電阻串聯(lián)負反饋使輸入電阻提高圖7-24并聯(lián)負反饋降低輸入電阻并聯(lián)負反饋使輸入電阻降低。電壓負反饋降低輸出電阻，目的是穩(wěn)定輸出電壓從輸出端看放大電路，可用戴維南等效電路來等效理想狀態(tài)下，ro=0，輸出電壓為恒壓源特性，電壓負反饋越深，輸出電阻越小，輸出電壓越穩(wěn)定。

電流負反饋提高輸出電阻，目的是穩(wěn)定輸出電流從輸出端看，放大電路可等效為電流源與電阻并聯(lián)。理想狀態(tài)下，ro=∞，輸出電流為恒流源特性。電流負反饋越深，輸出電阻越大，輸出電流越穩(wěn)定。一、運放的線性應(yīng)用的必要條件第三節(jié)運算放大器的應(yīng)用集成運放的開環(huán)放大倍數(shù)很高，很難使運放工作在線性區(qū).由于溫漂等影響，相當于在輸入端加上了毫伏數(shù)量級的電壓，使運放在無信號輸入時，輸出電壓為最大值或最小值，這種現(xiàn)象稱為運放進入正或負的飽和狀態(tài)。例如，μA741開環(huán)放大倍數(shù)為105以上，如果兩輸入端之間加上1mV的電壓，按工作在線性區(qū)來計算，輸出電壓應(yīng)為1mV×105=100V，這是不可能的，因為μA741的電源電壓最大是±18V，不可能有100V的電壓輸出，這是因為運放內(nèi)部一些晶體管已經(jīng)工作到飽和區(qū)或截止區(qū)，使輸出端只能接近電源電壓的大小。綜上所述，運放的開環(huán)狀態(tài)是無法進行線性放大的，解決的辦法是引入負反饋。所以負反饋是運放線性應(yīng)用的必要條件。二、運放的線性應(yīng)用1．信號運算電路（1）加法運算電路（加法器）平衡電阻R2=R11//R12//R13//Rf

。圖7-26加法運算電路由于ui－=

ui＋及ii＋=ii-=0，運放的反相輸入端“虛地”，于是（7－12）

當R11=R12=R13=Rf

=R1時，

（7－13）上式表明，如圖7-26所示電路的輸出電壓u0為各輸入信號電壓之和，由此完成加法運算。式中的負號表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。（2）減法運算電路（減法器）圖7-27減法運算電路

u0=ui2-ui1

當R1=R2=R3=Rf

時，

由式（7-8）得

2．電壓—電流變換電路

圖7－27b為同相輸入式電壓—電流變換器。其效果與反相輸入式電壓—電流變換器相同，如式（7－15）。

iL

=i1=（7－15）（1）電壓—電流變換電路將輸入電壓變換成與之成正比的輸出電流的電路，稱為電壓—電流變換器。如圖7－27a所示為反相輸入式電壓—電流變換器。在理想條件下，有上式說明，負載電流與輸入電壓成正比，而與負載電阻RL無關(guān)。只要輸入電壓ui

恒定，則輸出電流iL

將穩(wěn)定不變。圖7－27電壓—電流變換電路反相輸入式同相輸入式（2