第4章-掌握集成運(yùn)算放大器

學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解集成運(yùn)算放大器的基本組成及特點(diǎn)2．掌握集成運(yùn)算放大器的傳輸特性及重要參數(shù)3．掌握集成運(yùn)算放大器基本應(yīng)用4．了解放大電路中反饋的基本概念5．掌握反饋的類型及判斷方法6．理解反饋對(duì)放大電路的影響下一頁(yè)4.1

集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介4.2放大電路中的反饋實(shí)踐應(yīng)用小結(jié)下一頁(yè)返回4.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介

運(yùn)算放大器實(shí)質(zhì)上是高增益的直接耦合放大電路，集成運(yùn)算放大器是集成電路的一種，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，它常用于各種模擬信號(hào)的運(yùn)算，例如比例運(yùn)算、微分運(yùn)算、積分運(yùn)算等，由于它的高性能、低價(jià)位，在模擬信號(hào)處理和發(fā)生電路中幾乎完全取代了分立元件放大電路。4.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成

1.結(jié)構(gòu)

集成運(yùn)算放大器是一種高增益的直接耦合多級(jí)放大電路，通常由高電阻輸入級(jí)、中間電壓放大級(jí)、低電阻輸出級(jí)及偏置電路四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖10-1所示。

圖4.1集成運(yùn)算的基本組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路4.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成

偏置電路

向各放大級(jí)提供合適的偏置電路，確定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)。輸入級(jí)

通常由雙輸入差分放大電路構(gòu)成。一般要求輸入電阻高，差摸放大倍數(shù)大，抑制共模信號(hào)的能力強(qiáng)，靜態(tài)電流小，輸入級(jí)的好壞直接影響運(yùn)放的輸入電阻、共模抑制比等參數(shù)。在集成運(yùn)放發(fā)展過(guò)程中，輸入級(jí)的變化是最大的。

4.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成中間級(jí)

帶恒流源負(fù)載和復(fù)合管的差放和共射電路組成的高增益的電壓放大級(jí)，主要作用是提高電壓增益。一般放大倍數(shù)達(dá)千倍以上。

輸出級(jí)

采用互補(bǔ)對(duì)稱功放或射極輸出器組成，具有輸出電壓線性范圍寬、輸出電阻小的特點(diǎn)，主要是降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。4.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成

硅片上不能制作大容量電容，所以集成運(yùn)放均采用直接耦合方式。運(yùn)放中大量采用差動(dòng)放大電路和恒流源電路，這些電路可以抑制漂移和穩(wěn)定工作點(diǎn)。集成運(yùn)放內(nèi)部電路設(shè)計(jì)過(guò)程中注重電路的性能，而不在乎元件的多一個(gè)和少一個(gè)。硅片上不宜制作高阻值電阻，通常用有源元件代替大阻值的電阻。常用符合復(fù)合晶體管代替單個(gè)晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管，以使運(yùn)放性能最好。2.特點(diǎn)

4.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成3.集成運(yùn)放的符號(hào)

運(yùn)放具有兩個(gè)輸入端vP和vN和一個(gè)輸出端vo，這兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相端，另一個(gè)稱為反相端，這里同相和反相只是輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系，若輸入正電壓從同相端輸入，則輸出端輸出正的輸出電壓，若輸入正電壓從反相端輸入，則輸出端輸出負(fù)的輸出電壓。

+A反相輸入端同相輸入端輸出端4.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成運(yùn)算放大器的常用符號(hào)如圖10-2所示。

圖10.2運(yùn)算放大器的常用符號(hào)4.1.2集成運(yùn)放大器的電壓傳輸特性

集成運(yùn)放輸出電壓Vo與輸入電壓（VP－VN）之間的關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性。對(duì)于采用正負(fù)電源供電的集成運(yùn)放，電壓傳輸特性如圖10-3所示。圖10.3集成運(yùn)放的電壓傳輸特性4.1.2集成運(yùn)放大器的電壓傳輸特性

從傳輸特性可以看出，集成運(yùn)放有兩個(gè)工作區(qū)，線性放大區(qū)和飽和區(qū)，在線性放大區(qū)，曲線的斜率就是放大倍數(shù)，在飽和區(qū)域，輸出電壓不是Vo+就是Vo－。由傳輸特性可知集成運(yùn)放的放大倍數(shù)：

一般情況下，運(yùn)放的放大倍數(shù)很高，可達(dá)幾十萬(wàn)、甚至上百萬(wàn)倍。

通常，運(yùn)放的線性工作范圍很小，比如，對(duì)于開(kāi)環(huán)增益為100dB，電源電壓為

10V的F007，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Ad=105，其最大線性工作范圍約為：4.1.3集成運(yùn)放大器的主要參數(shù)

集成運(yùn)放的主要技術(shù)參數(shù)，大體上可以分為輸入誤差特性、開(kāi)環(huán)差模特性、共模特性、輸出瞬態(tài)特性和電源特性。1.輸入誤差特性

輸入失調(diào)電壓Vos

定義：

在室溫及標(biāo)準(zhǔn)電壓下，輸入為零時(shí)，為了使輸出電壓為零，輸入端所加的補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓Vos。

Vos大小反映了運(yùn)放的對(duì)稱程度。Vos越大，說(shuō)明對(duì)稱程度越差。一般Vos的值為1

V

20mV。輸入誤差特性參數(shù)用來(lái)表示集成運(yùn)放的失調(diào)特性，描述這類特性的主要是以下幾個(gè)參數(shù)：4.1.3集成運(yùn)放大器的主要參數(shù)

輸入失調(diào)電壓的溫漂

dVos/dT

定義：指在指定的溫度范圍內(nèi)，Vos隨溫度的平均變化率。

dVos/dT是衡量溫漂的重要指標(biāo)。不能通過(guò)外接調(diào)零裝置進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于低漂移運(yùn)放，dVos/dT<1

V/

C，普通運(yùn)放為(10

20)

V/

C。

輸入偏置電流IB

定義：指運(yùn)放零輸入時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流IB1、IB2的平均值，即

1.輸入誤差特性☆輸入偏置電流IB是衡量差動(dòng)管輸入電流絕對(duì)值大小的標(biāo)志4.1.3集成運(yùn)放大器的主要參數(shù)

輸入失調(diào)電流IOS

定義：零輸入時(shí)，兩輸入偏置電流IB1、IB2之差稱為輸入失調(diào)電流，即IOS=|IB1

IB2|。輸入失調(diào)電流溫漂

定義：輸入失調(diào)電流溫漂指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，IOS的溫度系數(shù)，是對(duì)放大器電流溫漂的量度。它同樣不能用外接調(diào)零裝置進(jìn)行補(bǔ)償。典型值為幾個(gè)nA/

C。1.輸入誤差特性IOS反映了輸入級(jí)差動(dòng)管輸入電流的對(duì)稱性，一般希望IOS越小越好。普通運(yùn)放的IOS約為1nA

0.1

A。

4.1.3集成運(yùn)放大器的主要參數(shù)

開(kāi)環(huán)差模特性參數(shù)用來(lái)表示集成運(yùn)放在差模輸入作用下的傳輸特性。描述這類特性的參數(shù)有開(kāi)環(huán)電壓增益、最大差模輸入電壓、差模輸入阻抗、開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)及其-3dB帶寬。開(kāi)環(huán)差模電壓增益

Aod

定義：開(kāi)環(huán)差模電壓增益指在無(wú)外加反饋情況下的直流差模增益，它是決定運(yùn)算精度的重要指標(biāo)，通常用分貝表示，即，最大差模輸入電壓

Vidmax

定義：指集成運(yùn)放反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值，超過(guò)這個(gè)值輸入級(jí)差動(dòng)管中的管子將會(huì)出現(xiàn)反相擊穿，甚至損壞。2.開(kāi)環(huán)差模特性參數(shù)4.1.3集成運(yùn)放大器的主要參數(shù)-3dB帶寬

定義：輸入正弦小信號(hào)時(shí)，Aod是頻率的函數(shù)，隨著頻率的增加而下降。當(dāng)下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率稱為-3dB帶寬。一般運(yùn)放的-3dB帶寬為幾Hz

幾kHz，寬帶運(yùn)放可達(dá)到幾MHz。

差模輸入電阻Rid

定義：Rid是衡量差動(dòng)管向輸入信號(hào)源索取電流大小的標(biāo)志，F(xiàn)007的Rid約為2M

，用場(chǎng)效應(yīng)管作差動(dòng)輸入級(jí)的運(yùn)放，Rid可達(dá)106M

2.開(kāi)環(huán)差模特性參數(shù)4.1.3集成運(yùn)放大器的主要參數(shù)

共模特性參數(shù)用來(lái)表示集成運(yùn)放在共模信號(hào)作用下的傳輸特性，這類參數(shù)有共模抑制比、共模輸入電壓等。共模抑制比

KcmR

定義：共模抑制比的定義與差動(dòng)電路中介紹的相同，F(xiàn)007的KCMR為80

86dB，高質(zhì)量的可達(dá)180dB。最大共模輸入電壓Vicmax

定義：指運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓，共模電壓超過(guò)一定值時(shí)，將會(huì)使輸入級(jí)工作不正常，因此要加以限制。F007的Vicmax為13V。

3.共模特性參數(shù)4.1.3集成運(yùn)放大器的主要參數(shù)4.輸出瞬態(tài)特性參數(shù)

輸出瞬態(tài)特性參數(shù)用來(lái)表示集成運(yùn)放輸出信號(hào)的瞬態(tài)特性，描述這類特性的參數(shù)主要是轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換速率

定義：是指運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號(hào)(如階躍信號(hào))時(shí)，放大器輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率。

SR是在大信號(hào)和高頻工作時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般運(yùn)放的SR在1V/

s，高速運(yùn)放可達(dá)到65V/

s。

5.電源特性參數(shù)

電源特性參數(shù)主要有靜態(tài)功耗等。靜態(tài)功耗指運(yùn)放零輸入情況下的功耗。F007的靜態(tài)功耗為120mW。4.1.4集成運(yùn)放的理想化模型1.理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)

由于集成運(yùn)放具有開(kāi)環(huán)差模電壓增益高，輸入阻抗高，輸出阻抗低及共模抑制比高等特點(diǎn)，實(shí)際中為了分析方便，常將它的各項(xiàng)指標(biāo)理想化。理想運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)為：

開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod=∞；差模輸入電阻

rid=∞；輸出電阻ro=0；共模抑制比KCMR=∞；UIO=0、IIO=0、

UIO=IIO=0；輸入偏置電流IIB=0；-3dB帶寬fH=∞，等等4.1.4集成運(yùn)放的理想化模型2.理想運(yùn)放的工作特性

理想運(yùn)放的電壓傳輸特性如圖10-5所示。它分為線性區(qū)和非線性區(qū)。線性區(qū)

當(dāng)理想運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，VO=Ad(VP

VN)，而Ad，因此VP

VN)=0、VP=VN，又由輸入電阻Rid可知，流進(jìn)運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端的電流IP、IN為IP=IN=0；可見(jiàn)，當(dāng)理想運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，同相輸入端與反相輸入端的電位相等，流進(jìn)同相輸入端和反相輸入端的電流為0。IP=IN=0就是VP和VN兩個(gè)電位點(diǎn)短路，但是由于沒(méi)有電流，所以稱為虛短路，簡(jiǎn)稱虛短；而IP=IN=0表示流過(guò)電流IP、IN的電路斷開(kāi)了，但是實(shí)際上沒(méi)有斷開(kāi)，所以稱為虛斷路，簡(jiǎn)稱虛斷。uOu+-u-O+UOPP-UOPP理想特性4.1.4集成運(yùn)放的理想化模型2.理想運(yùn)放的工作特性

工作于非線性區(qū)的理想運(yùn)放仍然有輸入電阻Rid

，因此IP=IN=0；但由于VOAd(VPVN)，不存在VP=VN，由電壓傳輸特性可知其特點(diǎn)為當(dāng)VP>VN時(shí)，Vo=Vo；當(dāng)VP<VN時(shí)，Vo=Vo；VP=VN為Vo與Vo轉(zhuǎn)折點(diǎn)。非線性區(qū)

uOu+-u-O實(shí)際特性非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)集成運(yùn)放的基本分析方法

為了在分析和簡(jiǎn)化由運(yùn)放構(gòu)成的各種基本運(yùn)算電路時(shí)，總是假設(shè)集成運(yùn)放是理想的，這樣就有“虛短”和“虛斷”概念。靈活地抓住和利用這兩個(gè)十分重要的概念和有效的分析方法對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算。

兩輸入端之間的電壓Vid=VP

VN≈0，即兩個(gè)輸入端的電位相等，就好像兩個(gè)輸入端短接在一起，但事實(shí)上并沒(méi)有短接，稱為“虛短”。虛短的必要條件是運(yùn)放引入深度負(fù)反饋。流入兩輸入端的電流|IP|=|IN|≈0，即流入集成運(yùn)算放大器輸入端電流為零。這是由于理想運(yùn)算放大器的輸入電阻無(wú)限大，就好像運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間開(kāi)路。但事實(shí)上并沒(méi)有開(kāi)路，稱為“虛斷”。1.虛短2.虛斷4.1.6集成運(yùn)放的應(yīng)用

集成運(yùn)放的應(yīng)用首先是構(gòu)成各種運(yùn)算電路，在運(yùn)算電路中，以輸入電壓自變量，以輸出電壓作為函數(shù)，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓反映輸入電壓某種運(yùn)算的結(jié)果，因此，集成運(yùn)放必須工作在線性區(qū)，在深度負(fù)反饋條件下，利用反饋網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。電路如圖10-6所示1．比例運(yùn)算電路

反相輸入比例運(yùn)算利用“虛斷”概念，由圖得利用“虛地”概念最后得圖4-6反相比例運(yùn)算電路集成運(yùn)放的應(yīng)用電路見(jiàn)圖10-7a，同相比例運(yùn)算電路

利用“虛短”的概念有最后得到輸出電壓的表達(dá)式利用“虛斷”的概念有由于是串聯(lián)反饋電路，所以輸入電阻很大，理想情況下Ri=∞。圖4-7a反相比例運(yùn)算電路集成運(yùn)放的應(yīng)用同相比例運(yùn)算電路

若將反饋電阻Rf和R1電阻去掉，就成為圖10-7b所示的電路，該電路的輸出全部反饋到輸入端，是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。有R1=∞、Rf=0可知vo=vi，就是輸出電壓跟隨輸入電壓的變化，簡(jiǎn)稱電壓跟隨器。圖4-7b電壓跟隨器電路集成運(yùn)放的應(yīng)用2．加法運(yùn)算電路

反相加法電路由圖10-8所示。

由圖有：其中所以有

若R1=R2=R3=Rf=R則有圖4-8反相加法電路集成運(yùn)放的應(yīng)用3．減法運(yùn)算電路

利用差動(dòng)放大電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算的電路如圖10-9所示。由圖有：由于vN=vP，所以當(dāng)R1=R2=R3=Rf時(shí)圖4-9減法運(yùn)算電路集成運(yùn)放的應(yīng)用4．積分運(yùn)算電路

反相積分運(yùn)算電路如圖10-9所示。利用“虛地”的概念，有

所以若輸入電壓為常數(shù)，則有

圖4-9積分運(yùn)算電路

集成運(yùn)放的應(yīng)用4．積分運(yùn)算電路

若在本積分器前加一級(jí)反相器，就構(gòu)成了同相積分器，見(jiàn)圖4-10。圖4-10同相積分電路集成運(yùn)放的應(yīng)用5．微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路如圖10-11所示

根據(jù)“虛短”、“虛斷”的概念，

為“虛地”，電容兩端的電壓vC=vi，所以有圖4-11微分運(yùn)算電路vP=vN=0輸出電壓

4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用1．比較器

電壓比較器就是將一個(gè)連續(xù)變化的輸入電壓與參考電壓進(jìn)行比較，在二者幅度相等時(shí)，輸出電壓將產(chǎn)生跳變。在電壓比較器電路中，運(yùn)算放大器通常工作于非線性區(qū)，為了提高正負(fù)電平的轉(zhuǎn)換速度，應(yīng)選擇上升速率和增益帶寬積這兩項(xiàng)指標(biāo)高的運(yùn)算放大器。

電壓比較器根據(jù)參考電壓的不同一般可以分為過(guò)零比較器、任意電壓比較器、滯環(huán)比較器。4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用

過(guò)零比較器1．比較器

同相過(guò)零比較器電路見(jiàn)圖10-12a，同相端接vi，反相端vN=0，所以輸入電壓是和0電壓進(jìn)行比較。當(dāng)vi>0時(shí)vo=vo+，就是輸出為正飽和值。當(dāng)vi<0時(shí)vo=vo-，就是輸出為負(fù)飽和值。該比較器的傳輸特性見(jiàn)圖10-12b。該電路常用于檢測(cè)正弦波的零點(diǎn)，當(dāng)正弦波電壓過(guò)零時(shí)，比較器輸出發(fā)生躍變。圖4-12過(guò)零比較器

4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用1．比較器

同相任意比較器電路見(jiàn)圖10-13a，同相端接vi，反相端vN=vR，所以輸入電壓是和vR電壓進(jìn)行比較，當(dāng)vi>vR時(shí)vo=vo+，就是輸出為正飽和值。當(dāng)vi<vR時(shí)vo=vo-，就是輸出為負(fù)飽和值。該比較器的傳輸特性見(jiàn)圖10-13b。圖4-13任意電壓比較器

任意電壓比較器4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用1．比較器

從反相端輸入的滯環(huán)比較器電路如圖10-14a所示，滯環(huán)比較器中引入了正反饋。集成運(yùn)放輸出端的限幅電路可以看出vo=±vz，集成運(yùn)放反相輸入端電位vN=vi，同相端的電位為令圖4-14滯環(huán)比較器則有閾值電壓該電路的傳輸特性見(jiàn)圖10-14b。

滯環(huán)比較器4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用1．比較器

當(dāng)輸入電壓vi小于－vT，則vN一定小于vP，所以vo=+vz，vP=+vT。當(dāng)輸入電壓vi增加并達(dá)到+vT后，在稍稍增加一點(diǎn)時(shí)，輸出電壓就會(huì)從+vz向－vz躍變。當(dāng)輸入電壓vi大于+vT，則vN一定大于vP，所以vo=－vz，vP=－vT。當(dāng)輸入電壓vi減小并達(dá)到－vT后，在稍稍減小一點(diǎn)時(shí)，輸出電壓就會(huì)從－vz向+vz躍變。圖4-14滯環(huán)比較器

滯環(huán)比較器4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用1．比較器

若將電阻R1的接地端接參考電壓vR，見(jiàn)圖10-15a。

由圖可得同相端電壓令

圖4-15具有參考電壓滯環(huán)比較器求出的vi就是閾值電壓，因此得出

該電路的傳輸特性見(jiàn)圖10-15b。

滯環(huán)比較器4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用2．方波發(fā)生器由遲滯比較器和RC積分電路組成的方波發(fā)生器如圖10-16a所示。其中，圖10-16b為雙向限幅的方波發(fā)生器。圖4-16方波發(fā)生器方波發(fā)生器是能夠直接產(chǎn)生方波信號(hào)的非正弦波發(fā)生器，由于方波中包含有極豐富的諧波，因此，方波發(fā)生器又稱為多諧振蕩器。。4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用2．方波發(fā)生器圖4-16方波發(fā)生器比較器的輸出由電容上的電壓vc和vo在電阻R2上的分壓vR2決定，圖中，運(yùn)放和R1、R2構(gòu)成遲滯比較器，雙向穩(wěn)壓管用來(lái)限制輸出電壓的幅度，穩(wěn)壓值為vz。當(dāng)vc>vR2時(shí)，vo=－vz當(dāng)vc<vR2時(shí)，vo=+vz4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用2．方波發(fā)生器圖4-17方波發(fā)生器工作原理圖假定接通電源瞬時(shí)，vo=+vz，vc=0，

方波發(fā)生器的工作原理圖。那么有

電容沿圖10-17a所示方向充電，vc上升。

當(dāng)

時(shí)，vo變?yōu)?vz，

，充電過(guò)程結(jié)束；接著，由于vo由+vz變?yōu)?vz，電容開(kāi)始放電，放電方向如圖10-17b所示，同時(shí)vc下降。4.1.7集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用2．方波發(fā)生器圖4-18方波發(fā)生器工作波形圖vo由－vz變?yōu)?vz，重復(fù)上述過(guò)程。工作過(guò)程波形圖見(jiàn)圖10-18。當(dāng)下降到綜上所述，這個(gè)方波發(fā)生器電路是利用正反饋，使運(yùn)算放大器的輸出在兩種狀態(tài)之間反復(fù)翻轉(zhuǎn)，RC電路是它的定時(shí)元件，決定著方波在正負(fù)半周的時(shí)間T1和T2，由于該電路充放電時(shí)常數(shù)相等，即方波的周期為

T=T1+T24.2放大電路中的反饋

集成運(yùn)放在實(shí)際使用的組成電路中，總要引入反饋，以改善放大電路性能，因此掌握反饋的基本概念與判斷方法是研究集成運(yùn)放電路的基礎(chǔ)。4.2.1反饋的基本概念

1.什么是電子電路中的反饋

定義：在電子電路中，將輸出量的一部分或全部通過(guò)一定的電路形式饋給輸入回路，與輸入信號(hào)一起共同作用于放大器的輸入端，稱為反饋。反饋放大電路組成框圖如10-19所示。圖4-19反饋放大器框圖4.2.1反饋的基本概念

1.什么是電子電路中的反饋

組成：由基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。由圖10-19有基本放大器的凈輸入信號(hào)Xd=Xi－Xf，反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出Xf=Fx?Xo，基本放大器的輸出Xo=Ax?Xd。圖4-19反饋放大器框圖Ax和Fx中的下標(biāo)X表示是如下的一種：稱為電壓增益稱為電流增益稱為互阻增益

4.2.1反饋的基本概念圖4-19反饋放大器框圖稱為互導(dǎo)增益稱為電壓反饋系數(shù)稱為電流反饋系數(shù)

稱為互阻反饋系數(shù)稱為互導(dǎo)反饋系數(shù)4.2.1反饋的基本概念

2.正反饋與負(fù)反饋

定義：若放大器的凈輸入信號(hào)比輸入信號(hào)小，則為負(fù)反饋，反之若放大器的凈輸入信號(hào)比輸入信號(hào)大，則為正反饋。就是說(shuō)若Xi<Xd，則為正反饋，若Xi>Xd，則為負(fù)反饋。圖4-19反饋放大器框圖4.2.1反饋的基本概念

3.直流反饋與交流反饋

定義：若反饋量只包含直流信號(hào)，則稱為直流反饋，若反饋量只包含交流信號(hào)，就是交流反饋，直流反饋一般用于穩(wěn)定工作點(diǎn)，而交流反饋用于改善放大器的性能，所以研究交流反饋更有意義，本節(jié)重點(diǎn)研究交流反饋。圖4-19反饋放大器框圖4.2.1反饋的基本概念

4.開(kāi)環(huán)與閉環(huán)

定義：從反饋放大電路框圖可以看出，放大電路加上反饋后就形成了一個(gè)環(huán)，若有反饋，則說(shuō)反饋環(huán)閉合了，若無(wú)反饋，則說(shuō)反饋環(huán)被打開(kāi)了。所以常用閉環(huán)表示有反饋，開(kāi)環(huán)表示無(wú)反饋。圖4-19反饋放大器框圖4.2.2反饋的判斷方法和類型1．反饋的判斷

有無(wú)反饋的判斷若放大電路中存在將輸出回路與輸入回路連接的通路，即反饋通路，并由此影響了放大器的凈輸入，則表明電路引入了反饋。圖4-20反饋是否存在的判斷4.2.2反饋的判斷方法和類型1．反饋的判斷

反饋極性的判斷——即判斷是正反饋還是負(fù)反饋。方法：首先規(guī)定輸入信號(hào)在某一時(shí)刻的極性，然后逐級(jí)判斷電路中各個(gè)相關(guān)點(diǎn)的電流流向與電位的極性，從而得到輸出信號(hào)的極性；根據(jù)輸出信號(hào)的極性判斷出反饋信號(hào)的極性；圖4-21反饋極性的判斷4.2.2反饋的判斷方法和類型1．反饋的判斷

反饋組態(tài)的判斷電壓與電流反饋的判斷

反饋量取自輸出端的電壓，并與之成比例，則為電壓反饋；若反饋量取自電流，并與之成比例，則為電流反饋。

方法：判斷方法是將放大器輸出端的負(fù)載短路，若反饋不存在就是電壓反饋，否則就是電流反饋。圖4-22電壓反饋與電流反饋的判斷4.2.2反饋的判斷方法和類型1．反饋的判斷

反饋組態(tài)的判斷串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的判斷若放大器的凈輸入信號(hào)vd是輸入電壓信號(hào)vi與反饋電壓信號(hào)vf之差，則為串聯(lián)反饋。若放大器的凈輸入信號(hào)id是輸入電流信號(hào)ii與反饋電流信號(hào)if之差，則為并聯(lián)反饋圖4-23串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的等效電路4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖4-24電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路判斷圖4-24所示電路的反饋組態(tài)方法：首先將負(fù)載RL短路，就相當(dāng)于輸出端接地，這時(shí)vo=0，反饋的原因不存在，所以是電壓反饋。從輸入端來(lái)看，凈輸入信號(hào)vd等于輸入信號(hào)vi與反饋信號(hào)vf之差，就是說(shuō)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)是串聯(lián)關(guān)系，所以反饋組態(tài)是電壓串聯(lián)反饋。使用瞬時(shí)極性法判斷正負(fù)反饋，各瞬時(shí)極性如圖所示，可見(jiàn)vi與vf極性相同，凈輸入信號(hào)小于輸入信號(hào)，故是負(fù)反饋。4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖4-24電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路輸出電壓的計(jì)算：在輸入vp≈vN，故有從而得到，所以輸出電壓由圖可得反饋系數(shù)Fv4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖4-24電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路對(duì)輸入電阻的影響：，而有反饋時(shí)由于得到當(dāng)無(wú)反饋時(shí)，4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖4-25輸出電阻計(jì)算等效電路對(duì)輸出電阻的影響：由圖有因?yàn)関i=0，所以vd=-vf=-FvVo=-FvV，所以有

設(shè)運(yùn)放的輸出電阻為Ro，令反饋放大器的輸入vi=0，去掉負(fù)載電阻RL，然后在放大器的輸出端接一個(gè)實(shí)驗(yàn)電壓源V，見(jiàn)圖10-25。最后得到4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電流串聯(lián)負(fù)反饋圖4-26電流串聯(lián)負(fù)反饋電路判斷圖10-26所示電路的反饋組態(tài)，

方法：首先將負(fù)載RL短路，這時(shí)仍有電流流過(guò)R1電阻，產(chǎn)生反饋電壓vf，所以是電流反饋。從輸入端來(lái)看，凈輸入信號(hào)vd等于輸入信號(hào)vi與反饋信號(hào)vf之差，就是輸入信號(hào)與反饋信號(hào)是串聯(lián)關(guān)系，所以反饋組態(tài)是電流串聯(lián)反饋。使用瞬時(shí)極性法判斷正負(fù)反饋，各瞬時(shí)極性如圖所示，可見(jiàn)vi與vf極性相同，凈輸入信號(hào)小于輸入信號(hào)，故是負(fù)反饋。4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電流串聯(lián)負(fù)反饋輸出電流的計(jì)算：在輸入vp≈vN，故有從而得到，所以輸出電流由圖可得反饋系數(shù)Fr圖4-26電流串聯(lián)負(fù)反饋電路4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電流串聯(lián)負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響：圖4-26電流串聯(lián)負(fù)反饋電路

因?yàn)槭谴?lián)反饋，所以反饋時(shí)的輸入電阻Rif是無(wú)反饋時(shí)的1+AgFr倍，這里Ag是基本放大器的互導(dǎo)增益。4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電流串聯(lián)負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響：由圖有所以

設(shè)運(yùn)放的輸出電阻為Ro，令反饋放大器的輸入vi=0，去掉負(fù)載電阻RL，然后在放大器的輸出端接一個(gè)實(shí)驗(yàn)電流源I，見(jiàn)圖4-27。最后得到圖4-27輸出電阻計(jì)算等效電路4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電壓并聯(lián)負(fù)反饋圖4-28電壓并聯(lián)負(fù)反饋判斷圖10-28所示電路的反饋組態(tài)方法：首先將負(fù)載RL短路，就相當(dāng)于輸出端接地，這時(shí)vo=0，反饋的原因不存在，所以是電壓反饋。從輸入端來(lái)看，輸入信號(hào)ii與反饋信號(hào)if并聯(lián)在一起，凈輸入信號(hào)id等于輸入電流信號(hào)ii與反饋電流信號(hào)if之差，所以反饋組態(tài)是電壓并聯(lián)反饋。使用瞬時(shí)極性法判斷正負(fù)反饋，各瞬時(shí)極性和瞬時(shí)電流方向如圖所示，可見(jiàn)if瞬時(shí)流向是對(duì)ii分流，使id減小，凈輸入信號(hào)id小于輸入信號(hào)ii，故是負(fù)反饋。4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電壓并聯(lián)負(fù)反饋圖4-28電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電壓的計(jì)算：在輸入vp≈vN，故有從而得到，所以輸出電壓由圖可得反饋系數(shù)Fg4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電壓并聯(lián)負(fù)反饋圖4-28電壓并聯(lián)負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響：，而有反饋時(shí)由于得到當(dāng)無(wú)反饋時(shí)，就是說(shuō)反饋時(shí)的輸入電阻Rif是無(wú)反饋時(shí)的1/（1+ArFg）倍。4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電流并聯(lián)負(fù)反饋

圖4-29電流并聯(lián)負(fù)反饋電路判斷圖10-29所示電路的反饋組態(tài)，

方法：首先將負(fù)載RL短路，這時(shí)仍有電流流過(guò)R1電阻，產(chǎn)生反饋電流if，所以是電流反饋。

從輸入端來(lái)看，輸入信號(hào)ii與反饋信號(hào)if并聯(lián)在一起，凈輸入電流信號(hào)id等于輸入電流信號(hào)ii與反饋電流信號(hào)if之差，所以該電路的反饋組態(tài)是電流并聯(lián)反饋。使用瞬時(shí)極性法判斷正負(fù)反饋，各瞬時(shí)極性和瞬時(shí)電流方向如圖所示，可見(jiàn)if瞬時(shí)流向是對(duì)ii分流，使id減小，凈輸入信號(hào)id小于輸入信號(hào)ii，故是負(fù)反饋。4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電流并聯(lián)負(fù)反饋輸出電流的計(jì)算：在輸入vp≈vN，故有從而得到，所以輸出電流由圖可得反饋系數(shù)Fi圖4-29電流并聯(lián)負(fù)反饋電路4.2.2反饋的判斷方法和類型2.四種負(fù)反饋組態(tài)

電流并聯(lián)負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響：

圖4-29電流并聯(lián)負(fù)反饋電路

由于是并聯(lián)反饋，所以該電路反饋時(shí)的輸入電阻Rif比無(wú)反饋時(shí)的Ri小1+AiFi倍，這里Ai是基本放大器的電流放大系數(shù)。對(duì)輸出電阻的影響：

由于是電流反饋，所以該電路反饋時(shí)的輸出電阻是無(wú)反饋時(shí)的輸出電阻的1+AiFi倍。4.2.3負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響1.負(fù)反饋對(duì)放大倍數(shù)的影響

對(duì)增益大小的影響：

也就是說(shuō)在深度負(fù)反饋條件下，閉環(huán)放大倍數(shù)近似等于反饋系數(shù)的倒數(shù)，與三極管等有源器件的參數(shù)基本無(wú)關(guān)。負(fù)反饋對(duì)增益的影響包括二方面，即負(fù)反饋對(duì)增益大小的影響和負(fù)反饋對(duì)增益穩(wěn)定性的影響。當(dāng)環(huán)路增益||>>1時(shí)，即深度負(fù)反饋時(shí)，閉環(huán)放大倍數(shù)根據(jù)負(fù)反饋基本方程，不論何種負(fù)反饋，都可使反饋放大倍數(shù)下降|1+AF|倍，對(duì)電壓串聯(lián)負(fù)反饋4.2.3負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響2.負(fù)反饋對(duì)增益穩(wěn)定性的影響

在負(fù)反饋條件下增益的穩(wěn)定性也得到了提高，這里增益應(yīng)該與反饋組態(tài)相對(duì)應(yīng)有反饋時(shí)，增益的穩(wěn)定性比無(wú)反饋時(shí)提高了(1+AF)倍。要注意對(duì)電壓負(fù)反饋使電壓增益的穩(wěn)定性提高；對(duì)電流負(fù)反饋使電流增益的穩(wěn)定性提高。不同的反饋組態(tài)對(duì)相應(yīng)組態(tài)的增益的穩(wěn)定性有所提高。4.2.3負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響3.負(fù)反饋對(duì)輸入和輸出電阻的影響

對(duì)輸入電阻的影響：

（1）當(dāng)是串聯(lián)負(fù)反饋時(shí)，反饋電壓與輸入電壓加在放大電路輸入回路的兩個(gè)點(diǎn)，且極性相同，所以凈輸入電壓減小，輸入電流減小，這相當(dāng)輸入電阻增加。理論推導(dǎo)可以證明串聯(lián)負(fù)反饋可以使輸入電阻增加（1+AF）倍。（2）在并聯(lián)負(fù)反饋放大電路的輸入端，輸入信號(hào)與反饋信號(hào)加在同一個(gè)點(diǎn)，由于反饋極性為負(fù)，反饋電路將分流一部分輸入電流，使輸入電流增大，相當(dāng)輸入電阻減小。理論推導(dǎo)可以證明并聯(lián)負(fù)反饋可以使輸出電阻減少(1+AF)倍。4.2.3負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響3.負(fù)反饋對(duì)輸入和輸出電阻的影響

對(duì)輸出電阻的影響：

（1）電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小。電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓，使放大電路接近電壓源，輸出電壓穩(wěn)定，也就是放大電路帶負(fù)載能力強(qiáng)，相當(dāng)輸出電阻減小。輸出電阻小，輸出電壓在內(nèi)阻上的電壓降就小，輸出電壓穩(wěn)定性就好，這與電壓負(fù)反饋可使輸出電壓穩(wěn)定是一致的因果關(guān)系。理論推導(dǎo)可以證明電壓負(fù)反饋可以使輸出電阻減少（1+AF）倍。（2）電流負(fù)反饋使輸出電阻增加。電流負(fù)反饋可以使輸出電阻增加，這與電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流有關(guān)。輸出電流穩(wěn)定，使放大電路接近電流源，因此放大電路的輸出電阻，即內(nèi)阻增加，電流負(fù)反饋使輸出電流穩(wěn)定與輸出電阻增大是一致的因果關(guān)系。理論推導(dǎo)可以證明電流負(fù)反饋可以使輸出電阻增加（1+AF）倍。4.2.3負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響4.負(fù)反饋對(duì)通頻帶的影響

放大電路加入負(fù)反饋后，增益下降，但通頻帶卻加寬了。有反饋時(shí)的通頻帶為無(wú)反饋時(shí)的通頻帶的(1+AF)倍。負(fù)反饋放大電路擴(kuò)展通頻帶有一個(gè)重要的特性，即增益與通頻帶之積為常數(shù)。4.2.3負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響5.負(fù)反饋對(duì)非線性失真的影響

負(fù)反饋可以改善放大電路的非線性失真，但是只能改善反饋環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的非線性失真。因加入負(fù)反饋，放大電路的輸出幅度下降，不好對(duì)比，因此必須要加大輸入信號(hào)，使加入負(fù)反饋以后的輸出幅度基本達(dá)到原來(lái)有失真時(shí)的輸出幅度才有意義。6.負(fù)反饋對(duì)噪聲、干擾和溫漂的影響

負(fù)反饋只對(duì)反饋環(huán)內(nèi)的噪聲和干擾有抑制作用，且必須加大輸入信號(hào)后才使抑制作用有效。實(shí)踐應(yīng)用

LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝,它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖10-30所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“VO”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-為反相輸入端，表