電工電子技術(shù)課件 第八章 集成運算放大器及其應(yīng)用

第八章集成運算放大器及其應(yīng)用本章知識點1.了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2.理解運算放大器的電壓傳輸特性，掌握其基本分析方法。3.掌握用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。5.能判別電子電路中的直流反饋和交流反饋、正反饋和負(fù)反饋以及負(fù)反饋的四種類型。6.理解負(fù)反饋對放大電路工作性能的影響。7.掌握正弦波振蕩電路自激振蕩的條件。8.了解RC振蕩電路的工作原理。8.1集成運算放大器簡介8.1.1集成運算放大器的符號、類型及主要參數(shù)

利用硅平面工藝技術(shù)將半導(dǎo)體、電阻、小電容等器件以及它們間的連線集中制作在一塊小的半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個具有特定功能的完整電路稱為集成電路。

集成運算放大器簡稱集成運放，它實際上是一個多級直接耦合高電壓放大倍數(shù)的放大器。

集成運放一般包括輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個部分，如圖8-2所示。8.1集成運算放大器簡介8.1.1集成運算放大器的符號、類型及主要參數(shù)

輸入級是提高集成運放質(zhì)量的關(guān)鍵部分，其主要作用是提高放大電路的輸入電阻，減小零漂，有效地抑制干擾信號。輸入級一般采用具有恒流源的差動放大電路。

中間級的主要作用是進(jìn)行電壓放大，一般由共發(fā)射級電路組成。

輸出級主要向負(fù)載提供足夠大的輸出功率，并具有較低的輸出電阻和較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。此外，還設(shè)有過載保護(hù)電路。輸出級一般由射極輸出器或互補(bǔ)對稱電路組成。

偏置電路的作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，一般由各種恒流源電路組成。8.1集成運算放大器簡介8.1.2集成運算放大器的理想模型

理想運算放大器應(yīng)滿足以下各項技術(shù)指標(biāo)：

開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud→∞

輸入電阻rid→∞

輸出電阻rod→0

共模抑制比KCMR→∞

實際上真正的理想運放并不存在，但各項指標(biāo)與理想運放非常接近，因此在分析計算和應(yīng)用中，往往將實際集成運放理想化，以簡化分析過程。8.1集成運算放大器簡介8.1.2集成運算放大器的理想模型

1．線性放大區(qū)

當(dāng)集成運放工作在線性區(qū)時，其輸出信號隨輸入信號作線性變化，即uod=Aud（u+-u-）

對于理想集成運放，由于Aud→∞，而uod為有限值（不超過電源電壓），可得uid=u+-u-=uod/Aud≈0，即u+≈u-

上式表明，集成運放同相端和反相端的電位近似相等，即兩輸入端為近似短路狀態(tài)，并稱之為“虛短”。

其次，又因為rid→∞，兩輸入端幾乎不取用電流，即兩輸入端都接近于開路狀態(tài)，并稱之為“虛斷”，記為i+=i-≈08.1集成運算放大器簡介8.1.2集成運算放大器的理想模型

2．非線性工作區(qū)

當(dāng)集成運放的輸入信號過大，或未采取相關(guān)措施時，由于Aud很大，只要有微小的輸入信號，電路立即進(jìn)入飽和狀態(tài)。

當(dāng)集成運放工作在飽和狀態(tài)時，兩輸入端的電流依然為零，即i+=i-≈0。

綜上所述，在分析具體的集成運放應(yīng)用電路時，可將集成運放按理想運放對待，判斷它是否工作在線性區(qū)。一般來說集成運放引入負(fù)反饋時，將工作在線性區(qū)；引入正反饋或開環(huán)狀態(tài)時，將工作在非線性區(qū)。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.1反饋的一般概念

將放大電路的輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部，通過某種電路（稱為反饋網(wǎng)絡(luò)）引回到輸入端，從而影響凈輸入信號的過程稱為反饋。從輸出端反送到輸入端的信號稱為反饋信號。

含有反饋網(wǎng)絡(luò)的放大電路稱為反饋放大電路，其組成框圖如圖8-7所示。圖中A表示沒有反饋的放大電路稱作基本放大電路。F表示反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋網(wǎng)絡(luò)一般由線性元件組成。由圖8-7可見反饋放大電路由基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因此又把它稱為閉環(huán)放大電路。而把沒有反饋的基本放大電路成為開環(huán)放大電路。xi、xf、xid和xo分別表示電路的輸入量、反饋量、凈輸入量和輸出量，它們可以是電壓，也可以是電流。

判斷一個電路是否存在反饋，要看該電路的輸出回路和輸入回路之間有無起聯(lián)系作用的元件（網(wǎng)絡(luò)），若有則該元件（網(wǎng)絡(luò)）成為反饋元件。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.1反饋的一般概念8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.2負(fù)反饋放大電路中的物理量間的基本關(guān)系

由此可得，放大電路閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為

反饋有正負(fù)之分，如果反饋量使凈輸入量得到增強(qiáng)，則稱為正反饋；反之，若反饋量使凈輸入量減弱，則稱為負(fù)反饋。

1+AF稱為反饋深度，其值越大，則負(fù)反饋越深。工程中，通常把（1+AF）＞＞1時的反饋稱為深度負(fù)反饋，此時8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

1.反饋極性

通常采用瞬時極性法來判斷反饋的極性。具體方法是：先假定輸入信號在某一瞬時對地極性為正，并用標(biāo)示，然后順著信號的傳輸方向，逐步推出輸出信號和反饋信號的瞬時極性，并用

或Θ標(biāo)示，最后判斷反饋信號是增強(qiáng)還是減弱輸入信號，如果是增強(qiáng)則為正反饋，反之則為負(fù)反饋。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

例8-1判斷圖8-9所示電路的反饋極性。

圖8-9（a）：假定輸入電壓對地瞬時極性為，根據(jù)運放同相輸入的特性，輸出電壓uo對地的瞬時極性也為，通過反饋支路，將反饋電壓uf送到反相輸入端，瞬時極性仍為。由于uid=ui-uf，uf使凈輸入量減少，則該電路為負(fù)反饋。上述過程可表示為：

ui→u+→uo→uf→u-→uid=ui-uf凈輸入量減少圖（b）：假定輸入信號對地瞬時極性為，則各點電壓變化過程為ui→u-→uoΘ→ufΘ→u+Θ→uid=ui-uf凈輸入量增強(qiáng)，則該電路為正反饋。

(a)ui∞uo++-+RL++uiduf(b)uoui+∞++-uid+-ufΘΘ圖8-9例8-1圖

(a)正反饋

（b)負(fù)反饋8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

2.交流反饋和直流反饋

反饋還有交流和直流之分。若反饋信號是交流量，則稱為交流反饋，它影響電路的交流性能；若反饋信號是直流量，則稱為直流反饋，它影響電路的直流性能；若反饋信號中既有交流量，又有直流量，則反饋對電路的交、直流性能都有影響。

3.反饋電路的類型

根據(jù)反饋信號在輸出端的取樣和在輸入端的連接方式，放大電路可以組成四種不同類型的負(fù)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)反饋和電流并聯(lián)負(fù)反饋。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

（1）電壓反饋和電流反饋

電壓反饋還是電流反饋是按照反饋信號在放大器輸出端的取樣方式來分類的。若反饋信號取自輸出電壓，即反饋信號與輸出電壓成比例，稱為電壓反饋；若反饋信號取自輸出電流，即反饋信號與輸出電流成比例，稱為電流反饋。

（2）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋是按照反饋信號在放大器輸入端的連接方式來分類的。若反饋信號在放大器輸入端以電壓形式出現(xiàn)，即與輸入信號串聯(lián)，則為串聯(lián)反饋；若反饋信號在放大器輸入端以電流形式出現(xiàn)，即與輸入信號并聯(lián)，則為并聯(lián)反饋。判斷方法：如果反饋信號與輸入信號加在同一端上，則為并聯(lián)反饋；若加在不同端上則為串聯(lián)反饋。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

例8-2電路如圖8-10所示，判斷反饋類型。

假定輸入信號對地瞬時極性為負(fù)，由于三極管的集電極和基極的信號相位相反，而發(fā)射極的信號相位跟隨基極相位，所以經(jīng)兩級共射放大電路反相后，uo為正，反饋電壓uf為正。因凈輸入量uid=ube=ui-uf減少，電路為負(fù)反饋。

在輸入端，輸入信號與反饋信號分別加在三極管b、e兩端，由上述概念，反饋信號線和輸入信號線不在一個端，故為串聯(lián)反饋。在輸出端，若將負(fù)載電阻處短路，則輸出信號通地，反饋信號隨之消失，故為電壓反饋。

綜上所述，電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。圖8-10例8-2圖uo+VCCui+++---ufΘ8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.3反饋的基本類型

4．本級和級間反饋

本級反饋是指由一個三極管或一個運算放大器構(gòu)成一級電路產(chǎn)生的反饋，而級間反饋是指由兩個或兩個以上的三極管或運算放大器構(gòu)成的多級電路中級與級之間發(fā)生的反饋。在多級電路中主要研究級間反饋。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.4負(fù)反饋對放大器性能的影響

1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性

引入深度負(fù)反饋后，電路的閉環(huán)增益僅取決于反饋系數(shù)F，因為反饋網(wǎng)絡(luò)大多由線性元件構(gòu)成，穩(wěn)定性比較高，因此放大倍數(shù)比較穩(wěn)定。

2.減小非線性失真

由于三極管、場效應(yīng)管等元件的非線性，會造成輸出信號的非線性失真，引入負(fù)反饋后可以減小這種失真。其原理如圖8-11所示。圖8-11負(fù)反饋減小非線性失真id

必須指出，負(fù)反饋只能減小放大電路內(nèi)部引起的非線性失真，對于信號本身固有的失真則無能為力。此外，負(fù)反饋只能減小而不能消除非線性失真。8.2放大電路中的負(fù)反饋8.2.4負(fù)反饋對放大器性能的影響

3.改善頻率響應(yīng)

由于電路中電抗元件的存在，如耦合電容、旁路電容以及三極管本身的結(jié)電容等，放大器的放大倍數(shù)會隨頻率而變化。實驗證明，放大電路在高頻區(qū)和低頻區(qū)的電壓放大倍數(shù)比中頻區(qū)低。

4.改變輸入電阻和輸出電阻

根據(jù)不同的反饋類型，負(fù)反饋對放大器的輸入電阻、輸出電阻有不同的影響。

負(fù)反饋對輸出電阻的影響取決于反饋信號在輸出端的取樣方式。因電壓負(fù)反饋可穩(wěn)定輸出電壓，具有恒壓特性，因此電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小。因電流負(fù)反饋可穩(wěn)定輸出電流，具有恒流特性，由恒流源特性可知，電流負(fù)反饋使輸出電阻變大。8.3集成運算放大器的應(yīng)用

由集成運算放大器可以組成各種線性和非線性應(yīng)用電路，如信號運算電路、信號處理電路、信號產(chǎn)生電路和信號變換電路等。本節(jié)將介紹集成運放電路和電壓比較器電路。

由于集成運放開環(huán)增益很高，所以其構(gòu)成的基本運算電路均為深度負(fù)反饋電路，在兩個輸入端之間滿足“虛短”和“虛斷”，以下電路均是根據(jù)這一特性進(jìn)行分析。

１.集成運放的線性應(yīng)用

（1）反相比例運算

圖8-12所示為反相比例運算電路，輸入信號ui通過電阻R1加到集成運放的反相輸入端，反饋電阻RF接在輸出端和反相輸入端之間，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。R2=R1//RF為直流平衡電阻，其作用是保證當(dāng)ui為零時，uo也為零，從而消除輸入偏置電流以及溫漂對放大電路的影響。圖8-12反相比例運算電路uo∞i1uiifR1R2RFi-i+++A8.3集成運算放大器的應(yīng)用

根據(jù)“虛斷”的概念，可得：

當(dāng)R1=RF=R時，，即輸出電壓與輸入電壓大小相等、相位相反，圖8-12所對應(yīng)的電路則稱為反相器。

（2）同相比例運算電路

圖8-13所示為同相比例運算電路，輸入信號ui通過電阻R2加到集成運放的同相輸入端，反饋電阻RF接在輸出端和反相輸入端之間，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。R2為直流平衡電阻，滿足R2=R1//RF的關(guān)系。

根據(jù)u+≈u-，i+=i-≈0，由圖8-13可得

如取RF=0或R1=∞，可得8.3集成運算放大器的應(yīng)用圖8-14電壓跟隨器uo∞ui++(a)uoRF∞ui++(b)圖8-13同相比例運算電路R2∞i1uouiifR1RFi-i+++A圖8-15加法電路∞i1ui1ifR1RFi-i+++R2R3iii2i4ui2ui3uoR48.3集成運算放大器的應(yīng)用

（3）加法運算

圖8-15所示為三個輸入信號的加法運算電路，輸入信號采用反相輸入方式。直流平衡電阻R4=R1//R2//R3//RF。

根據(jù)“虛斷”的概念，由圖8-15可得：ii≈if

又ii=i1+i2+i3

再根據(jù)“虛地”的概念，可得

則8.3集成運算放大器的應(yīng)用

（4）減法運算

圖8-16所示為減法運算電路，它是反相端和同相端都有信號輸入的放大器，也稱差分輸入放大器。其中ui1通過R1加到反相端，而ui2通過R2、R3分壓后加到同相端。

由“虛短”的概念，得

整理可得圖8-16減法電路uo∞ui1R1R3++ui2R2i1RF8.3集成運算放大器的應(yīng)用

（5）積分運算

圖8-17所示為積分運算電路，它和反相比例運算電路的差別僅是用電容C代替反饋電阻RF。圖中直流平衡電阻R2=R1。

根據(jù)運放反相端的“虛地”概念和圖示電壓、電流的參考方向，可得

即8.3集成運算放大器的應(yīng)用

（6）微分運算

微分與積分互為逆運算。將圖8-17中C與R1互換位置，即成為微分運算電路，如圖8-18所示。

由圖8-18所示電壓、電流的參考方向以及“虛地”概念可得8.4用集成運放構(gòu)成振蕩電路

8.4.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識

1.自激振蕩現(xiàn)象

信號發(fā)生器正是利用自激振蕩的原理來產(chǎn)生正弦波的。信號發(fā)生器為什么不需要輸入信號，就能得到一定頻率一定幅度的正弦波信號輸出呢？

2.自激振蕩形成的條件

我們可以借助圖8-24所示的方框圖來分析正弦波振蕩形成的條件。8.4用集成運放構(gòu)成振蕩電路8.4.1

正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識

圖8-24是自激振蕩框圖。當(dāng)開關(guān)S處在“1”時，放大電路與電源接通，此時，電路的輸入信號、輸出信號和反饋信號分別為、和，它們相互間的關(guān)系已在圖中標(biāo)出。若適當(dāng)選擇電路參數(shù),使=，且將開關(guān)S打到“2”處，用反饋電壓代替原輸入電壓。

由框圖中各電量關(guān)系可以推出，自激振蕩形成的條件是

（１）振幅平衡條件

反饋信號的幅值與輸入信號的幅值大小相等，可表示為AF=1

（2）相位平衡條件

反饋信號與原輸入信號的相位相同，即電路中必須引入正反饋。8.4用集成運放構(gòu)成振蕩電路

3.振蕩的建立與穩(wěn)定

當(dāng)放大電路接通電源的瞬間，隨著電源電壓由零開始的突然增大，電路受到擾動，在放大器的輸入端產(chǎn)生一個微弱的擾動電壓，經(jīng)放大器放大、正反饋、再放大、再反饋……，如此反復(fù)循環(huán)，輸出信號的幅度很快增加。

起振條件應(yīng)為

穩(wěn)幅后的幅度平衡條件為

4.正弦波振蕩電路的組成

（1）放大電路（2）反饋網(wǎng)絡(luò)

（3）選頻網(wǎng)絡(luò)（4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)8.4用集成運放構(gòu)成振蕩電路

RC正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,用來產(chǎn)生幾兆赫茲以下的低頻信號,常用的RC振蕩電路有RC橋式振蕩電路和移相式振蕩電路。

1.串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由和并聯(lián)后與和串聯(lián)組成,如右圖所示。

設(shè)、的串聯(lián)阻抗用表示,和的并聯(lián)阻抗用

表示,輸入電壓加在與串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的兩端，輸出電壓從兩端取出。將輸出電壓與輸入電壓之比作為RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)，記為，那么在實際電路中取,,由數(shù)學(xué)推導(dǎo)得(8-14)8.4用集成運放構(gòu)成振蕩電路

由以上分析可知：串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)只在

即2.橋式振蕩電路RC橋式振蕩電路如圖所示。

圖