《電工電子技術(shù)簡明教程》課件-第7章

項目7集成運放及其應(yīng)用7.1集成運算放大器實訓(xùn)任務(wù)集成運算放大器的認識7.2負反饋放大器實訓(xùn)任務(wù)負反饋放大器反饋類型的判斷7.3集成運放的線性應(yīng)用7.4集成運放的非線性應(yīng)用實訓(xùn)任務(wù)集成運放的應(yīng)用練習(xí)題

知識目標(biāo)

(1)了解集成運算放大器的特點。

(2)了解理想集成運放的技術(shù)指標(biāo)。

(3)熟悉集成運放的兩個工作區(qū)域及其工作條件。

(4)了解反饋的概念,掌握負反饋的四種組態(tài)及其特點。

技能目標(biāo)

(1)能根據(jù)實際應(yīng)用調(diào)節(jié)選擇專用集成運放。

(2)會用集成運放組成實際放大電路。

(3)會判斷負反饋的四種組態(tài),能說出四種負反饋電路的特點。

7.1集成運算放大器

運算放大器是一種高電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合式多級放大電路,由于它最初主要用在模擬計算機上進行數(shù)學(xué)運算,故得其名。

圖7－1所示為通用型集成運算放大器LM324的外形。圖7－1通用型集成運算放大器LM324外形照片

圖7－2所示為集成運算放大器的電路符號。圖7－2集成運算放大器的電路符號

需要說明的是,圖7－2所示的符號是當(dāng)今國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的集成運算放大器在電路中的符號,但是長期以來,如圖7－3所示的電路符號也一直在使用,這是中國曾經(jīng)用過的部分符號,而且這個符號至今還在一些國外和國內(nèi)的電路中廣泛使用。

畫電路圖時,通常只畫出集成運放的輸入端和輸出端。其中,標(biāo)“+”號的端叫作同相輸入端,標(biāo)“-”號的端叫作反相輸入端,電源端一般不畫出。圖7－3集成運算放大器曾經(jīng)用過的電路符號

7.1.1集成運算放大器的組成及其特點

1.集成運算放大器的組成及其作用

在集成運放電路中,為了抑制零點漂移,故對溫漂影響最大的第一級電路毫無例外地采用了差動放大電路。在集成運放的電路內(nèi)部,包含了四個基本組成部分,即偏置電路、差

動輸入級、電壓放大級和輸出級。

集成運算放大器電路的組成框圖如圖7－4所示。圖7－4集成運算放大器電路的組成框圖

2.各組成部分的作用

1)差動輸入級

集成運放的輸入級采用差動電路,整個電路工作在弱電流狀態(tài),而且電流比較恒定,這有利于提高集成運放的共模抑制比。

2)電壓放大級

中間級的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù),因此,中間級不僅要求電壓放大倍數(shù)高,而且還要求輸入電阻比較高,以減少本級對前級電壓放大倍數(shù)的影響。中間級還要向輸出級提供較大的推動電流。

3)輸出級

輸出級的主要作用是給出足夠的輸出電流以滿足負載的需要,同時還要具有較低的輸出電阻和較高的輸入電阻,以起到將放大級和負載隔離的作用,所以電路采用射極跟隨的形式。除此之外,電路中還設(shè)有過載保護電路,用以防止輸出端短路或負載電流過大時燒壞管子。

4)偏置電路

偏置電路用于給各個電路提供所需的直流偏壓,多采用恒流源和鏡像微恒流源電路。集成運放的輸入級由差動放大電路組成,因此具有兩個輸入端。分別從兩個輸入端加入信號,在電路的輸出端得到的信號相位是不同的,一個為反相關(guān)系,另一個為同相關(guān)系,所以把這兩個輸入端分別稱為反相輸入端和同相輸入端。

7.1.2集成運放的主要參數(shù)

為了描述集成運放的性能,人們設(shè)立了許多技術(shù)指標(biāo)。

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod

開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod

是指集成運放在無外加反饋回路情況下的差模電壓放大倍數(shù),即

2.最大輸出電壓Uopp

最大輸出電壓是指在額定的電源電壓下,集成運放的最大不失真輸出電壓的峰峰值。

用電壓傳輸特性曲線來表示集成運放的輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系(電壓傳輸特性),如圖7－5所示。圖7－5集成運放F007的電壓傳輸特性

3.差模輸入電阻rid

rid的大小反映了集成運放的輸入端向信號源索取電流的大小。一般要求rid愈大愈好,普通型集成運放的rid

為幾百千歐至幾兆歐。在集成運放的輸入級采用場效應(yīng)管組成差動放大器,可以提高放大器的差模輸入電阻rid

。F007的rid

為2MΩ,理想集成運放的rid為無窮大。

4.輸出電阻ro

輸出電阻ro

的大小反映了集成運放在輸出信號時的帶負載能力。有時也用最大輸出電流Iomax

來表示它的極限帶負載能力。理想集成運放的ro

為零。

5.共模抑制比KCMRR

共模抑制比反映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力。KCMRR愈大愈好,理想集成運放的KCMRR為無窮大。

6.-3dB帶寬fh

實驗發(fā)現(xiàn),隨著輸入信號頻率的上升,放大電路的電壓放大倍數(shù)將下降,當(dāng)Aod

下降到最大放大倍數(shù)的0.707時其對應(yīng)的信號頻率稱為截止頻率,用分貝為單位表示時正好是3dB,對應(yīng)此點的頻率f

h稱為上限截止頻率,又常稱為-3dB帶寬。

當(dāng)輸入信號頻率繼續(xù)增大時,電壓放大倍數(shù)繼續(xù)下降;當(dāng)電壓放大倍數(shù)Aod=1時,與此對應(yīng)的頻率fc

稱為單位增益帶寬。F007的單位增益帶寬為f

c=1MHz。

7.靜態(tài)功耗PD

當(dāng)集成運放電路的輸入端短路、輸出端開路時,集成運放所消耗的功率叫作靜態(tài)功耗PD,此值越小越好。

7.1.3集成運放的兩個工作區(qū)域

1.理想集成運算放大器

所謂理想集成運放,就是將集成運放的各項技術(shù)指標(biāo)理想化,即:

(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞;

(2)輸入電阻rid=∞;

(3)共模抑制比KCMRR=∞;

(4)輸出電阻rod=0;

(5)-3dB帶寬fh=∞。

2.理想集成運放工作在線性區(qū)的特點

集成運放工作在線性區(qū)時,其輸出電壓與兩個輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系,即

式中,uo

是集成運放的輸出端電壓;u-和u+分別是其反相輸入端和同相輸入端的對地電壓;Aod是其開環(huán)差模電壓增益,因為uo為定值,且Aod很大,所以必須要求u+和u-的差很小才行。

理想集成運放工作在線性區(qū)時,有兩個重要特點:

(1)兩個輸入端電位相等。

由于集成運放工作在線性區(qū),有

uo=-Aod(u--u+)

再考慮到理想集成運放的Aod=∞,所以必然有

u+=u-

上式表示理想集成運放的同相輸入端與反相輸入端的電位相等,就像這兩個輸入端是短路的一樣,這種現(xiàn)象稱為“虛短”。

(2)理想集成運放的輸入電流等于零。

由于理想集成運放的差模輸入電阻rid

=∞,因此在其兩個輸入端均可以認為沒有電流輸入,即

i+=i-=0

此時,集成運放的同相輸入端和反相輸入端的輸入電流都等于零,如同這兩個輸入端內(nèi)部被斷開一樣,所以將這種現(xiàn)象稱為“虛斷”。

“虛短”和“虛斷”是理想集成運放工作在線性區(qū)時的兩個特點,常常作為分析集成運放應(yīng)用電路的出發(fā)點。

3.理想集成運放工作在非線性區(qū)的特點

如果集成運放的輸入信號超出一定范圍,則輸出電壓不再隨輸入電壓線性增長,而將達到飽和。集成運放的電壓傳輸特性如圖7－6所示。

理想集成運放工作在非線性區(qū)時,也有兩個重要的特點:

(1)理想集成運放的輸出電壓uo

具有兩值性:或等于集成運放的正向最大輸出電壓+Uopp,或等于集成運放的負向最大輸出電壓-Uopp,如圖7－6中的實線所示。圖7－6集成運放的電壓傳輸特性

(2)理想集成運放的輸入電流等于零。

在非線性區(qū)內(nèi),雖然集成運放兩個輸入端的電位不等,但因為理想集成運放的輸入電阻rid

=∞,故仍可認為理想集成運放的輸入電流等于零,即

i+=i-=0

實訓(xùn)任務(wù)21集成運算放大器的認識

一、看一看

(1)仔細觀察如圖7－7所示各種集成運放的外形封裝。

(2)各種型號集成運放塊的直觀識別。要求:對給定的各種集成運放進行直觀識別,將識別結(jié)果填入表7－1中。圖7－7集成運放的各種封裝

二、常用集成運放塊主要參數(shù)的查閱

(1)查閱集成運放手冊,找出表7－2給定的各種集成運放塊的主要參數(shù),將結(jié)果填入表7－2中。

(2)專用集成運放電路的查找?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些專用的集成運放,如高速型、低功耗型、高壓型等等,他們的性能比起通用性的集成運放要優(yōu)秀得多。查找這些專用的集成運

放的型號和用途,填寫在表7－3中。

7.2負反饋放大器

7.2.1反饋的基本概念

1.反饋在電子系統(tǒng)中,把放大電路的輸出量(輸出電壓或輸出電流)的一部分或全部,通過某些元件和網(wǎng)路(稱為反饋網(wǎng)絡(luò)),反送到輸入回路中,從而構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng),使放大電路的輸入量不僅受到輸入信號的控制,而且受到放大電路輸出量的影響,這種連接方式就叫反饋。引入了反饋的放大電路叫作反饋放大電路,也叫閉環(huán)放大電路,而未引入反饋的放大電路,則稱為開環(huán)放大電路。

2.反饋放大電路的框圖

所有的反饋放大電路都可以看成是由基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成,如圖7－8所示。圖7－8反饋放大電路的方框圖

反饋可以在一級放大器內(nèi)存在,稱為本級反饋;反饋也可以在多級放大電路中構(gòu)成,稱為級間反饋。級間反饋改善整個放大電路的性能;本級反饋只改善本級電路的性能。

3.反饋放大電路的一般關(guān)系式

7.2.2反饋放大電路的基本類型及分析方法

1.反饋信號的極性與判斷方法

1)正反饋和負反饋

在放大器中,如果引入反饋信號后,放大電路的凈輸入信號減小,致使放大器的放大倍數(shù)降低,則為負反饋;若反饋信號使放大電路的凈輸入信號增大,致使放大器的放大倍數(shù)增大,則為正反饋。

例如,圖7－9是由集成運放組成的帶有反饋的放大電路。對于圖7－9(a)所示電路,設(shè)輸入信號ui的瞬時極性為正,因為uo與ui同相,則輸出信號uo

的瞬時極性為正,uo

經(jīng)電阻R3

、R4

分壓后得到的反饋電壓uf

的極性也為正,由于反饋信號與輸入信號在輸入的同一端上且二者極性相同,可以看出,反饋信號可使凈輸入信號增大,所以為正反饋。

對于圖7－9(b)所示電路,設(shè)輸入信號ui的瞬時極性為正,因為是從同相端輸入,則uo和uf

的瞬時極性都為正,但由于反饋信號回到了輸入的另一端,與原輸入信號不在同一輸入端,所以單憑反饋信號的極性是正就判斷是正反饋顯然是錯誤的。此時可這樣分析:設(shè)輸入信號在集成運放的同相端瞬時極性為正,則其在輸入的另一端(反相端)必為負。當(dāng)正的反饋信號回到集成運放的反相端時,應(yīng)和該點的原輸入信號比較,顯然它倆的極性相,所以是負反饋。圖7－9帶有反饋的放大電路

圖7－10是由兩個集成運放組成的多級放大電路。由瞬時極性法可以判斷出兩個集成運放本級的反饋是負反饋,整個電路的級間反饋也是負反饋。所以,對于級間反饋來說,不

能以反饋信號回到哪個輸入端為判據(jù),要用瞬時極性法逐級確定信號的極性,最后進行同點比較從而確定是正反饋還是負反饋。圖7－10多級反饋電路反饋極性的判斷

例7－1判斷圖7－11所示電路的反饋極性。

解

這是一個由分立元件組成的反饋放大器,仍然可以用瞬時極性同點比較法來判斷反饋極性。圖7－11例題7－1的電路

2)直流反饋和交流反饋

在反饋放大器中,若反饋回來的信號是直流量,稱為直流反饋;若反饋回來的信號是交流量,稱為交流反饋;若反饋信號中既有交流分量,又有直流分量,則為交、直流反饋。

直流反饋和交流反饋的區(qū)分,可以通過畫出整個反饋電路的交、直流通路來判定。反饋回路存在于直流通路中即為直流反饋,反饋回路存在于交流通路中,即為交流反饋。反饋通路既存在于直流通路中,又包含在交流通路里,為交、直流反饋。

例如在圖7－12(a)所示的電路中,由于電容C對直流相當(dāng)于開路,R2

、R3

串接在反相輸入端和輸出端之間,所以存在直流反饋。對于交流而言,電容C相當(dāng)于短路,交流通路如圖7－12(b)所示,可以看出,交流通路中不存在反饋,所以這個電路不存在交流反饋。圖7－12判斷電路的直流反饋與交流反饋

直流負反饋在放大器中的作用只有一個,就是穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點。前面分析過的分壓偏置式放大器就是直流負反饋的典型應(yīng)用。

交流負反饋的作用是改善放大器的動態(tài)特性,有許多內(nèi)容要在下面詳細討論。射極跟隨器是交、直流負反饋共同存在的典型電路,它的工作點相當(dāng)穩(wěn)定,并且在動態(tài)特性上與共發(fā)射極放大器相比有很大的改善。

2.負反饋放大器的四種組態(tài)

交流負反饋在放大器中有著特殊而廣泛的應(yīng)用,下面要討論的負反饋都指的是交流負反饋。交流負反饋可以按照對放大器性能的要求組成各種類型。

從放大器的輸出端,按照反饋網(wǎng)絡(luò)在輸出端的采樣不同,可分成電壓反饋和電流反饋。如果反饋取樣是輸出電壓,稱為電壓反饋;如果反饋取樣是輸出電流,稱為電流反饋。

從放大器的輸入端,按照反饋信號與輸入信號在輸入端的連接方式的不同,可分成串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。如果反饋信號與輸入信號在輸入端串聯(lián)連接,稱為串聯(lián)反饋;如果反饋信號與輸入信號在輸入端并聯(lián)連接,則稱為并聯(lián)反饋。

1)電壓反饋和電流反饋的區(qū)分

區(qū)分電壓反饋和電流反饋可采用假想負載短路法。

在圖7－13(a)所示的電路中,假想將負載RL

短路,短路后的等效電路如圖7－13(b)所示?？梢钥闯?當(dāng)負載短路后,uo=0,沒有了反饋回路,反饋信號也消失了,故為電壓反饋;對于圖7－13(c)所示電路,當(dāng)負載短路后,盡管輸出電壓uo=0,但反饋回路依然存在,輸出信號還能反饋到輸入端,如圖7－13(d)所示,故圖7－13(c)所示電路為電流反饋。圖7－13區(qū)分電路是電壓反饋還是電流反饋

例7－2電路如圖7－14所示。若負載接在C1的輸出端或者接在C2

的輸出端,分別判斷此電路是電壓反饋還是電流反饋?圖7－14例題7－2的圖

解此電路圖粗看是一個射極跟隨器電路,但仔細分析又

有所不同。若負載接在C1

的輸出端,則是一個典型的射極跟隨器電路,此時用負載短路法,不難判斷出RE1

和RE2

屬于電壓負反饋;若負載接在C2

的輸出端,當(dāng)將負載短路后,RE1

的反饋回路仍然存在,反饋信號還能回到輸入端,可見在這種情況下,RE1構(gòu)成了電流負反饋。

2)串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的區(qū)分

區(qū)分串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的方法是:如果反饋信號和輸入信號在輸入端的同一節(jié)點引入,為并聯(lián)反饋;如果反饋信號和輸入信號不在輸入端的同一節(jié)點引入,則為串聯(lián)反饋。

在圖7－13(a)所示的電路中,輸入信號和反饋信號在同一個節(jié)點上,故為并聯(lián)反饋。對于圖7－13(c)所示電路,輸入信號和反饋信號不在同一個節(jié)點上,故為串聯(lián)反饋。

3.四種類型的負反饋放大器

從反饋信號在電路輸出端的兩種取樣方式和在輸入端兩種不同的連接方式,可以構(gòu)成四種類型的負反饋組態(tài),即:電壓串聯(lián)負反饋、電壓并聯(lián)負反饋、電流串聯(lián)負反饋、電流并

聯(lián)負反饋

1)電壓串聯(lián)負反饋

在圖7－15所示電路中,由R1、R

f

構(gòu)成輸入、輸出之間的反饋通路。在該電路的直流通路和交流通路中,均有該反饋存在,所以是交、直流反饋。對該集成運放而言,反饋加在集成運放的反相輸入端,所以是交流負反饋。從輸出端來看,若將負載RL

短路,則uo=0,u

f=0,反饋不存在,可見是屬于電壓反饋。從輸入回路來看,輸入信號和反饋信號不在同

一個節(jié)點,所以是屬于串聯(lián)反饋。故圖7－15所示的放大電路稱為電壓串聯(lián)負反饋電路。圖7－15電壓串聯(lián)負反饋電路圖

電壓負反饋有穩(wěn)定輸出電壓uo

的作用。設(shè)輸入信號不變,即ui

恒定,由于某種原因(如RL

增大),使輸出電壓uo增大,經(jīng)R1

、Rf

對uo

分壓,使反饋電壓uf

增大,結(jié)果使凈輸入電壓:u'i

=ui-uf

減小,將引起uo

向相反的方向變化,最后趨于穩(wěn)定。上述過程可表示如下:

可見,引入電壓負反饋后,通過反饋的自動調(diào)節(jié),可以使輸出電壓趨于穩(wěn)定。

2)電流串聯(lián)負反饋

在圖7－16所示電路中,由Rf構(gòu)成輸入、輸出間的反饋回路。反饋回路能同時通過交流和直流信號,所以該反饋為交、直流反饋。對該集成運放而言,反饋加在集成運放的反相輸入端,所以是交流負反饋。從輸出端來看,若將負載RL

短路,則當(dāng)uo=0時,反饋信號依然存在,說明該反饋屬于電流反饋。從輸入端來看,由于輸入信號與反饋信號是從集成運放的兩個不同的輸入端引入,屬于串聯(lián)反饋。因此,圖7－16所示電路為電流串聯(lián)負反饋放大電路。圖7－16電流串聯(lián)負反饋電路圖

3)電流并聯(lián)負反饋

在圖7－17所示電路中,由Rf構(gòu)成輸入、輸出間的反饋通路。反饋通路能同時通過交流和直流信號,所以該反饋為交、直流反饋。用瞬時極性法可判斷出是交流負反饋。當(dāng)將RL

短路后,uo=0,但反饋信號依然存在,說明該反饋屬于電流反饋;又由于輸入信號與反饋信號均從集成運放的反相輸入端引入,屬于并聯(lián)反饋。所以該電路為電流并聯(lián)負反饋放大電路。圖7－17電流并聯(lián)負反饋電路圖

4)電壓并聯(lián)負反饋

電壓并聯(lián)負反饋電路如圖7－18所示,由Rf

構(gòu)成輸入、輸出間的反饋通路,為交、直流反饋。用瞬時極性法可判斷出是交流負反饋。從輸出端看,假設(shè)將負載RL

短路,則uo=0,輸入、輸出間不存在反饋通路,反饋信號消失,故為電壓反饋;從輸入端看,輸入信號和反饋信號都在集成運放的反相輸入端,屬于并聯(lián)反饋。所以圖7－18電路是電壓并聯(lián)負反饋放大電路。圖7－18電壓并聯(lián)負反饋電路圖

7.2.3負反饋對放大電路性能的影響

1.閉環(huán)增益的三種結(jié)果

對閉環(huán)增益方程可分成三種情況加以討論:

2.負反饋對放大器性能的影響

放大器引入負反饋后,放大倍數(shù)有所下降,但卻可以改善放大器的動態(tài)性能,如提高放大器的穩(wěn)定性、減小非線性失真、抑制干擾、降低電路內(nèi)部噪聲和擴展通頻帶等。這些指

標(biāo)的改善對于提高放大器的性能是非常有益的,至于放大倍數(shù)的降低則可以通過增加放大器的級數(shù)來加以解決。

2)交流負反饋可以減小對信號放大的非線性失真

由于三極管本身是非線性器件,所以放大器對信號進行放大時產(chǎn)生了非線性失真是不可避免的,問題是如何盡量減小非線性失真。給三極管設(shè)置合適的工作點是減小非線性失

真的首選方法。然而當(dāng)輸入信號的幅度較大時,盡管三極管的工作點合適,也會導(dǎo)致三極管工作在特性曲線的非線性部分,從而使輸出波形失真,這是用合理設(shè)置工作點也解決不了的問題。而用交流負反饋就可以在很大程度上解決這個問題。

假設(shè)正弦信號x

i

經(jīng)過開環(huán)放大電路后,變成了正半周幅度大、負半周幅度小的輸出波形,如圖7－19(a)所示。這時在電路中引入負反饋,如圖7－19(b)所示,并假定反饋網(wǎng)絡(luò)

是不會引起失真的純電阻網(wǎng)絡(luò),則在輸入端將得到正半周幅度大、負半周幅度小的反饋信號xf

。兩者疊加后,由此得到的凈輸入信號xid則是正半周幅度小、負半周幅度大的波形,即引入了失真(稱預(yù)失真),再經(jīng)過基本放大電路放大后,就會使輸出波形趨于正負對稱的正弦波,從而減小了非線性失真。需要注意的是,對輸入信號本身固有的失真,負反饋是無能為力的。圖7－19非線性失真的改善

3)交流負反饋可以抑制電路內(nèi)部產(chǎn)生的干擾和噪聲

對于三極管內(nèi)部由于載流子的熱運動而引起的干擾和噪聲,負反饋也可以對其進行抑制,其原理與改善信號的非線性失真相同。

4)交流負反饋可以擴展放大器的通頻帶

從上面的分析中已經(jīng)可以看出,負反饋的作用就是對電路輸出的任何變化都有反相的糾正作用,所以放大電路在高頻區(qū)及低頻區(qū)放大倍數(shù)的下降,必然會引起反饋量的減小,

從而使凈輸入量增加,放大倍數(shù)隨頻率的變化減小,幅頻特性變得平坦,使上限截止頻率升高,下限截止頻率下降,從而放大器的通頻帶被展寬了,如圖7－20所示。圖7－20負反饋可以展寬放大器的通頻帶

5)交流負反饋可改變放大電路的輸入電阻和輸出電阻

通過引入不同組態(tài)的負反饋,可以改變放大器的輸入電阻和輸出電阻,以實現(xiàn)電路的阻抗匹配和提高放大器的帶負載能力。

(1)串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大,并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小。

設(shè)基本放大電路的輸入電阻為Ri,當(dāng)引入串聯(lián)負反饋后,反饋電壓與原輸入信號串聯(lián),抵消原輸入,使輸入端的電流較無負反饋時減小,相當(dāng)于負反饋放大器的輸入電阻Rif增大。

可以證明:

即串聯(lián)負反饋放大電路的輸入電阻為無反饋時輸入電阻的(

1+AF)倍。

當(dāng)引入并聯(lián)負反饋后,反饋電流在放大器的輸入端并聯(lián),使放大器的輸入電流增大,相當(dāng)于負反饋放大器的輸入電阻減小?？梢宰C明:

即并聯(lián)負反饋放大電路的輸入電阻比無反饋時減小了(

1+AF)倍。

(2)電壓負反饋使輸出電阻減小,電流負反饋使輸出電阻增大。

設(shè)基本放大電路的輸出電阻為Ro,當(dāng)引入電壓負反饋后,放大器的輸出電壓非常穩(wěn)定,相當(dāng)于電壓源的特性,而電壓源的電阻是非常小的。可以證明電壓負反饋放大電路的輸出電阻Rof為

即有電壓負反饋時的輸出電阻比無反饋時減小了(1+AF)倍。

當(dāng)引入電流負反饋后,放大器的輸出電流非常穩(wěn)定,相當(dāng)于恒流源的特性,而恒流源的電阻是很大的。可以證明電流負反饋放大器的輸出電阻Rof為

即電流負反饋放大器的輸出電阻是無負反饋的輸出電阻的(

1+AF)倍。

實訓(xùn)任務(wù)22負反饋放大器反饋類型的判斷

一、放大器反饋類型的判斷

要求:判斷給定電路圖的反饋類型,并將結(jié)果填入表7－4中。

二、放大器負反饋組態(tài)的判斷

要求:判斷給定電路圖的負反饋組態(tài),并將結(jié)果填入表7－5中。

7.3集成運放的線性應(yīng)用

7.3.1運算電路運算放大器最早應(yīng)用于模擬信號的運算,至今,信號的運算仍是集成運放的一個重要且基本的應(yīng)用領(lǐng)域。在各種運算電路中,要求電路的輸出和輸入的模擬信號之間實現(xiàn)一定的數(shù)學(xué)運算關(guān)系,因此運算電路中的集成運放一定要工作在線性區(qū)。理想集成運放工作在線性區(qū)時的“虛短”和“虛斷”是分析運算電路的出發(fā)點。

1.比例運算電路

將輸入信號按比例放大的電路,稱為比例運算電路。按輸入信號加在集成運放輸入端的不同,比例運算又分為反相比例運算和同相比例運算。

1)反相比例運算電路

反相比例運算電路如圖7－21所示。

圖7－21中的R1是電路的輸入電阻,Rf是反饋電阻,它引入了并聯(lián)電壓負反饋。由于集成運放的開環(huán)增益Aod

非常大,所以Rf

引入的是深度負反饋,保證了集成運放工作在線性區(qū)。圖7－21反相比例運算電路

重要結(jié)論:

(1)反相比例運算電路實際上是一個電壓并聯(lián)負反饋電路。在理想情況下,反相輸入端的電位等于零,稱為“虛地”,因此加在集成運放輸入端的共模輸入電壓很小。

(2)反相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)即輸出電壓與輸入電壓的相位相反,比值A(chǔ)uf取決于電阻Rf和R1之比,而與集成運放的各項參數(shù)無關(guān)。只要Rf

和R1

的

阻值比較準(zhǔn)確而穩(wěn)定,就可以得到準(zhǔn)確的比例運算關(guān)系。根據(jù)電阻取值的不同,比例Auf可以大于1,也可以小于1,這是該電路的一個重要特點。

(3)當(dāng)Rf=R1

時,Auf=-1,此時的電路稱為單位增益倒相器,或叫作反相器,用于在數(shù)學(xué)運算中實現(xiàn)變號運算。

(4)R2

稱為平衡電阻,其阻值為R2=R1∥Rf。

反相比例運算電路引入了電壓并聯(lián)負反饋,因此該電路的輸入電阻不高,輸出電阻很低。

2)同相比例運算

同相比例運算電路如圖7－22所示。在電路中電阻R1

與Rf引入串聯(lián)電壓負反饋,保證集成運放工作在線性區(qū)。R2

是平衡電阻,應(yīng)保證R2=R1∥Rf

。圖7－22同相比例運算電路

在圖7－22中,根據(jù)集成運放工作于線性區(qū)時有“虛短”

重要結(jié)論:

(1)同相比例運算放大電路是一個電壓串聯(lián)負反饋電路。因為u-=u+=ui,所以不存在“虛地”現(xiàn)象,在選用集成運放時要考慮到其輸入端可能具有較高的共模輸入電壓,要選

用輸入共模電壓高的集成運放器件。

(2)同相比例運算放大電路的電壓放大倍數(shù)

即輸出電壓與輸入電壓的相位相同。也就是說,電路實現(xiàn)了同相比例運算。比例值也只取決于電阻Rf

和Ri

之比,而與

集成運放的參數(shù)無關(guān),所以同相比例運算的精度和穩(wěn)定性主要取決于電阻Rf

和Ri

的精確度和穩(wěn)定度。

(3)當(dāng)將電阻取值為Rf=0或R1=∞時,顯然有Auf=1,這時的電路稱為電壓跟隨器,在電路中用于驅(qū)動負載和減輕對信號源的電流索取。電壓跟隨器的電路如圖7－23所示。

由于同相比例運算在電路中引入了電壓串聯(lián)負反饋,因此同相比例運算放大電路的輸入電阻很高,輸出電阻很低。圖7－23電壓跟隨器電路

2.加法與減法運算

1)加法運算

如果在集成運放的反相輸入端增加若干個輸入電路,則構(gòu)成反相加法運算電路,如圖7－24所示。圖7－24反相加法運算電路

由上式可知,加法運算電路的結(jié)果也與集成運放器件本身的參數(shù)無關(guān),只要各個電阻的阻值足夠精確,就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性。

R2

是平衡電阻,應(yīng)保證R2=R11∥R12∥R13∥Rf

。

若在同相輸入端增加若干個輸入電路,則可構(gòu)成同相加法運算電路,如圖7－25所示,Rf

與R1引入了串聯(lián)電壓負反饋,所以集成運放工作在線性區(qū)。圖7－25同相加法電路

2)減法運算

在集成運放的同相輸入端和反相輸入端同時加入兩個信號,再使集成運放工作于線性區(qū),就可以實現(xiàn)兩個信號的比例減法運算,如圖7－26所示。圖7－26單集成運放組成的減法電路

在實際中常常采用反相比例求和的方法來實現(xiàn)兩個甚至是多個量的減法運算,其電路如圖7－27所示。圖7－27采用兩級集成運放組成的減法電路

在電路中采用兩級反相比例運算電路,作為被減數(shù)的信號從第一級的反相輸入端輸入,其輸出與作為減數(shù)的信號在第二級的反相輸入端做求和運算,將每個反相比例放大器的比例系數(shù)都取作1,則在第二級的輸出端就實現(xiàn)了兩個量的減法運算,其表達式為

若改變對每個輸入信號的比例系數(shù),則可以實現(xiàn)兩個量或幾個量的比例減法運算。

3.積分和微分運算

1)積分運算

在反相比例運算電路中,用電容Cf

代替Rf

作為反饋元件,引入并聯(lián)電壓負反饋,就成為積分運算電路,如圖7－28所示。圖7－28積分運算電路圖7－29積分運算電路的階躍響應(yīng)

2)微分運算

微分是積分的逆運算,電路的輸出電壓與輸入電壓呈微分關(guān)系,其電路如圖7－30(a)所示。圖7－30微分運算電路

由集成運放工作于線性區(qū)的“虛短”和“虛斷”的特點,并考慮到集成運放的“-”端是“虛地”,所以有

可見輸出電壓uo

與輸入電壓ui對時間的微分成正比關(guān)系。

基本微分電路由于對輸入信號中的快速變化分量敏感,所以它對輸入信號中的高頻干擾不能有效的抑制,使電路的性能下降。在實際的微分電路中,通常在輸入回路中串聯(lián)一

個小電阻,如圖7－30(b)所示,可以提高電路的抗干擾能力。但是,這將影響到微分電路的精度,故要求R1

的取值要適當(dāng),一般要在現(xiàn)場通過實驗來確定。

7.3.2集成運放在實際工程中的線性應(yīng)用

1.集成運放組成測量放大器

在自動控制和非電量測量等系統(tǒng)中,常用各種傳感器將非電量(如溫度、應(yīng)變、壓力等)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?然后再輸入系統(tǒng)。由于這些非電量的變化經(jīng)常是比較緩慢,所以

導(dǎo)致產(chǎn)生的電信號的變化量常常很小(一般只有幾毫伏到幾十毫伏),這就需要將電信號加以放大。最為實用的測量放大器(也稱數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器)的原理電路如圖7－31所示。圖7－31測量放大器電路原理圖

在圖7－31中,當(dāng)加上差模輸入信號ui

時,若集成運放A1

和A2的參數(shù)對稱,且R2

=R3,則電阻R1

的中點將為地電位,此時A1

、A2

的工作情況如圖7－32所示。圖7－32A1、A2的工作情況分析

2.集成運放組成濾波器

濾波器的作用是允許信號中的某一部分頻率的信號通過,而將其他頻率的信號加以衰減,使其不能通過。

按其工作頻率的不同,濾波器可分為:

低通濾波器:允許低于某一頻率的信號通過,將高于此頻率的信號衰減。

高通濾波器:允許高于某一頻率的信號通過,將低于此頻率的信號衰減。

帶通濾波器:允許在某一頻帶范圍內(nèi)的信號通過,將此頻帶以外的信號衰減。

帶阻濾波器:將某一頻帶范圍內(nèi)的信號衰減,允許此頻帶以外的信號通過。

1)無源濾波器

利用電阻、電容等無源器件可以構(gòu)成簡單的濾波器,稱為無源濾波器。圖7－33(a)、圖7－33(b)所示的電路分別為低通濾波器和高通濾波器。圖7－33(c)、圖7－33(d)分別為它們的幅頻特性。圖7－33無源濾波器及其幅頻特性

無源濾波器主要存在如下問題:

(1)電路的增益小,最大僅為1。

(2)帶負載能力差。如在無源濾波器的輸出端接上一個負載電阻RL,如圖7－33(a)、圖7－33(b)中的虛線所示,則其截止頻率和增益均隨RL

的變化而變化。

為了克服上述缺點,可將RC無源網(wǎng)絡(luò)接至集成運放的輸入端,組成有源濾波器。

2)有源濾波器

在有源濾波器中,集成運放起著放大作用,提高了電路的增益,而且因集成運放的輸入電阻很高,故集成運放本身對RC網(wǎng)絡(luò)的影響小,同時由于集成運放的輸出電阻很低,因而大大增強了電路的帶負載能力。由于在有源濾波器中,集成運放是作為放大元件,所以其一定要工作在線性區(qū)。

(1)有源低通濾波器。

低通濾波器如圖7－34所示,在圖7－34(a)中,無源濾波網(wǎng)絡(luò)將R和C接至集成運放的同相輸入端,在圖7－34(b)中,Rf

和C接至集成運放的反相輸入端。圖7－34有源低通濾波器

實驗給出有源低通濾波器的幅頻特性,如圖7－35(b)所示,圖7－35(a)是有源低通濾波器的理想特性。圖7－35有源低通濾波器的幅頻特性

了使幅頻特性更接近于理想特性,可以再增加一級RC網(wǎng)絡(luò),組成如圖7－36所示的電路,這種電路也叫作二階有源低通濾波器。圖7－36二階有源低通濾波器

(2)有源高通濾波器。

有源高通濾波器如圖7－37所示。圖7－37(a)為同相輸入式;圖7－37(b)為反相輸入式。圖7－37有源高通濾波器

實驗給出有源高通濾波器的幅頻特性如圖7－38(b)所示。圖7－

38有源高通濾波器的幅頻特性

與有源低通濾波器相似,一階電路在低頻處衰減太慢,為此可再增加一級RC網(wǎng)絡(luò),組成二階有源高通濾波器,使其幅頻特性更接近于理想特性,有源高通濾波器的理想幅頻特

性如圖7－38(a)所示。二階有源高通濾波器如圖7－39所示。圖7－39二階有源高通濾波器

(3)有源帶通濾波器和有源帶阻濾波器。

將低通濾波器和高通濾波器進行不同的組合,就可獲得帶通濾波器和帶阻濾波器。如圖7－40(a)所示,將一個低通濾波器和一個高通濾波器“串接”組成帶通濾波器。圖7－40(b)為一個低通濾波器和一個高通濾波器“并聯(lián)”組成的帶阻濾波器。圖7－40帶通濾波器和帶阻濾波器的組成原理圖

有源帶通濾波器和有源帶阻濾波器的典型電路如圖7－41所示。圖7－41有源帶通濾波器和有源帶阻濾波器的典型電路

3.集成運放組成精密整流電路

由于PN結(jié)死區(qū)電壓的存在,當(dāng)信號比較微弱時,單純用二極管組成的整流電路就不能輸出信號。將二極管和集成運放結(jié)合起來,可以實現(xiàn)對微弱信號的整流,在信號檢測和自動化控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,尤其在航天領(lǐng)域,信號極其微弱,不采用精密整流電路,是無法檢測出信號的。

1)精密半波整流電路

精密半波整流電路如圖7－42(a)所示。可以將其看成是一個包括整流二極管在內(nèi)的反相比例放大器。圖7－42精密半波整流電路

2)精密全波整流電路

精密全波整流電路如圖7－43(a)所示。此電路由集成運放A1構(gòu)成的精密半波整流電路和集成運放A2構(gòu)成的反相輸入比例求和電路組成。圖7－43精密全波整流電路

7.4集成運放的非線性應(yīng)用

7.4.1基本電壓比較器隨著計算機技術(shù)的普及,運算放大器在非線性方面的運用越來越廣泛。電壓比較器是模擬電路和數(shù)字電路的接口,廣泛應(yīng)用于自動控制和測量系統(tǒng)中,可以實現(xiàn)報警、模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及諸如矩形波、鋸齒波等各種非正弦信號的產(chǎn)生及變換等。

1.基本電壓比較器電路

集成運放工作在非線性區(qū)可用來作信號的電壓比較器,即對模擬信號進行幅值大小的比較,在集成運放的輸出端則以高電平或低電平來反映比較的結(jié)果。電壓比較器是信號發(fā)

生、波形變換、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換等電路常用的單元電路。

1)基本電壓比較器的電壓傳輸特性

如圖7－44所示,是基本電壓比較器的電路和其電壓傳輸特性。

由集成運放的特點,可以分析出:

當(dāng)輸入信號ui

小于比較信號UR

時,有uo=+Uopp;

當(dāng)輸入信號ui

大于比較信號UR

時,有uo=-Uopp

。

Uopp是集成運放工作于非線性區(qū)時的輸出電壓最大值。圖7－44基本電壓比較器電路及其電壓傳輸特性

2)過零電壓比較器

當(dāng)比較電壓UR=0時,即輸入電壓和零電平進行比較,此時的電路稱為過零電壓比較器,其電路和傳輸特性如圖7－45所示。

當(dāng)輸入信號ui為正弦波電壓時,則輸出信號uo為矩形波電壓,如圖7－46所示,電路實現(xiàn)了波形變換的功能。圖7－45過零電壓比較器電路及其電壓傳輸特性圖7－46過零電壓比較器將正弦波電壓變換為矩形波電壓

3)有限幅輸出的過零電壓比較器電路

有時為了將輸出電壓限制在某一特定值,以便與接在輸出端的數(shù)字電路的電平配合,可在電壓比較器的輸出端與反相輸入端之間跨接一個雙向穩(wěn)壓管VDZ,作雙向限幅用,其

電路和電壓傳輸特性如圖7－47所示。電路中穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ,輸入信號ui

與零電平比較后,在輸出端的輸出電壓uo被限制為+UZ和-UZ

這兩個規(guī)定值。圖7－47有限幅輸出的過零電壓比較器

2.遲滯電壓比較器

基本電壓比較器電路簡單,但除了用于純粹的電壓比較外,幾乎沒有實用價值。因為在實際生產(chǎn)和實驗中,不可避免地會有干擾信號,干擾信號的幅值如果恰好在比較電壓附近,就會引起電路輸出的頻繁變化,致使電路的執(zhí)行元件產(chǎn)生誤動作。在這種情況下,電路的靈敏度高反而成了不利因素。如何將干擾信號濾除而又使電路能正常工作呢?采用遲滯電壓比較器就可以解決這個矛盾。

1)遲滯電壓比較器電路

遲滯電壓比較器的電路如圖7－48所示。在電路中,引入了一個正反饋,使集成運放工作在非線性區(qū),電路的輸出只有兩個值(高電平或低電平)。圖7－48遲滯電壓比較器電路

2)遲滯電壓比較器的門限電壓

3)遲滯電壓比較器的抗干擾作用

當(dāng)輸入電壓從高逐漸降低時,要一直降低到小于新的門限電壓UTH-,電壓比較器才能發(fā)生再次翻轉(zhuǎn),輸出電壓由低電平變?yōu)楦唠娖?uo=+UZ,這就是遲滯名稱的由來。當(dāng)輸

入信號在兩個門限電壓之間時,電壓比較器的輸出不發(fā)生變化。若干擾信號正好處在這兩個門限電壓之間,則因為電路的輸出沒有變化,相當(dāng)于把干擾信號給濾除掉了,其波形如圖7－49所示。圖7－49遲滯電壓比較器對干擾信號的濾除

遲滯電壓比較