1、第 11 章 运算放大器,11.1 运算放大器的简单介绍,11.3 运算放大器在信号运算方面的应用,11.2 放大电路中的负反馈,11.4 运算放大器在信号处理方面的应用,11.5 运算放大器在波形产生方面的应用,11.6 使用运算放大器应注意的几个问题,第 11 章 运算放大器,分立电路 是由各种单个元件联接起来的电子电路。,集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格 低。,集成电路分类,集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分 的整 体。,按集成度,按导电类型,按功能,小、中、大和超大规模,双、单极性和两种兼容,数字和模拟,各类型
2、号集成芯片,用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转 换、自动控制等领域。,集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。,第 11 章 运算放大器,本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信 号运算、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。,输出端,11.1.1 集成运放的组成,输入级 差动放大器,输出级 射极输出器或互补对称功率放大器,偏置电路 由镜像恒流源等电路组成,11.1 运算放大器简单介绍,输入端,11.1.1 运算放大器的组成,输入级,中间级,输出级,同相 输入端,输出端,反相 输入端,输入级：采用带恒流源的差分放大电路，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。提高放
3、大器质量的关键部分。,偏置电路：恒流源电路构成，提供合适的偏流，决定各级Q。,中间级：主要进行电压放大，常用带恒流源的共发射极放大电路构成，电压放大倍数高。,输出级：一般由互补对称电路或射极输出器构成，输出电阻低，带负载能力强，能够输出足够大的电压和电流。,集成运算放大器的管脚和符号,反相 输入端,同相 输入端,信号传 输方向,输出端,实际运放开环 电压放大倍数,11.1.2 主要参数,1. 最大输出电压 UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2. 开环电压放大倍数Auo运放没有外接电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6. 共模输入
4、电压范围 UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB,理想的运算放大器。理想化的主要条件：,1. 开环电压放大倍数,2. 差模输入电阻,3. 开环输出电阻,4. 共模抑制比,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，,在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,11.1.3 理想运算放大器及其分析依据,11.1.3 理想运算放大器及其分析依据,1. 理想运算放大器的条件,Auo ， rid ， ro
5、0 ， KCMR ,2. 电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区（饱和区）： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,3. 理想运放工作在线性区的分析依据,因为 uo = Auo(u+ u )， Auo ,所以(1) 差模输入电压约等于 0即 u+= u ,称“虚短”,(2) 输入电流约等于 0即 i+= i 0 ,称“虚断”,电压传输特性,Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈使其工作于线性区。,O,rid ,ro 0,(3) 输出电压uo与负载无关,4.
6、 理想运放工作在饱和区的特点,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+= i 0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,不再成立,u+ u,凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部分或全部经某种电路(反馈网络)引回到输入端，称为反馈。,11.2 放大电路中的负反馈,11.2.1 反馈的基本概念,如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。如果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。,无负反馈放大 电路方框图,基本放大电路,反馈电路,11.2.1 反馈的
7、基本概念,F,+,带有负反馈放大 电路的方框图,比较环节, 输入信号, 净输入信号, 反馈信号, 输出信号,反馈放大电路的方框图,净输入信号,若 Xd = Xi Xf,Xd Xi ，反馈信号起了削弱净输入信号的作用负反馈。,若 Xd = Xi + Xf,Xd Xi ，反馈信号起了加强净输入信号的作用正反馈。,负反馈与正反馈的判别方法,瞬时极性法是判别负反馈与正反馈的基本方法。,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压 负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui + uf,各电压的实际方向如图,uf 加强了净输入电压 正反
8、馈,净输入信号：,ui正半周时,负反馈,+ uf ,+ ,ie,ube,ube = ui - uf,反馈电压uf 削弱了净输入电压,各电压的实际方向如图，,+,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,稳定静态工作点,11.2.2 负反馈的类型,3. 负反馈类型的判别步骤,3) 判别是否负反馈？,2) 判别是交流反馈还是直流反馈？,4) 是负反馈！判断是何种类型的负反馈？,1) 找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,11.2.2 负反馈的类型,根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出 端的连接方式不同，负反馈有以下四种类型。,负反馈的类型有：,反馈
9、量取自输出电压为电压反馈，,取自输出电流为电流反馈；,反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；,在输入端,反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。,电压串联负反馈；,电压并联负反馈；,电流串联负反馈；,电流并联负反馈。,在输出端,（1）串联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈,反馈电压,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈,（1）串联电压负反馈,串联电压负反馈方框图,（2）并联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id =
10、i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈,反馈电流,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较并联反馈,（2）并联电压负反馈,并联电压负反馈方框图,（3）串联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈,反馈电压,取自输出电流 电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较串联反馈,uf =Rio,（3）串联电流负反馈,串联电流负反馈方框图,反馈电压,负反馈；,电流反馈；,串联反馈,（4）并联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id
11、 = i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈,反馈电流,取自输出电流电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较并联反馈,（4）并联电流负反馈,特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关反相输入恒流源电路,并联电流负反馈方框图,（5）运算放大器电路反馈类型的判别方法：,1. 反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈； 从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈；(也可将输出端负载短路，若反馈量为零，则为电压反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。) 2. 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）的，是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）的
12、，是并联反馈；3.反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈,例1 判别图示电路从 A2 输出端引入 A1 输入端的反馈类型。,uo,uo1,RL,R,A1,A2,解 反馈电路从 A2 的输出端引出，故为电压反馈；,反馈电压 uf 和 ui 输入电压分别加在的同相和反相两个输入端，故为串联反馈；,净输入电压 ud = ui uf,负反馈；,串联电压负反馈。,例2：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路是从运算放大器A2的负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是电流反馈；,因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈;,因净输入电
13、流 id 等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。,并联电流负反馈,例 3 试判断图示电路中 Rf 所形成的反馈。,解：,串联电压正反馈,先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反馈；,因输入信号和反馈信号分别加在同相输入端和反相输入端上，所以是串联反馈；因输入信号和反馈信号的极性相反，所以是正反馈。,1.提高放大电路的稳定性,11.2.3 负反馈对放大电路工作的影响,开环放大倍数,反馈系数,引入负反馈后净输入信号,引入负反馈后闭环放大倍数,对上式求导,可见，引入负反馈后，放大倍数降低了， 而放大倍数的稳定性却提高了。,11.2.3 负反
14、馈对放大电路工作性能的影响,反馈放大电路的基本方程,反馈系数,净输入信号,开环 放大倍数,闭环 放大倍数,2.提高放大倍数的稳定性,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。,1. 降低放大倍数,放大倍数降低,负反馈改善了波形失真,2.改善非线性失真,加入 负反馈,无负反馈,F,uf,uo,略大,略小,略小,略大,接近正弦波,3.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响,四种负反馈对 ri 和 ro 的影响,ri,ro,减低,增高,增高,增高,增高,减低,减低,减低,思考题：为了分别实现：(a) 稳定输出电压； (b) 稳定输出电流；(c) 提高输入电阻； (d) 降低输出电阻。 应引入哪种类型的负反馈？,
15、返回,1.反相输入,11.3.1 比例运算,11.3 运算放大器在信号运算方面的应用,由运放工作在线性区的依据,可列出,由此得出,闭环电压 放大倍数,平衡电阻,若,则,2.同相输入,11.3.1 比例运算,由运放工作在线性区的依据,可列出,由此得出,闭环电压 放大倍数,若,则,或,平衡电阻R2=R1/RF,当 R1= 或 RF = 0 时，,uo = ui ， Auf = 1，称电压跟随器。,由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。,左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。,11.3.2
16、加法运算,由图可列出,由上列各式可得,当,时，则上式为,平衡电阻,11.3.3 减法运算,如果两个输入端都有信号,因为,，故上列两式可得,由图可列出,输入，则为差分输入。,11.3.3 减法运算,当,时，,和,则上式为,当,时，则得,可见，输出电压与两个输入电压的差值成正比， 故可进行减法运算。,例 3 图中，,其中,是共模分量，,是差模分量。,如果,，试问 RF 多大时输出电压不含共,模分量？,解,欲使 uo不含共模分量 uic2，必须满足下列条件:,解,因,经整理后得,。此时输出电压,例如,则,11.3.4 积分运算,用电容代替反相比例运算电路中的RF，就成为积分运算电路。,if,CF,由
17、于反相输入，,故,上式表明输出电压正比于输入电压的积分，式中的 负号表示两者反相。,R1 CF 称为积分时间常数。,11.3.4 积分运算,uo,R1,R2,CF,ui,+,+,uC,+,if,ii,当 ui 为阶跃电压时，则,uo 随时间线性增长，,t,最后达到负饱和值。,11.3.5 微分运算,微分运算是积分的逆运算，将积,由图可列出,故,即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。,分电路反相输入端的电阻与反馈电容,位置对调，就成为微分电路。,11.3.5 微分运算,uo,RF,R2,C1,ui,+,+,uC,+,+,+,if,ii,Ui,t,注意：由于此电路工作时稳定性不高，故实际中很
18、少应用。,当 ui 为阶跃电压时 uo 为尖脉冲电压。,返回,电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个 参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此 判别输入信号的大小和极性。,电压比较器用于自动控制、波形变换、模数转换及越限报警等。,11.4.2 电压比较器,集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正 反馈的工作状态，即工作在非线性区。,将运放任一输入端加上输入信号，而另一输入端加入参考电压，即可构成电压比较器，如图所示。,电压传 输特性,11.4.2 电压比较器,Ui 为输入电压， UR 为参考电压,当 ui UR 时， uo = Uo(sat),ui UR 时， uo = +Uo(sat)
19、,ui = UR 时， uo 发生跃变,UO(sat),UO(sat),uR,+,当 UR = 0 时，即输入电压和零电平比较，称为 过零比较器。,电压传 输特性,11.4.2 电压比较器,UO(sat),UO(sat),uo,若图中 ui 为正弦波，画出 uo 的波形。,R1,R2,ui,+,UR,+,+,+,电压传 输特性,UO(sat),UO(sat),例 2 电路如图所示，ui 是一正弦电压，画出 uo 的波形。,UO(sat),UO(sat),R1,R2,ui,uo,+,+,C,D,RL,R,解 运放为同相输入过零电压比较器,UO(sat),UO(sat),各电压波形如右图所示。,返
20、回,在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把输出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。,电压传输特性,11.4.2 电压比较器,UO(sat),UO(sat),UZ,UZ,限幅电压比较器,正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。,常用的正弦波振荡器,LC振荡电路:输出功率大、频率高。,RC振荡电路:输出功率小、频率低。,石英晶体振荡电路：频率稳定度高。,应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。,1
21、1.5 运算放大器在波形产生方面的应用,11.5.1 RC 正弦波振荡电路,1.自激振荡的条件,11.5.1 RC 正弦波振荡电路,电路中无外加输入电压，而在输出端有一定频率和幅度 的信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。,S,当 无反馈网络时，,开环电压放大倍数,则输出电压保持不变。,反馈系数,又,所以自激振荡的条件是：,若,当 有反馈网络时，,11.5.1 RC 正弦波振荡电路,(1) 相位条件： 反馈电压,与输入电压,同相, 为正反馈；,即,(2) 幅度条件：,即,自激振荡的条件：,反馈电压与输入电压的大小相等；,正弦波振荡电路的组成,(1) 放大电路: 放大信号,(2) 反馈网络: 必
22、须是正反馈，反馈信号即是 放大电路的输入信号,(3) 选频网络: 保证输出为单一频率的正弦波 即使电路只在某一特定频率下满 足自激振 荡条件,(4) 稳幅环节: 使电路能从AuF 1 ，过渡到 AuF =1，从而达到稳幅振荡。,(2)选频电路,选频电路,其电压放大倍数为,(1)放大电路,由集成运放构成的 同相比例运算电路。,由 RC 串并联电路组 成，它也是正反馈电路。,u+,3 RC 正弦波振荡电路,uo,+,+,+,RF,R1,u+,3 RC 正弦波振荡电路,C,R,R,C,若要 与 同相，上式分母的虚部应为零,这时,同相比例运算的电压放大倍数为,可见，当,时，,即,工作原理,输出电压 u
23、o 经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf 作为同相比例电路的输入信号 ui 。, 起振过程,uo,+,+,+,RF,R1,u+,3 RC 正弦波振荡电路,C,R,R,C,在特定频率,ui 和 uo 同相，即 RC 串并联电路具有 正反馈和选频作用， ui 和 uo 为正弦波。,时，,，则,电路将等幅振荡；,若,，则,电路将不能幅振荡；,若,，则,电路起振后，振幅越来至饱和；,所以，振荡时应满足,即 RF 2R1,RF = 2R1,起振时应满足,若,uo,+,+,+,RF,R1,4 RC 正弦波振荡电路稳幅措施,C,R,R,C,(1)用热敏电阻稳幅,起振时由于温度低，RT 2R1，,振荡后温度增
24、加 RT 减少到等于2R1。,(2)用二极管稳幅,用具有负温度系数的热敏电阻 RT 代替 RF。,5 振荡频率的改变,由,可知,改变 R、C 或同时改变 RC 都 可改变振荡频率。,RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。,11.5.2 矩形波发生器,11.5 运算放大器在波形产生方面的应用,RF,R1,C,uo,+,+,uC,+,+,+,.,uR,R2,R3,+,uZ,DZ,图示电路中,uC 和 uo 的波形,返回,集成功率放大器,LM 386 构成的功率放大电路如下图所示。,图中， R2C4 组成电源滤波电路； R3C3 是相位补偿电路， 以消除自激振荡，并改变高频时的负载特性； C2 也是防止自 激振荡用的。,返回,11.6 使用运算放大器应注意的几个问题,1. 选用元件,2. 消振,3. 调零,4. 保护,(1) 输入端保护,11.6 使用运算放大器应注意的几个问题,4. 保护,(2)输出端保护,(3)电源保护,11.6 使用运算放大器应注意的几个问题,5. 扩大输出电流,在输出端加接一级互补电路扩大输出电流。,返回,
