1、第7章 集成运算放大电路及其应用,end,集成电路：在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。,分类：,模拟集成电路：,数字集成电路：,特点：体积小、性能好,集成运算放大器、功率放大器、模拟乘法器、稳压电源、模数和数模转换器,集成门电路、译码器、编码器、计数器,7.1 集成电路概述,end,集成运算放大器,=,具有高电压增益的直接耦合多级放大电路,反相输入端,同相输入端,输出端,输入级：多采用差动放大电路，以抑制零漂、提供两个输入端。,中间级：多采用共射放大电路，以提供高电压放大倍数。,输出级：多采用功率放大电路，以输出一定的功率。
2、,偏置电路：多采用镜像恒流源电路。,+U,-U,注意：实际运放在使用时必须外加电源,7.2 集成运放的基本组成及功能,基本差动放大电路的结构,uo,特点：,左右结构、参数对称,具有两个输入端,输出电压uo=uo1-uo2,差动放大电路输入信号类型,1、共模输入信号,当两个输入信号满足ui1=ui2时，称为共模输入信号。,由于电路对称，所以双端输出时uo=0，即差放电路对共模信号无放大作用。,2、差模输入信号,当两个输入信号满足ui1=-ui2时，称为差模输入信号。,设ui10，ui20，则：,即：uo= （Vc1- Vc1)-(Vc2+ Vc2),因为：Vc1= Vc2 ，|Vc1|= |Vc
3、2|= |Vc|所以：uo= -2 Vc,结论：差放电路对差模信号有放大作用。,注意：输入、输出极性！,3、任意输入信号,任意输入信号可分解为一对差模信号与一对共模信号的组合，即：,ui1=ud+uc ui2=-ud+uc,其中：uc为共模信号，ud与- ud 为一对差模信号，有：,差动放大电路只对其中的差模信号进行放大。,当两个输入信号满足 时，称为任意输入信号。,end,开环差模电压增益Aod,-运放开环时输出电压与输入差模电压之比,常以dB表示。 Aod=u0/(ui2-ui1),一般运放可达60dB，高精度运放可达140dB。,差模输入电阻rid,-输入差模信号时的输入电阻，可达M数量
4、级。,输出电阻ro,-可达几十几百。,共模抑制比KCMR,-差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,常以dB表示。 KCMRR=|Aod/Aoc|，或KCMR=20lg|Aod/Aoc| (dB),一般运放可达80dB，高精度运放可达160dB。,7.3集成运放的典型电路,end,理想运算放大器的条件,Aod=,rid=,KCRM=,ro=0,失调=0、漂移=0,频带宽度=,理想运放的符号,理想运放的技术指标,7.4 理想运算放大器,理想运放的两种工作状态,线性区,理想运放则无线性区,线性区,uo=Aod(u+-u-)=Aodui,两个特点：,（1）因Aod=,虚短,（2）因Rid=,虚断,非
5、线性区,非线性区,非线性区,两个特点：,（1）输出电压只有两种取值,（2）输入电流等于零,end,反馈是指将系统的输出量的一部分或全部，按一定的方式引回到系统的输入端，从而影响原系统的输入量的过程。,反馈结构示意框图(Feedback Configuration),Xi,Xo,Xf,Xid,不含反馈放大,反馈网络,输入,输出,反馈信号,净输入信号,+,Xid=Xi - Xf,什么是反馈？,7.5.1 反馈的基本概念,1、开环放大倍数A (Open-loop Gain),2、反馈系数F (Feedback Transfer Function),3、闭环放大倍数Af (Closed-loop Ga
6、in),反馈基本关系,反馈的分类,1、正反馈和负反馈,当|Af|A|时，称系统引入了正反馈；,：只对交流具有反馈作用,：只对直流具有反馈作用,：对交直流都具有反馈作用,2、直流反馈和交流反馈,当|Af|A|时，称系统引入了负反馈。,7.5.2 反馈的分类,反馈所取输出信号是电压,电压型反馈,电流型反馈,3、电压反馈和电流反馈,反馈所取输出信号是电流,按照反馈信号与输入信号在输入回路中比较方式的不同，可分为串联反馈和并联反馈,串联型反馈,并联型反馈,-信号以电压形式叠加,-信号以电流形式叠加,反馈的组态,电压串联型反馈,电压并联型反馈,电流串联型反馈,电流并联型反馈,4、串联反馈和并联反馈,反馈
7、极性的判断,在输入信号Xi一定的条件下,若|Af|A|，则必|Xid|Xi|；,若|Af |A|，则必|Xid|Xi|；,正反馈使|Xid|增大，负反馈使|Xid|减小。,我们将采用“瞬时极性法”来判断反馈的极性。,Xid,7.5. 3 反馈类型的判断方法,利用瞬时极性法判断正负反馈,+,+,+,(1)接“地”参考点的电位为零，在某点对“地”电压（即电位）的正半周，该点交流电位的瞬时极性为正；在负半周则为负。,(2)设基极瞬时极性为正，根据集电极瞬时极性与基极相反、发射极(接有发射极电阻而无旁路电容时)瞬时极性与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。,+,+,(3)若反馈信号与输入信号加在同
8、一电极上，,(4)若反馈信号与输入信号加在两个电极上，,两者极性相反为负反馈；,极性相同为正反馈。,两者极性相同为负反馈；,极性相反为正反馈。,例1：判断图示放大电路的反馈极性,级间反馈,负反馈,例2：判断图示放大电路的反馈极性,正反馈,负反馈,正反馈,交、直流反馈的判断,判断方法,判断在交、直流通路中，反馈是否存在,该电路为直流反馈,交、直流分量的信 号均可通过 Re，所以Re引入的是交、直流反馈。,例3：判断图示电路中的反馈是交流反馈还是直流反馈。,解: RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；,RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。,电压反馈与电流反馈的判断,1、输出
9、短路法,若反馈仍存在，则为电流型反馈,若反馈消失，则为电压型反馈,2、按电路结构判定(对地输出时),若放大器的输出端和反馈网络的取样端处在同一个放大器件的同一个电极上，则为电压反馈，否则是电流反馈。,输出端,反馈取样端,电压反馈,输出端,反馈取样端,电压反馈,输出端,反馈取样端,电流反馈,串联反馈与并联反馈的判断,如果输入信号和反馈信号接到同一个放大器件的同一个电极上，则为并联反馈，否则为串联反馈。,输入信号,反馈信号,串联反馈,输入信号,反馈信号,并联反馈,输入信号,反馈信号,串联反馈,输入信号,反馈信号,并联反馈,例：判断图示放大电路的反馈极性及组态,(1)反馈极性的判断,负反馈,输出端,
10、反馈取样端,(2)反馈组态的判断,输入信号,反馈信号,电压并联反馈,7.5.4负反馈对放大电路性能的影响,1、降低放大倍数,由反馈的基本关系可知,因为对于负反馈放大电路|Af|1,定义：|1+AF|为反馈深度。当|1+AF|1时，称放大电路具有深度负反馈，此时：,闭环放大倍数与开环放大倍数无关,例：已知一反馈放大电路A=104，当F=0.01时，求Af。,解：反馈深度 1+AF=1+1040.01=101，则,若采用近似关系，有,与精确计算相比，误差为1%。,2、提高放大倍数的稳定性,在中频条件下，对 微分，有,对上式同除Af，有,对负反馈电路，因为|1+AF|1，所以,结论：闭环放大倍数的稳
11、定性比开环提高|1+AF|倍,例：已知放大电路A=100、F=0.05，如果A产生30%的变化，求Af的变化率。,Af的变化率为：,解：反馈深度 1+AF=1+1000.06=6，则,3、改善输出波形的非线性失真,输入正弦信号,输出信号底部失真,反馈信号存在失真,净输入信号失真,输出信号改善,4、展宽放大器的通频带,未加负反馈时,此时|dA/A|= 1-0.707=0.293,加负反馈时,因为|dAf/Af|dA/A| 所以频带展宽,可以证明，展宽倍数为|1+AF|,5、负反馈对输入电阻的影响,串联型负反馈使输入电阻提高|1+AF|倍,并联型负反馈使输入电阻降低|1+AF|倍,6、负反馈对输出
12、电阻的影响,电压型负反馈使输出电压稳定性提高,输出电阻减小,电流型负反馈使输出电流稳定性提高,输出电阻增大,end,运放的传输特性uo=f(ui),在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui,设电源电压为12V， 则运放最大输出电压 UOM=10V,设运放Aod=104，则其传输特性如图所示,-1,1,-10,10,线性区,非线性区,非线性区,结论：运放在开环状态下线性区很窄，只能工作在非线性区。,理想运放则无线性区,如何使运放工作在线性区呢？,降低电压放大倍数,如何降低电压放大倍数呢？,引入负反馈,7.6集成运算放大电路的线性运算,结论：运放工作在线性区的条件是在电路中
13、加入负反馈。,运放工作在线性状态下的两个特点,RF引入负反馈,设U+与U-为运放同相与反相端的电位 ，有 uo=Aod(U+-U-),即： U+-U-=uo/Aod,因为对于理想运放有Aod=，所以,U+=U-,虚接,I-,I+,I-,I+,设I+与I-为运放同相与反相端的输入电流 ，因为对于理想运放有rid=，所以,I+=I-=0,虚断,7.6.1比例运算电路,实现将输入信号按比例放大的电路，称为比例运算电路,反相比例运算,同相比例运算,-实现运算uo=-kui,-实现运算uo=+kui,1、反相比例运算电路(Inverting Amplifier),电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信
14、号加入反相端,平衡电阻R=R1/Rf,参数计算,因为I-=0，所以 i1=if,即，,又因为U-=U+=RI+=0,所以，,即电压放大倍数,输入电阻,因为电路引入电压负反馈，输出电阻 ro=0,若输出端加负载，uo改变吗？,则实现运算：,虚地,i1,if,I-,2、同相比例运算电路(Noninverting Amplifer),电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号加入同相端,平衡电阻R=R1/Rf,i1,if,I-,参数计算,因为I-=0，所以 i1=if,即，,，又因为U-=U+=ui,所以，,即电压放大倍数,则实现运算：,当Auf=1时，称为电压跟随器(Voltage Followe
15、r)。,输入电阻,因为电路引入电压负反馈， 输出电阻 ro=0,例1：分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,虚断,虚接,虚地,反相比例运算电路,例2：分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,M,解：,由虚断可得,i1=i2,由虚接可得,例3：分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,i1,if,I-,因为I-=0，所以 i1=if,即，,又因为U-=U+,所以，,则：,U+=？,I+,同相比例运算电路,因为I+=0，所以R2，R3串联,3.差动比例运算电路,-输入信号同时加入反相端与同相端,ui1单独作用,=0,ui2单独作用,0=,所以，,若取R1=R2、 R3=Rf则,e
16、nd,7.6.2加减运算电路,反相加法运算电路,电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号均加入反相端,平衡电阻R=R1/R2/R3/Rf,输入输出关系计算,因为I-=0，所以 i1+i2+i3=if,即，,又因为U-=U+=RI+=0,若取R1=R2=R3=R，则,则实现运算：,I-=0,同相加法运算电路,电路结构特点,Rf引入深度负反馈,输入信号均加入同相端,输入输出关系计算,因为I+=0，所以 i1+i2+i3=0,即，,则实现运算：,整理得，,RP=R1/R2/R3,I+=0,例4：分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系,双运放加法运算电路,加减运算电路,-反相加法器与同相加法器
17、的组合,解：,运放电路分析举例,例1 电路如图所示，R1=R2=R3=R4，试求 的值。,u01,end,7.6.3积分与微分运算,1、积分运算电路(Integrator),-电容C引入深度负反馈,i1,ic,I-,在图示电路中，因为I-=0，所以 i1=ic,又因为U-=0，所以,uc,则,，对该式积分，有：,2、微分运算电路(Differentiator),i1,ic,I-,uc,在图示电路中，因为I-=0，所以 i1=ic,又因为U-=0，所以,则,微分电路输出只与电路输入变化率有关,end,在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui,其传输特性如图所示,线性区,非
18、性区,非性区,结论：在开环与正反馈条件下，运放工作在非线性区。,运放工作在非线性状态的条件,7.7集成运算放大电路的非线性运算,运放工作在非线性状态下的两个特点,设+UOM与-UOM为运放输出的正、负最大值 ，有,uo=,+UOM 当u+u-,-UOM 当u+u-,虚接跳变,设I+与I-为运放同相与反相端的输入电流 ，因为对于理想运放有rid=，所以,I+=I-=0,虚断,7.7.1电压比较器概述,电压比较器的功能：,利用输出信号的变化，比较两个电压的大小,参考电压,比较信号电压,输出电压,=,+UOM,-UOM,电压比较器的阈值：,指ui与UR比较时，使输出发生跳变时的ui值。,电压比较器的
19、分类：,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器,三态比较器,任意电压比较器,结构特点：,运放工作于开环状态,参考电压UR,UR0,分析方法：,第一步：,由运放非线性工作特点，有,uo=,+UZ 当u+u-,-UZ 当u+u-,第二步：,由电路求u+与u-,对图示电路，有u+=UR、u-= ui,第三步：,求阈值，得出比较器的传输特性,因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=UR，所以,Uth=ui=UR,比较器的传输特性,uo=,-UZ 当uiUR,+UZ 当uiUR,7.7.2单限电压比较器,改变参考电压，可实现占空比可调的矩形波,uiUR,uo=UZ,uiUR,uo=-UZ,UR,uiUR,
20、uo=UZ,+UZ,-UZ,例：有一电压比较器如图所示，试求阈值电压、并作传输特性。,解：,（1）,由非线性工作特点，有,uo=,+UZ 当u+u-,-UZ 当u+u-,（2）,由电路求u+与u-,对图示电路，有 u+=0,（3）,求阈值，得出比较器的传输特性,因为当u+=u-时输出发生跳变，此时: 1.5+0.5ui=0，所以,Uth=ui=-3V,比较器的传输特性,uo=,-UZ 当ui-3V,+UZ 当ui-3V,Uth=ui=-3V,当ui -3V时,当ui -3V时,7.7.3滞回电压比较器,单限电压比较器电路结构简单、灵敏度高，但抗干扰能力较差。,优点,缺点,干扰引起系统误动作,采
21、用滞回比较器,反相滞回比较器,结构特点：,运放工作于正反馈状态,比较信号加入反向输入端,分析过程：,第一步：,由运放非线性工作特点，有,uo=,+UOM 当u+u-,-UOM 当u+u-,第二步：,由电路求u+与u-,(1) 对图示电路，有 u-=ui,(2) 用叠加原理求u+,uo单独作用,UR单独作用,注意：对于不同的输出值，U+有两个取值,第三步：,求阈值,因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=Uth，所以,当uo=+UOM时， u+1=u-=ui=Uth1，即,当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即,注意：Uth1Uth2,第四步：,分析传输特性,（1）ui由-逐渐增大,ui=-时，uo=+UOM，阈值为Uth1,-uiUth1时，uo=+UOM,ui=Uth1时，跳变，uo=-UOM,uiUth1时，uo=-UOM，阈值为Uth2,Uth1,+UOM,-UOM,（2）ui由+逐渐减小,ui=+时，uo=-UOM，阈值为Uth2,Uth2ui+时，uo=-UOM,ui=Uth2时，跳变，uo=+UOM,uiUth2时，uo=+UOM，阈值为Uth1,Uth2,定义：回差电压 uth=Uth1-Uth2,0,t,uo,回差电压越大，比较器抗干扰能力越强。,Uth1,Uth2,+UOM,-UOM,只要干扰大小在回差以内，电路不受影响,
