第11章 運算放大器

+VCCRBRCC1C2T

固定偏置共射極放大電路uiRSusuoRLVCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分壓式偏置電路能夠自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點射極輸出器(共集電極放大電路)T++uiuoRSC1RBC2RERL+VCC靜態(tài)分析動態(tài)分析估算法圖解法微變等效電路法圖解法放大電路的分析（重點）第11章運算放大器11.1運算放大器的簡單介紹11.2放大電路中的負反饋11.3運算放大器在信號運算方面的應用11.1.1運算放大器的組成11.1運算放大器的簡單介紹2、集成電路的特點1.元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；2.二極管多用三極管的發(fā)射結代替；3.電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；4.電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接。1、概述集成運放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。3、集成運放的結構和符號a.集成運放的內部電路結構框圖輸入級偏置電路輸出級中間級輸入級—差動放大器輸出級—射極輸出器或互補對稱功率放大器中間級—電壓放大器b.集成運算放大器的符號＋－u－u+uo－＋＋u－u+uo∞反相輸入端同相輸入端

ri

大:幾百k以上c.運放的特點：共模抑制比KCMR很大ro

?。簬资畮装?/p>

開環(huán)Ao

很大:104107理想運放：ri

KCMR

ro

0Ao

－＋＋u－u+uo∞輸入級中間級輸出級-UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2ISd.原理框圖：＋

–＋＋＋

–

–輸入級中間級輸出級+UCCUEE

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對輸入級的要求：盡量抑制零點漂移和共模噪聲

,

增大輸入阻抗ri。對中間級的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。輸入級中間級輸出級UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級輸出級UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對輸出級的要求：主要提高帶負載能力，即輸出阻抗ro小。給出足夠的輸出電流io

。F007電路原理圖信號測量放大器應用舉例1.運算放大器的電壓傳輸特性

uo=

f

(

ui

),其中

ui

=

u+–

u–

11.1.2理想運算放大器及其分析依據(jù)uiuo++–2.理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+iiuiriduO“虛斷路”原則(1)+–uiiirid=對于理想運放:相當于兩輸入端之間斷路ii

0rid,“虛短路”原則(2)2.理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)uiuO++–相當于兩輸入端之間短路ui

0,對于理想運放u–u+Auouo=ui–u–=uAuo+“虛斷路”成立；3.理想運放工作在非線性區(qū)的分析依據(jù)注意:u+=u–

不一定成立！運放工作在線性工作狀態(tài)的必要條件：必須引入深度負反饋。輸出u0只有兩種可能：u+>u-時，u0=UOM;u+<u-時，u0=-UOM;11.2放大電路中的負反饋凡是將放大電路輸出端的信號（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號迭加，就稱為反饋。若引回的信號削弱了輸入信號，就稱為負反饋。若引回的信號增強了輸入信號，就稱為正反饋。VCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分壓式偏置電路能夠自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點RE即直流負反饋元件例：11.2.1反饋的基本概念正反饋xd

=

xi

+

xf負反饋xd=

xi

–

xfA=

xo

/

xdF=

xf

/

xoAf

=—

=

——–xoxiA

1+

AFAFxoxixdxf閉環(huán)放大倍數(shù)（負反饋）xi

—總輸入信號xd

—凈輸入信號xf

—反饋信號開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)xo—輸出信號反饋：將放大器輸出信號的一部分或全部經(jīng)反饋網(wǎng)絡送回輸入端。,AF>0－＋＋A0uouI開環(huán)－＋＋A0uouIR1R2閉環(huán)R1、R2組成反饋網(wǎng)絡例：反饋極性的判斷：瞬時極性法先假設輸入端信號在某一時刻對地的極性，依此向輸出端逐級判斷電路中各相關點電位的極性或電流的流向，從而得到輸出信號的極性；再判斷出反饋信號的極性，若反饋信號使基本放大電路的凈輸入信號減小，則為負反饋，否則為正反饋。+–R1，R2:引入負反饋+iiiFiduIR1－＋＋A0uoR2R1R2R3RFDzuOuiUZ+RF,R2:引入正反饋ud例：同相比例運算電路R2uiu

oRLRFR1++ud+RF,R1:引入負反饋例：VCCRCC1C2TRL++RB1uoRSusRB2RE+CE分壓式偏置電路RE:引入直流負反饋++例：uiuoR1RLRuf+--+ud++i0+R:引入交直流負反饋例：+-R1R3R5A1A2R4R2+-vivo例：+R5：局部反饋++—正反饋→←←判斷反饋的極性—負反饋R1R3R5A1A2R4R2vivo例：+R2：全局反饋

––→↑→判斷反饋的極性11.2.1反饋的基本概念AFxoxixdxfA=

xo

/

xd開環(huán)放大倍數(shù)F=

xf

/

xo反饋系數(shù)反饋：將放大器輸出信號的一部分或全部經(jīng)反饋網(wǎng)絡送回輸入端。Af

=—

=

——–xoxiA

1+

AF閉環(huán)放大倍數(shù)（負反饋）,AF>0負反饋交流反饋直流反饋電壓串聯(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)負反饋穩(wěn)定或提供靜態(tài)工作點11.2.2

負反饋的類型串聯(lián)反饋：ui=

uid+uf輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端（同相和反相）上的，是串聯(lián)反饋；例圖uiuoR1RLRuf+--+ud++i0uf≈i0R并聯(lián)反饋：ii

=

iid

+if例圖uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif≈

–—oRF輸入信號和反饋信號加在同一個輸入端（同相或反相）上的，是并聯(lián)反饋；電壓反饋：例圖uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif≈

–—oRF

反饋在輸出端與u0在同一端時，為電壓反饋反饋信號取自輸出電壓信號并與之成正比。電流反饋：例圖uiuoR1RLRuf+--+ud++i0uf≈i0R

反饋在輸出端與u0不在同一端時，為電流反饋反饋信號取自輸出電流信號并與之成正比。－＋＋A0uo+_+_uiRRL例1：判斷反饋的組態(tài)。串聯(lián)電流+++∴R引入交直流負反饋電壓負反饋iR2uu

oRLRFR1RFR1引入串聯(lián)例2：判斷反饋的組態(tài)。T++射極輸出器uiuoRSC1RBC2RERL+VCC++RE:串聯(lián)電壓負反饋例3：判斷反饋的組態(tài)。++uoR2RF引入極間：負反饋uf+串聯(lián)電流例4：判斷反饋的組態(tài)。RF

1

、RF2分別引入本極：并聯(lián)電壓負反饋uiRRF1RF2N1N2N3uORF1并聯(lián)電壓負反饋(級間)RF2串聯(lián)電壓負反饋(級間)例5：判斷RF1、RF2引入的反饋組態(tài)。11.2.4負反饋對放大電路性能的影響反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+1.降低放大倍數(shù)負反饋使放大倍數(shù)下降。則有：同相，所以

AF是正實數(shù)負反饋時，|1+AF|稱為反饋深度，其值愈大，負反饋作用愈強，Af也就愈小。射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電壓放大倍數(shù)較低就是因為電路中引入了負反饋。2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。若|AF|>>1，稱為深度負反饋，此時：在深度負反饋的情況下，閉環(huán)放大倍數(shù)僅與反饋電路的參數(shù)有關。1）.串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增加：i3.對輸入電阻的影響T++射極輸出器：輸入電阻大uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE:電壓串聯(lián)負反饋2)并聯(lián)負反饋使電路的輸入電阻降低電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。1)電壓負反饋使電路的輸出電阻降低2)電流負反饋使電路的輸出電阻提高4.對輸出電阻的影響T++射極輸出器：輸出電阻小uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE:電壓串聯(lián)負反饋5.改善波形的失真uf加入負反饋無負反饋FufAuiuo+–uiduo大小略大略小略小略大uiA接近正弦波改善了波形失真6.對通頻帶的影響引入負反饋使電路的通頻帶寬度增加：fA(f)OAm0.707AmfLfHBWAf(f)Amf0.707AmffLffHfBWf11.3運算放大器在信號運算方面的應用理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+iiuiriduO“虛斷路”原則ii

0(1)+–“虛短路”原則(2)u–u+11.3.1

比例運算電路RF引入深度負反饋uii1

=

—–R1uif

=

–—oRFuo

=

uiRFR1故：uiuoi1ifRFR1R21.反相比例運算電路由虛斷路：i1

if且u+=0；稱：“虛地”

u+

u–=

0由“虛短路”原則：虛地：ui1

=—iR1例:反相比例運算電路,設:

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3uiuouo=R4R3R4+uo得'uoif

=–RF'RFRR12uiuo2.同相比例運算電路ufRFR1uo

=

1+

u+

=

1+

uiRFR1虛斷路id

0虛短路uiu=+uou

=

——–

fR1R1RF+u-u=+故有：u-u

=

f_++uiuo此電路是電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。電壓跟隨器理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+iiuiriduO“虛斷路”原則ii

0(1)+–“虛短路”原則(2)u–u+uo

=

uiRFR1uiuoi1ifRFR1R2反相比例運算電路RFRR12uiuouf同相比例運算電路uo

=

1+

uiRFR1F1u

o3Pui1

ui3ui2

u

=–(

+

+

)

ui2

oui1

ui3

RFRFRFR1R2R3i1i2i3ifＲＲＲＲＲ11.3.2

反相加法運算電路2uoRFR1R2R3利用疊加原理進行分析ui1i2u"u0=u'o+u0=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″=

1

+

ui2RFR1R2+R3R311.3.3

減法運算電路

11ui121例：兩級反相輸入減法運算電路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2F2uo=

—–

?

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12F1F2F2uo1uO

=

(1

+

)(ui2–ui1)RFR2R1RP3.精密測量放大電路１ui反相積分運算電路CFuoＲＲ211.3.4積分電路由虛斷和虛地ui1

=——iR1iC

=i1iCuC

duCdt

CF

—–iC

=

uO=–uC可得=

–

——–uoR1CF１uidt∫作業(yè)題11.3.13:已知電源電壓為±15V，ui1=1.1V,ui2=1V。問：輸出電壓uo由0上升到10V所需時間。uuOi

11.3.5反相微分運算電路C1

duidtuo=

–

RF

C1

–—uouiＲＲF輸出