电工学简明教程第11章运算放大器.

第11章运算放大器第11章运算放大器第11章运算放大器第11章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍11.2放大电路中的负反馈11.3运算放大器在信号运算方面的应用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章运算放大器第11章运算放大器分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。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是把整个电路的各个元件以及相互之间的连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第11章运算放大器第11章运算放大器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。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。本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。第11章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍11.1.1集成运放的组成输入级中间级输出级输入端输出端偏置电路输入级—差分放大器输出级—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第11章运算放大器运算放大器的符号反相输入端uO+–+u–u+同相输入端信号传输方向输出端+–+Auo理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数第11章运算放大器11.1.2主要参数1．最大输出电压UOPP2．开环电压Auo3．输入失调电压UIO4．输入失调电流IIO5．输入偏置电流IIB6．共模输入电压范围UICM第11章运算放大器11.1.3理想运算放大器及其分析依据在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：1．开环电压放大倍数Auo2．开环输入电阻rid3．开环输出电阻ro04．共模抑制比KCMR由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。第11章运算放大器11.1.3理想运算放大器及其分析依据实际运放电压传输特性表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为传输特性。uOuuOUo(sat)–Uo(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区若Auo=106Uo(sat)=15V则UIM=0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈。uOu++–+u–uO=Auo(u+u)第11章运算放大器理想运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分析依据uOuuOUo(sat)–Uo(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区因为理想运放Auo开环电压放大倍数所以，当u+u时，uO=+Uo(sat)u+uuO=Uo(sat)uou++–+u–uO=Auo(u+u)u+=uuO发生跃变第11章运算放大器11.1.3理想运算放大器及其分析依据运放工作在线性区的依据相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短路”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”。2．id01．u+u–运放开环输入电阻ridid由于运放Auo而uO是有限值，故从式uO=Auo(u+u)，可知uOu++–+u–ridOO()0uuuuA第11章运算放大器11.1.3理想运算放大器及其分析依据uO+–+u–u+运放工作在非线性区的依据2．id01．u+u–由于运放工作在非线性区uOAuo(u+u)rididuOuuOUo(sat)–Uo(sat)不再成立非线性区非线性区所以当u+u–时，uO=+Uo(sat)u+u–uO=Uo(sat)依然成立u+=u–uO发生跃变第11章运算放大器11.2放大电路中的负反馈凡是将放大电路(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。11.2.1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AxIxO第11章运算放大器11.2.1反馈的基本概念带有负反馈放大电路的方框图AxIxOFxF+–xD基本放大电路反馈电路比较环节xI—输入信号xO—输出信号xF—反馈信号xD—净输入信号净输入信号xD=xIxF反馈信号使净输入信号减小，则为负反馈。反馈信号使净输入信号增大，则为正反馈。第11章运算放大器11.2.2负反馈与正反馈的判别瞬时极性法是判别正、负反馈的基本方法：设接地参考点的电位为零。某点在某瞬时的电位高于零电位者，则其瞬时极性为正(用“＋”表示)；反之为负(用“－”表示)。○○第11章运算放大器11.2.3负反馈的类型AF+–xIxOxFxD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。在输出端反馈量取自输出电压为电压反馈，取自输出电流为电流反馈；在输入端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；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。负反馈的类型有：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。第11章运算放大器11.2.3负反馈的类型ui+–R1R2uORF+–+–+RLuD+–uF+–设某一瞬时uI为正，则此时uO也为正，同时反馈电压uF也为正。净输入信号ud=uiuf小于输入信号，即uF的存在使净输入信号减小，所以为负反馈。反馈电压取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。uF与uI在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。判别图示电路的反馈类型1．串联电压负反馈首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。1FOF1RuuRR第11章运算放大器1．串联电压负反馈AF+–uFuDuIuO串联电压负反馈方框图uI+–R1R2uORF+–+–+RLuD+–uF+–反馈电压1FOF1RuuRR第11章运算放大器uOR1R2RF+–uI+–+–+RLiIiDiF-设某一瞬时uO为正，则此时uO为负，各电流实际方向如图所示。净输入电流iD=iIiF小于输入电流，即iF的存在使净输入电流减小，所以为负反馈。反馈电流取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。iF与iI在输入端以电流形式作比较，两者并联，故为并联反馈。判别图示电路的反馈类型2．并联电压负反馈首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。OOFFFuuuiRR第11章运算放大器2．并联电压负反馈AF+–uIuOiFiDiI并联电压负反馈方框图uOR1R2RF+–uI+–+–+RLiDiFiI-反馈电流OOFFFuuuiRR第11章运算放大器iD=iIiF为负反馈；反馈电压uF=RiO与输出电流成比，故为电流反馈；判别图示电路的反馈类型3．串联电流负反馈AF+–uFuDuIiO串联电流负反馈方框图uF与uI在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联反馈。R2uOR+–+–+RLuD+–uF+–iOuI+–第11章运算放大器图中iD=iIiF判别图示电路的反馈类型4．并联电流负反馈并联电流负反馈方框图AF+–uIiOiDiIiFiFRFiRuRRuI+–+–+RLiOR1iIiDR2-FOF()RiiRR第11章运算放大器如何判别电路中反馈类型小结(1)反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻靠近“地”端引出的，是电流反馈；(2)输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；(3)反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。(也可将输出端短路，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。)第11章运算放大器[例1]判别图示电路从A2输出端引入A1输入端的反馈类型。uOuI+–+–+uO1uD+–+–+RLRuF+–A1A2[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；设为uI正，则uO1为负，uO为正。反馈电压uF使净输入电压uD=uI–uF减小，故为负反馈；串联电压负反馈。第11章运算放大器uOuI+–+RuO1iI+–+RL-A1A2iDiFa[例2]判别图示电路从A2输出端引入A1输入端的反馈类型。[解]反馈电路从RL靠近“地”端引出，为电流反馈；反馈电流iF和iI输入电流加在A1的同一个输入端，故为并联反馈；设为uI正，则uO1为正，uO为负。反馈电流实际方向如图所示，净输入电流iD=iI–iF减小，故为负反馈；并联电流负反馈。第11章运算放大器11.2.4负反馈对放大电路工作的影响1．提高放大电路的稳定性AF+–xIxDxOxF开环放大倍数DOxxA反馈系数OFxxF引入负反馈后净输入信号xD=xIxF引入负反馈后闭环放大倍数AFAxxA1IOF对上式求导AAAFAAd11dFF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。第11章运算放大器uF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FufAuuIuO+–uDuO大小略大略小略小略大uIAu接近正弦波第11章运算放大器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的影响串联电压串联电流并联电压并联电流riro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？第11章运算放大器*11.2.5分立元件放大电路中的负反馈－＋uiRBRERLT－＋ube－＋uf－＋uoieic··+－+'RE电阻无旁路电容的分压式偏置放大电路++－＋uiC1RB2RB1RCRERLC2+UCCT－＋uBE－＋uCE－＋uoiEiC··交流通道RE为反馈元件，由瞬时极性法知ube、ui、uf三者同相ube=uiuf其有效值UbeUi故为负反馈。称为交流电流串联负反馈。第11章运算放大器直流通道RE也是直流反馈元件反馈信号UF=RE·IE净输入信号UBE=VBREIEVB为RB1与RB2分压所固定直流负反馈过程假如温度升高ICUF=REIEUBEIBIC则稳定静态工作点称为直流电流串联负反馈。RB2RB1RCREB+UCCT－＋UBE－＋UCEIEIC··IB第11章运算放大器11.3运算放大器在信号运算方面的应用1．反相输入0uu11.3.1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平衡电阻若R1=RF则uO=uIiFR1R2uORFiIuI+–+–+–+IFiiIII11uuuiRROOFFFuuuiRRFOI1RuuROFfI1uuRAuR1OfIuuAuR2=R1//RF第11章运算放大器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R1=则或RF=0ifR1R2uORFiiuI+–+–+–+IFiiIuuuII11uuiRROIOFFFuuuuiRR()FOI11RuuROFfI11uuRAuROfI1uuAu第11章运算放大器[例1]求图中uO的大小[解]此图为一电压跟随器。电源+15V经两个15k的电阻分压后，在同相输入端得到+7.5V的输入电压。故uO=+7.5V可见只与电源电压和分压电阻有关其精度和稳定性较高，可作为基准电压15k－＋uO∞+－+15k7.5k+15V第11章运算放大器[例2]此图所示的两级运算电路中，R1=50k，RF=100k。若输入电压uI=1V，试求输出电压uO，并说明输入级的作用。[解]A1是电压跟随器uO1=uI=1VA2为反相比例运算电路FOO111001V2V50RuuR∞+－+∞+－+－＋uO－＋uIA1R1uO1RFR1A2R2第11章运算放大器11.