ch11运算放大器解读

6.1运算放大器简单介绍6.3运算放大器在信号运算方面的应用6.2放大电路中的负反馈6.4运算放大器在信号处理方面的应用第6章运算放大器第6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是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输出端输入级—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偏置电路输入级中间级输出级输入端中间级--采用带恒流源的共发射极放大电路构成。6.1运算放大器简单介绍6.1.1集成运放的组成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6.1.2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.开环差模电压增益Auo运放没有接反馈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UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB6.1.3理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器的理想化条件Auo，rid，ro0，KCMR2.电压传输特性uo=f(ui)线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区Ouou++–+u–3.理想运放工作在线性区的特点因为uo=Auo(u+–u–),电压传输特性u+–u–uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)Orid而uo是有限值，ouA0)(oouAuuu所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u–,称“虚短”因为运放开环输入电阻idr所以(2)输入电流约等于0即i+=i–0,称“虚断”++∞uou–u+i+i––Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。(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u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区4.理想运放工作在饱和区的特点凡是将放大电路(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。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。AoXiX无负反馈放大电路方框图6.2放大电路中的负反馈6.2.1反馈的基本概念基本放大电路反馈电路6.2.1反馈的基本概念fidXXXF+–fXdXAoXiX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dXiXfXoX净输入信号若三者同相，fidXXX可见idXX，电路为负反馈。则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：AF+–dXoXfXiX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；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6.2.2负反馈的类型ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–fiduuu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。01F1fuRRRu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首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。1.串联电压负反馈1.串联电压负反馈ui+–R1R2uoRF+–+–+RLud+–uf+–AF+–ufuduiuo串联电压负反馈方框图FoFofRuRuuiuoR1R2RF+–ui+–+–+RLiiidif-fidiii设某一瞬时ui为正，则此时uo为负，各电流实际方向如图示。净输入电流小于输入电流，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首先用电位的瞬时极性判别反馈的正、负。2.并联电压负反馈2.并联电压负反馈AF+–uiuoifidiiuoR1R2RF+–ui+–+–+RLidifii-并联电压负反馈方框图ofRiufiduuu为负反馈；uf与ui在输入端以电压形式作反馈电压与输出电流成比，故为电流反馈；判别图示电路的反馈类型AF+–ufuduiio串联电流负反馈方框图比较，两者串联，故为串联反馈。R2uoR+–+–+RLud+–uf+–ioui+–3.串联电流负反馈fidiiioFf)(iRRRi图中判别图示电路的反馈类型并联电流负反馈方框图AF+–uiioidiiififRFiRuRRui+–+–+RLioR1iiidR2-4.并联电流负反馈(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。)如何判别电路中反馈类型小结判别图示电路从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。[例1]uoui+–+Ruo1ii+–+RL-A1A2idifa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。[例2]doXXAofXXFfidXXXAFAXXA1iofAAAFAAd11dffAF+–dXoXfXiX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。6.2.3负反馈对放大电路工作的影响1.提高放大电路的稳定性uf负反馈改善了波形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2.改善非线性失真四种负反馈对ri和ro的影响riro减低增高增高增高增高减低减低减低串联电压串联电流并联电压并联电流思考题：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？3.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响1.反相输入fiii0uu1i1iiRuRuuiFFRuRuuioof1iofRRuuAFuFRRR//12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iouu1iofuuAuFRR1若则ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+6.3运算放大器在信号运算方面的应用6.3.1比例运算反相器动画i1ouRRuF例：电路如下图所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不变，要求Auf为–10，则RF、R2应为多少？解：1.Auf=–RFR1=–5010=–5R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k2.因Auf=–RF/R1=–RF10=–10故得RF=–AufR1=–(–10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–fiiiiuuu1i1iRuRuiFFRuuRuuioiof1iof1RRuuAFu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0FR1iofuuAu1R若则或ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+2.同相输入动画i1o)1(uRRuF当R1=且RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–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。uoui++––++–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。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：6.3.2加法运算因虚短,u–=u+=0Fo2i2i1i1iRuRuRu故得)(2i2iF1i1iFouRRuRRu平衡电阻：R2=Ri1//Ri2//RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0所以ii1+ii2=if动画1111Ruuiii由图可列出12i2i2Ruui)(i2i2i1i1ouRRuRRuFF当12i1iRRR时，)(i2i11ouuRRuFuoifRi2R2RFii2ui2+–Ri1ii1ui1+–+6.3.2加法运算则上式为当FRR1时，)(i2i1ouuu动画i2323uRRRu如果两个输入端都有信号因为uu，故上列两式可得由图可列出输入，则为差分输入。i1i1iRuuifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+)(oi111i1uuRRRuF6.3.3减法运算i11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF6.3.3减法运算当21RR时，)(i1i21ouuRRuFi11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF3RRF和1RRFi1i2ouuu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比，故可进行减法运算。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+动画0u1ifiRuiituCRtiCuuFd1d1i1fFco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。ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+ifuC+–CF由于反相输入，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。R1CF称为积分时间常数。6.3.4积分运算6.3.4积分运算tuCRuFd1i1otCRUuF1ioo(sat)UuoR1R2CFui+–+–uC+–+–+ifii当ui为阶跃电压时，则uo随时间线性增长，uoOtuiOt最后达到负饱和值。6.3.5微分运算电路Foi1ddRutuCtuCRuddi1Foifi1由虚短及虚断性质可得i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui动画注意：由于此电路工作时稳定性不高，故实际中很少应用。[例1]电路如图示。已知R1=20k