第十章集成运放

第10章集成运算放大器及其应用10.1集成运算放大器概述10.2反馈的基本概念10.4集成运放在模拟运算方面的应用10.3理想运算放大器及其分析依据10.5电压比较器10.6RC正弦波振荡电路*10.7有源滤波器10.1集成电路集成电路是20世纪60年代发展起来的放大器件。它是用微电子技术将元件、导线、电路集成在一块很小的半导体芯片上而成。集成电路的发展进程：1960年：小规模集成电路SSI。1966年：中规模集成电路MSI。1969年：大规模集成电路LSI。1975年：超大规模集成电路VLSI。集成电路分类(1)模拟集成电路处理模拟信号的集成电路。如集成功率放大器、集成运算放大器等。(2)数字集成电路处理数字信号的集成电路。如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。集成电路芯片10.2集成运算放大器概述集成运算放大器简称集成运放，它是一个具有开环电压放大倍数很高的多级直接耦合放大器，由输入级、中间级和输出级三个基本部分组成。特点：①输入级采用差分放大电路，KCMRR和ri很高。②中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。③输出级采用互补对称功率放大电路或共集放大电路，ro很小，带负载能力很强。④采用直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。⑤体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。输入级中间级输出级输入端输出端集成运算放大器的组成一、集成运放的组成结构和符号1.集成运放的电路结构框图集成运放741的电路原理图+VCCuO+–-VEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C⑦⑥④⑤①②③净输入电压2.集成运算放大器的符号－uD＋－＋＋u－u＋uOAo同相输入端反相输入端输出端集成运算放大器早先所用符号12345678μA741空脚调零端输出调零端反相输入同相输入+Ucc-Ucc3.集成运算放大器的外形及管脚排列外形4.集成运算放大器的典型连接电路二、集成运算放大器的主要技术指标1.开环差模电压放大倍数Auo2.开环差模输入电阻rid4.共模抑制比KCMRR5.输入失调电压Uio、输入失调电流Iio6.输入偏置电流IB1、IB23.开环输出电阻ro7.通频带宽度BW三、理想运算放大器及其电压传输特性1.理想运算放大器Auo，rid，ro0，KCMR2.电压传输特性uo=f(uD)在线性区：uo=Auo(u+–u–)在饱和区：u+u–时，uo=+UOMu+u–时，uo=–UOM)+Uo(sat)uD=u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性uo++u+u–+UCC–UEE–饱和区OuDuD=u+–u–Auo越大，运放的线性范围越小，因此，必须引入负反馈才能使其工作于线性区。当运放工作在非线性区时，其处于开环状态或引入了正反馈。1、什么是反馈(feedback)将放大电路输出回路的电量（电压或电流）通过某一电路或元件，部分或全部地送回到输入回路，以实现对放大电路净输入量产生影响的措施就称为反馈。10.3放大电路中的反馈一、反馈的基本概念反馈电路FfX–dXoX基本放大电路AiX+反馈放大电路的三个环节：基本放大电路doXXAofXXF比较环节fidXXX2、反馈放大电路的方框图反馈电路输出信号输入信号反馈信号反馈系数净输入信号开环放大倍数反馈电路FfX–dXoX基本放大电路AiX+反馈放大器输出输入反馈增强了净输入信号正反馈用于振荡器反馈削弱了净输入信号负反馈用于放大器开环闭环反馈网络×比较反馈信号实际被放大信号反馈通路——信号反向传输的渠道前向通路——信号正向传输（正向放大）的渠道Xo基本放大A电路XidXf–+Xi反馈网络F信号的正向传输信号的反向传输1.正反馈和负反馈2.电流反馈和电压反馈3.串联反馈和并联反馈4.直流反馈和交流反馈5.本级反馈和级间反馈一、反馈的分类1.正反馈和负反馈及其判别正反馈：反馈信号增强了净输入信号，使输出信号增大，放大倍数提高。负反馈：反馈信号削弱了净输入信号，使输出信号减小，放大倍数降低。引入负反馈可以改善放大电路的性能。在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。但在振荡器中却要引入正反馈，用以产生波形。正、负反馈的判别方法：“瞬时极性法”二、反馈的判断先假设输入信号在某一瞬间对地的极性有一个瞬时变化（正向或负向均可），然后判断这个瞬时值通过放大电路及反馈网络再返回到输入端的瞬时极性是增强了放大电路的净输入信号，还是削弱了放大电路的净输入信号，若反馈是增强了净输入信号则是正反馈，若反馈是削弱了净输入信号则为负反馈。利用“瞬时极性法”判断正、负反馈输出信号与输入信号极性关系回顾共射组态共集组态反相输入同相输入－＋＋XOAoXi(+)(-)－＋＋XOAoXi(+)(+)例：若反馈信号引回到输入信号的同一端，两者瞬时极性相反时为负反馈，两者瞬时极性相同时为正反馈。结论：uIuORLR2R1－＋＋Ao(+)反馈通路(+)(-)(-)(-)净输入量减小uORFiF－＋∞＋R1R2uIiIiDRL＋＋＋反馈通路净输入量增大正反馈负反馈＋若反馈信号引回到输入信号的不同端，两者瞬时极性相反时为正反馈，两者瞬时极性相同时为负反馈。uIuO-+RLR2R1Ao+反馈通路(+)(+)(-)(-)净输入量增大结论：正反馈－＋Ao＋RFRLRR1R2＋uO－uI反馈通路＋＋＋＋＋净输入量减小负反馈例：下图电路有几条反馈支路，判断其为正反馈还是负反馈？iuou负反馈负反馈2.直流反馈和交流反馈及其判别直流反馈：反馈只存在于直流通路中，反馈元件只能传递直流信号，反馈仅对直流分量起作用。交流反馈：反馈只存在于交流通路中，反馈元件只能传递交流信号，反馈仅对交流分量起作用。判别方法分别画出电路的直流通路和交流通路，观察反馈通路是否存在，从而进行判别。(+)(+)(+)直流负反馈Ao直流通路-+uIuOC2C1R1R2+R3交流通路AouIuOC2C1R1R2+-+R3(+)(+)(+)(+)交流负反馈(+)交流正反馈交、直流负反馈例：Ao-+uIuOC2C1R1R2+R3引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点RB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSuS+–例：分压式偏置共射放大电路直流负反馈稳定静态工作点T°↑→IC↑→IE↑→VE↑→UBE↓→IB↓→IC↓根据反馈信号在输出端所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，反馈量与输出电压成比例，称为电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，反馈量与输出电流成比例，称为电流反馈。3.电压反馈和电流反馈及其判别净输入信号xD输出信号xO输入信号xI放大电路Ao反馈信号xF反馈电路F方法一：令负载RL=0（即将输出端短路），则输出电压uO=0，若反馈量等于零（即反馈不存在）则为电压反馈，反之则为电流反馈。方法二：令负载RL→∞（即将输出端开路），则输出电流iO=0，若反馈量等于零（即反馈不存在）则为电流反馈，反之则为电压反馈。电压反馈和电流反馈的判别电压负反馈R2uiuoRLRFR1uf反馈量uf取自输出电压uo，反馈量与输出电压成比例oFfuRRRu11=0电压负反馈具有稳定输出电压的作用。电流负反馈12RRRLuiuoiouduf反馈量uf取自输出电流io，反馈量与输出电流成比例ofiRu1≠0电流负反馈具有稳定输出电流的作用。根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式相比较，即反馈信号与输入信号串联，称为串联反馈。反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式相比较，即反馈信号与输入信号并联，称为并联反馈。4.串联反馈和并联反馈及其判别净输入信号xD输出信号xO输入信号xI放大电路Ao反馈信号xF反馈电路F串联反馈和并联反馈的判别若反馈引回到输入信号的同一端，反馈量与输入量以电流的形式相比较、相加减，则为并联反馈。若反馈引回到输入信号的不同端，反馈量与输入量以电压的形式相比较、相加减，则为串联反馈。R2uiuoRLRFR1uduf反馈信号引回到输入信号的不同输入端，反馈量与输入量以电压的形式相比较。fiduuu串联负反馈串联负反馈使放大电路的输入电阻增大uiuoRFRLR2R1ifiiid反馈信号引回到输入信号的同一输入端，反馈量与输入量以电流的形式相比较。fidiii并联负反馈并联负反馈使放大电路的输入电阻减小5、本级反馈和级间反馈及其判别uOR5R4R3-+uIR1R6AoR2+++-Ao若将本级放大电路的输出量反馈到本级的输入端，就称为本级反馈；若将后级放大电路的输出量反馈到前级放大电路的输入端，则称为级间反馈。反馈通路本级反馈通路级间反馈通路负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈电压串联负反馈电流串联负反馈三、负反馈放大电路的四种基本类型1.电压串联负反馈R2uiuoRLRFR1uduf从输出端来看，反馈量取自输出电压，反馈量与输出电压成比例，故为电压反馈：从输入端来看，反馈量与输入量以电压的形式相比较，故为串联反馈。fiduuuoFfuRRRu11idiiifuiuoRFRLR2R12.电压并联负反馈从输出端来看，反馈量取自输出电压，反馈量与输出电压成比例，故为电压反馈：FofRui从输入端来看，反馈量与输入量以电流的形式相比较，故为并联反馈。fidiii3.电流串联负反馈12RRRLuiuoiouduf从输出端来看，反馈量取自输出电流，反馈量与输出电流成比例，故为电流反馈：ofiRu1从输入端来看，反馈量与输入量以电压的形式相比较，故为串联反馈。fiduuu4.电流并联负反馈RL++iouoR2R1RFRiiidif从输出端来看，反馈量取自输出电流，反馈量与输出电流成比例，故为电流反馈：oFfiRRRi从输入端来看，反馈量与输入量以电流的形式相比较，故为并联反馈。fidiiiiuuiRRF1RF2RF3N1N2N3uOufRF1电压并联负反馈(级间)RF2电压串联负反馈(级间)RF3电压并联负反馈(本级)if四、反馈组态的判别举例例1：uiuoN1N2uf++uoRF1R1R2RFR4R3R5R6RF2利用瞬时极性法判断反馈的正负反馈类型：串联电压负反馈电流RLuf与uo成正比io例2：反馈类型的判别++例3：判断图示电路中的级间反馈类型。解:RE1、RF引入级间电压串联负反馈。－+－+T2集电极的反馈到T1的发射极，提高了E1的交流电位VE1，使Ube1减小，故为负反馈；反馈从T2的集电极引出，是电压反馈；反馈电压引入到T1的发射极，是串联反馈。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例4：如果RF的另一端不接在T1的发射极，而是接在T1的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈？解:T2集电极的反馈到T1的基极，提高了B1的交流电位，使Ube1增大，故为正反馈；这时RF引入级间正反馈。－+－+RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo例5：如果RF不是接在T2的集电极，而是接在C2与RL之间，两者有何不同？解:因电容C2的隔直流作用，这时RF仅引入交流电压串联负反馈。RB1RC1C1RB2RE1++–RS+–RFRC2CE2C2RE2RL++UCC+–T1T2esuiuo×6）图示电路RF引入了（）。（3分）A、电压并联负反馈B、电压串联负反馈C、电流串联负反馈D、电流并联负反馈C－＋Ao＋RFRLRR1R2＋uO－uIdoXXAofXXFfidXXX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ioXXAf闭环放大倍数反馈电路FfX–dXoX基本放大电