第11章《电工电子技术》课件

第11章集成运算放大器本章学习要点集成运算放大器概述放大电路中的负反馈集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的非线性应用本章小结11.1集成运算放大器概述11.1.1集成运算放大器的基本组成近年来，集成运放得到迅速发展，出现了各种不同类型和不同结构的集成运放，但其基本结构是相同的。集成运放的电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分，如下图所示。1．输入级输入级是提高运算放大器质量的关键部分， 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 其输入电阻高，能减小零点漂移和抑制共模干扰信号，因此，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路。它具有同相和反相两个输入端。2．中间级集成运放的总增益主要由中间级提供，要求中间级有较高的电压放大倍数，因此，中间级一般采用带有恒流源负载的共射放大电路，其放大倍数可达几千倍以上。3．输出级输出级与负载相接，要求其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，因此，输出级一般采用互补对称电路或射极输出器。4．偏置电路偏置电路为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路组成。11.1.2集成运算放大器的符号μA741为应用广泛的一种集成运放，它的外壳封装有双列直插式、圆壳式和扁平式三种形式。如左图所示为μA741集成运放双列直插式的管脚排列。其电路的八只管脚序号按逆时针方向排列，从结构特征（凹口或定位销）开始依次为1、2、3、…、8。电路图中集成运放的符号如右图所示，在图形符号中，通常只画出输入和输出端，其余各端可不画。11.1.3集成运放的主要性能指标1．开环差模电压放大倍数Aud开环差模电压放大倍数Aud是指集成运放在开环状态（无外加反馈回路）下的差模电压放大倍数。对于集成运放而言，希望Aud大且稳定。目前，集成运放的Aud一般为60～140dB。2．最大输出电压UOPP最大输出电压UOPP是指在一定的电源电压下，集成运放最大不失真输出电压的峰值。3．差模输入电阻rid差模输入电阻rid是指集成运放在输入差模信号时的输入电阻。对信号源来说，差模输入电阻rid越大，对其影响越小。一般集成运放的rid为几百千欧至几兆欧。4．开环输出电阻ro开环输出电阻ro是指集成运放在开环状态且负载开路时的输出电阻。其数值越小，带负载的能力越强。5．共模抑制比KCMR共模抑制比KCMR与差动放大电路中的定义相同，也常用分贝值 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。KCMR值越大，表示集成运放对共模信号的抑制能力越强。6．最大差模输入电压Uidmax最大差模输入电压Uidmax是指集成运放的反相和同相两输入端之间所能承受的最大电压值，超过这个电压值，会使集成运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。7．最大共模输入电压Uicmax最大共模输入电压Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模电压值，超过这个电压值，它的共模抑制比将显著下降，导致其工作不正常，失去差模放大能力。8．输入失调电压UIO理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零。但在实际的集成运放中，由于元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，存在一定的输出电压。为了使集成运放的输出电压为零，在输入端应加的补偿电压称为输入失调电压UIO。集成运放的UIO越小，其质量越好。UIO一般为几毫伏。9．输入失调电流IIO输入失调电流IIO是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即IIO＝|IB1－IB2|。IIO一般在零点零几微安级，其值越小越好。10．输入偏置电流IIB输入偏置电流IIB是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即它的大小主要和电路中第一级管子的性能有关，其值也是越小越好，一般在零点几微安级。11.1.4集成运算放大器的理想模型理想集成运放是指将集成运放的各项技术指标理想化，以便于在分析估算应用电路的过程中，抓住事物本质，忽略次要因素，简化分析过程。1．理想集成运算放大器理想化的条件主要有：（1）开环差模电压放大倍数Aud＝∞；（2）差模输入电阻rid＝∞；（3）开环输出电阻ro＝0；（4）共模抑制比KCMR＝∞；（5）输入失调电压、失调电流及它们的温漂均为零；（6）带宽足够大。2．理想集成运算放大器的特性表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为传输特性，如下图所示。图中，BC段为集成运放工作的线性区，AB段和CD段为集成运放工作的非线性区（饱和区）。由于集成运放的电压放大倍数极高，BC段十分接近纵轴。在理想情况下，可认为BC段与纵轴重合，用B′C′段表示理想集成运放工作在线性区，AB′段和C′D段表示理想集成运放工作在非线性区。（1）工作在线性区当集成运放工作在线性区时，作为一个线性放大元件，其输出信号和输入差值信号是线性关系，即①由于理想集成运放的Aud＝∞，而uo是有限值，所以可认为满足此条件称为“虚短”，即两个输入端之间的电压近似为零，相当于短路，但不是真正的短路。②由于理想集成运放的rid＝∞，所以可认为两个输入端的电流近似为零，即满足此条件称为“虚断”，即输入端相当于断路，但又不是真正的断路。利用“虚短”和“虚断”这两个结论，分析各种运算及处理电路的线性工作情况将十分简便。（2）工作在非线性区当集成运放处于开环状态或同相输入端和输出端有通路（正反馈）时，集成运放工作在非线性区。此时，式（11–2）已不能满足。当反相输入端u－与同相输入端u＋不等时，输出电压为正、负饱和值（Uom或－Uom），即u－＞u＋时，uo＝－Uomu－＜u＋时，uo＝Uom此外，集成运放工作在非线性区时，两个输入端的输入电流也等于零。11.2放大电路中的负反馈将放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）经过一定的方式送回到输入回路，与原来的输入信号相作用，产生影响，这样的作用过程称为反馈。具有反馈作用的放大电路的组成框图如下图所示。任何带有反馈的放大电路都包含两个部分：①不带反馈的基本放大电路A，它可以是单级或多级的；②反馈网络F，它是联系放大电路输出电路和输入电路的环节，多数是由电阻元件组成的。11.2.1反馈的类型及判别方法1．正反馈和负反馈根据反馈极性的不同，反馈可分为正反馈和负反馈。根据反馈的效果可以区分反馈的极性，使放大电路净输入信号增大的反馈称为正反馈；使放大电路净输入信号减小的反馈称为负反馈。判别正、负反馈可以采用瞬时极性法，具体步骤如下。（1）首先找出反馈支路，然后假设输入端的瞬时极性为＋（或－），按放大信号路径和反馈信号路径，标出相关点的极性。（2）反馈信号送回输入端，在输入端看反馈信号和原输入信号的极性：若反馈信号使净输入信号减小，为负反馈；若反馈信号使净输入信号增大，为正反馈。2．直流反馈和交流反馈如果反馈信号只包含直流成分，则称为直流反馈；如果反馈信号只包含交流成分，则称为交流反馈；如果反馈信号中既有直流成分，也有交流成分，则称为交、直流反馈。在很多情况下，反馈信号中同时存在直流成分和交流成分，即为交、直流反馈。判别方法：反馈回路中有电容元件时，为交流反馈；无电容元件时，为交、直流反馈。3．电压反馈和电流反馈根据反馈信号在放大电路输出端的采样方式不同，反馈可分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取样于输出电压，则称为电压反馈；如果反馈信号取样于输出电流，则称为电流反馈。电压反馈中，反馈信号与输出电压成比例；电流反馈中，反馈信号与输出电流成比例。判别方法：①短路法，将输出端短路，若反馈信号因此消失，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。②对共射极电路还可用取信号法，即反馈信号取自输出端的集电极时，为电压反馈；取自输出端的发射极时，为电流反馈。4．串联反馈和并联反馈根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端的连接方式不同，反馈可分为串联反馈和并联反馈。如果反馈信号与输入信号在输入端串联连接，即反馈信号与输入信号以电压比较的方式出现在输入端，则称为串联反馈；如果反馈信号与输入信号在输入端并联连接，即反馈信号与输入信号以电流比较的方式出现在输入端，则称为并联反馈。判别方法：①根据电路结构，即当反馈信号和输入信号接在放大电路的同一点时，为并联反馈；接在放大电路的不同点时，为串联反馈。②对由三极管组成的反馈放大电路，若反馈信号送回基极，为并联反馈；若反馈信号送回发射极，为串联反馈。【例11-1】判断如下图所示电路的反馈类型和性质。【解】放大器输出电流原来的意义是指流过负载的电流。但在右图所示从三极管集电极输出的电路中，由于负载上的电流和三极管集电极电流同步变化，所以，为了不造成混乱，可把三极管的集电极电流作为输出电流。先根据交流通路分析交流反馈。在如下图所示交流通路中存在的反馈元件是RE1（RE2被电容CE短路）。因为输出电流Io的变化必然会造成RE1端电压的变化，而RE1端电压的变化又肯定对E结上的压降产生作用，即输出信号对输入端产生作用，所以，RE1上存在着反馈。将负载短路，Io仍存在，反馈也依然存在，为电流反馈。该电路中，放大信号从基极输入，而反馈信号则直接作用于发射极，为串联反馈。根据瞬时极性法可得出反馈信号的极性如右图所示，该反馈使净输入信号减小，为负反馈。反馈过程如下：所以，电路中反馈元件RE1上存在的反馈为电流串联负反馈。再根据直流通路分析直流反馈。在如右图所示直流通路中，RE1和RE2的串联电阻有着与上述交流负反馈过程同样的反馈作用。这个直流负反馈可抑制三极管静态电流的变化，能够稳定静态工作点。11.2.2负反馈放大电路的一般表达式由反馈放大电路的方框图可知，基本放大电路的放大倍数A（也称为开环放大倍数）为输出信号与净输入信号之比，即反馈网络的反馈系数F为反馈信号与基本放大电路输出信号之比，即反馈放大电路的输出信号与输入信号之比称为负反馈放大电路的闭环放大倍数Af，即在中频及以下频率范围内，放大倍数和反馈系数均为实数，因此，上式可写为：由上式可以看出：（1）放大电路采用负反馈，即|1＋AF|＞1时，|Af|＜|A|，这表明引入负反馈后，放大倍数下降。当|1＋AF|＞＞1时称为深度负反馈，此时，|Af|≈1/|F|，反馈放大电路的闭环放大倍数几乎与基本放大电路的A无关，仅与反馈网络的F有关。而反馈网络一般由无源线性元件构成，性能稳定，故Af也比较稳定。（2）当|1＋AF|＜1时，|Af|＞|A|，闭环放大倍数增大，电路转为正反馈，其性能不稳定。（3）当|1＋AF|＝1时，|Af|→∞，即反馈放大电路在没有输入信号时也产生输出信号，这种现象称为自激振荡，简称自激。自激使放大电路失去放大作用，但有时为了产生各种电压或电流波形，我们也有意识地使反馈放大电路处于自激状态。由上述分析可知，|1＋AF|对反馈放大电路性能的影响很大，故将其称为反馈深度。它反映负反馈的程度，是一个非常重要的参数。11.2.3深度负反馈放大电路的特点通常情况下，只要是多级负反馈放大电路，都可认为是深度负反馈。此时有于是所以，在深度负反馈条件下，反馈信号Xf与输入信号Xi近似相等，净输入信号Xd≈0。对于串联负反馈，ui≈uf，ud≈0；对于并联负反馈，ii≈if，id≈0，ud≈0。在深度负反馈条件下，串联负反馈的rif→∞；并联负反馈的rif≈0；电压负反馈的rof≈0；电流负反馈的rof→∞。11.2.4四种负反馈组态的分析1．电压串联负反馈如下图所示为集成运放组成的电压串联负反馈电路。在深度负反馈条件下，根据分压公式可得反馈电压为：因ui≈uf，，故闭环电压放大倍数为：2．电压并联负反馈如下图所示为集成运放组成的电压并联负反馈电路。在深度负反馈条件下，ii≈if，u＋＝u－≈0，则反馈电流为：于是3．电流串联负反馈如下图所示为集成运放组成的电流串联负反馈电路。在深度负反馈条件下，有所以4．电流并联负反馈如下图所示为集成运放组成的电流并联负反馈电路。在深度负反馈条件下，ii≈if，u＋＝u－≈0，则根据分流公式得反馈电流为：所以11.2.5负反馈对放大电路性能的影响1．负反馈对放大倍数的影响放大电路的放大倍数取决于放大器件的性能参数及电路元件的参数，当环境温度发生变化、器件老化、电源电压波动以及负载变化时，都会引起放大倍数发生变化。在电路中引入负反馈后，通过上述分析可知，当处于深度负反馈时，|Af|≈1/|F|，反馈放大电路的闭环放大倍数几乎与基本放大电路的A无关，仅与反馈网络的F有关，非常稳定。如果反馈网络是由纯电阻元件组成的，则F为一常数，此时，Af不仅十分恒定，而且与频率无关。2．负反馈对非线性失真的影响当输入信号的幅度较大或静态工作点设置不合适时，会造出输出信号的非线性失真，如上图所示。引入负反馈后，可将输出端的失真信号反送到输入端，使净输入信号发生某种程度的补偿，经放大后，输出信号的失真可大大减小，如下图所示。从本质上说，负反馈是利用失真的净输入波形来改善输出波形的失真，从而使输出信号的失真得到一定程度的补偿，因此，负反馈只能减小失真，无法完全消除失真。需要指出的是：负反馈只能减小放大电路自身产生的非线性失真，对输入信号的非线性失真无能为力。引入负反馈也可以抑制电路内部的干扰和噪声，其原理与改善非线性失真相似，但其对外来的干扰和噪声也无能为力。3．负反馈对通频带的影响如果在放大电路中引入负反馈，在中频段，由于放大倍数较大，输出信号较大，反馈信号也较大，通过负反馈作用使净输入信号减小得也较多，因而，中频段的放大倍数有明显的降低。在高频段与低频段，放大倍数较小，反馈信号较小，净输入信号减小得较少，该频段的放大倍数减小较少。这样牺牲了放大倍数，却换取了频率特性的平坦，拓宽了电路的通频带。如下图所示为无反馈和有负反馈两种情况的频率响应曲线。4．负反馈对输入电阻的影响输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因此，负反馈对输入电阻的影响取决于所引入的负反馈是串联负反馈还是并联负反馈，而与输出端的取样方式无关。在串联负反馈电路中，如下图所示，其输入电阻rif为：可以看出，引入串联负反馈后，放大电路的输入电阻增加，增加的倍数为反馈深度（1＋AF）。在并联负反馈电路中，如下图所示，其输入电阻rif为：可以看出，引入并联负反馈后，放大电路的输入电阻减小，减小的倍数也是反馈深度（1＋AF）。5．负反馈对输出电阻的影响输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，因此，负反馈对输出电阻的影响取决于所引入的负反馈是电压负反馈还是电流负反馈，而与输入端的连接方式无关。在电压负反馈电路中，从输出端向放大电路看进去，相当于基本放大电路与反馈网络并联。根据输出电阻的定义可得可以看出，引入电压负反馈后，放大电路的输出电阻减小（1＋AF）倍，这使其特性接近恒压源。当输出端接不同阻值的负载时，输出电压基本不变，因此，电压负反馈能稳定输出电压，带负载能力强。在电流负反馈电路中，从输出端向放大电路看进去，相当于基本放大电路与反馈网络串联。根据输出电阻的定义可得可以看出，引入电流负反馈后，放大电路的输出电阻增大（1＋AF）倍，这使其特性接近恒流源。当输出端接不同阻值的负载时，输出电流基本不变，因此，电流负反馈能稳定输出电流。11.3集成运放的线性应用11.3.1比例运算电路1．反相比例运算电路输入信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号相位相反，这样的集成运放电路为反相比例运算电路。如下图所示，同相输入端通过电阻R2接地，输入信号ui经电阻R1送到反相输入端，反馈电阻Rf跨接在输出端和反相输入端之间。根据集成运放的“虚断”和“虚短”可知ii≈if，u－≈u＋＝0根据上图所示可得所以闭环电压放大倍数为：上式表明，输出电压与输入电压是比例关系，电路的电压放大倍数只与外围电阻有关，而与集成运放本身的参数无关，这就保证了放大电路放大倍数的精确和稳定。式中的“－”号表示输出电压与输入电压反相。R2为平衡电阻，R2＝R1//Rf，其作用是消除静态电流对输出电压的影响。当R1＝Rf时，uo＝－ui，Auf＝－1，此时电路称为反相器。2．同相比例运算电路如果输入信号从同相输入端引入，集成运放电路就成了同相比例运算电路，如下图所示。根据集成运放的“虚断”和“虚短”可知ii≈if，u－≈u＋＝ui，根据uo→Rf→R1→地回路可得所以闭环电压放大倍数为：上式表明，输出电压与输入电压的比例关系也与集成运放本身的参数无关，放大倍数的精度和稳定性都很高。同相比例运算电路的电压放大倍数Auf≥1，为正值，表示输出电压与输入电压同相。当R1＝∞或Rf＝0时，Auf＝1，此时电路为同相器或电压跟随器。由于集成运放的性能优良，所以，由它构成的电压跟随器不仅精度高，而且输入电阻大，输出电阻小，比射极输出器的跟随效果好得多，可作为各种电路的输入级、中间级或缓冲级等。11.3.2加法运算电路在反相比例运算电路的基础上增加几个输入支路，便可构成反相加法运算电路，又称为反相加法器。如下图所示，根据集成运放的“虚断”和“虚短”，可列出由以上各式可得当R11＝R12＝R13＝R1时，上式为：当R1＝Rf时，上式为：由以上三式可以看出，加法运算电路也与集成运放本身的参数无关，只要电阻值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性。平衡电阻R2＝R11//R12//R13//Rf。【例11-2】反相加法运算电路，若存在关系uo＝－（4ui1＋2ui2＋0.5ui3），试计算各输入电路的电阻和平衡电阻R2。设Rf＝100kΩ。【解】由式（11–29）可得11.3.3减法运算电路如下图所示为用来实现两个电压ui1和ui2相减的减法运算电路，其两个输入端都有信号输入，实际为差动放大电路。由图可列出因u－≈u＋，故可得当R1＝R2、Rf＝R3时，上式为：当Rf＝R1时，上式为：闭环电压放大倍数为：由于电路存在共模电压，为保证运算精度，应当选用共模抑制比较高的集成运放或选用阻值合适的电阻。11.3.4积分运算电路在反相比例运算电路中，用电容Cf代替电阻Rf就构成了积分运算电路，如下图所示。由于是反相输入，且u－≈u＋＝0，所以上式表明，输出电压与输入电压的积分成比例，负号表示两者反相。R1C称为积分时间常数。当ui为一常数时，有上式表明，当输入电压为常数时，积分运算电路的输出电压将随时间作线性变化，直到达到饱和值为止，如右图所示。11.3.5微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算，只需将积分电路中输入端的电阻和反馈电容互换位置就可构成微分运算电路，如下图所示。由图可列出所以上式表明，输出电压与输入电压的一次微分成正比，负号表示两者反相。RfC称为微分时间常数。当输入信号为一个矩形阶跃信号时，输出电压为两个尖脉冲电压信号，如下图所示。11.4集成运放的非线性应用11.4.1过零比较器过零比较器是参考电压为零的比较器，如左图所示，其同相输入端接地，输入信号从反相端接入。当ui＜0时，uo＝Uom；当ui＞0时，uo＝－Uom。其电压传输特性如中图所示。电压比较器输出电平发生跃变时的输入电压称为门限电压或阀值电压，用UTH表示。当输入电压为正弦波电压时，输出电压为矩形波电压，如右图所示。有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路电平配合，在比较器的输出端与“地”之间跨接一个双向稳压管VDZ，作双向限幅用。其电路和传输特性如下图所示。ui与零电平比较，输出电压uo被限制在＋UZ或－UZ。如果将过零比较器的接地端改接入一个参考电压UR，由于UR的大小与极性均可调整，则电路成为任意电平电路，如下图所示。当ui＜UR时，uo＝UZ；当ui＞UR时，uo＝－UZ。11.4.2滞回比较器从集成运放电路的输出端引出一个反馈电阻到同相输入端，形成正反馈，就构成了滞回比较器，如下图所示。当输入电压ui逐渐增大或减小时，对应的门限电压不同，传输特性呈“滞回”现象。两门限电压分别为UTH1和UTH2，两者的差值ΔUTH称为回差电压或门限宽度。由于输出电压为＋UZ和－UZ，所以，根据叠加原理可得当ui逐渐增大并等于UTH1时，输出电压uo就从＋UZ跃变到－UZ，输出低电平；当ui逐渐减小并等于UTH2时，输出电压uo就从－UZ跃变到＋UZ，输出高电平。回差电压ΔUTH为：可见，回差电压ΔUTH与参考电压UR无关，改变电阻R2和R3的值，即可改变门限宽度。本章小结1．集成运算放大器概述（1）集成运放的电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分。（2）集成运放的主要性能指标有开环差模电压放大倍数Aud、最大输出电压UOPP、差模输入电阻rid、开环输出电阻ro、共模抑制比KCMR、最大差模输入电压Uidmax、最大共模输入电压Uicmax、输入失调电压UIO、输入失调电流IIO和输入偏置电流IIB等。（3）理想集成运放是指将集成运放的各项技术指标理想化，以便于在分析估算应用电路的过程中，抓住事物本质，忽略次要因素，简化分析过程。由传输特性曲线可以看出，理想集成运放可以工作在线性区和非线性区。2．放大电路中的负反馈（1）根据反馈极性的不同，反馈可分为正反馈和负反馈。根据反馈信号中包含的是直流成分还是交流成分，反馈可分为直流反馈和交流反馈。根据反馈信号在放大电路输出端的采样方式不同，反馈可分为电压反馈和电流反馈。根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端的连接方式不同，反馈可分为串联反馈和并联反馈。（2）负反馈放大电路的闭环放大倍数Af为：（3）负反馈可分为电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈四种组态。（4）放大电路中引入负反馈后，虽使放大倍数有所下降，但却能提高放大倍数的稳定性，减小非线性失真，拓宽通频带，根据需要灵活改变放大电路的输入电阻和输出电阻等。3．集成运算放大器的线性应用（1）输入信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号相位相反，这样的集成运放电路为反相比例运算电路。如果输入信号从同相输入端引入，集成运放电路就成了同相比例运算电路。（2）在反相比例运算电路的基础上增加几个输入支路，便可构成反相加法运算电路，又称为反相加法器。在同相比例运算电路的基础上增加几个输入支路，便可构成同相加法运算电路，又称为同相加法器。（3）减法运算电路的两个输入端都有信号输入，实际为差动放大电路。（4）在反相比例运算电路中，用电容Cf代替电阻Rf就构成了积分运算电路。（5）微分运算是积分运算的逆运算，只需将积分电路中输入端的电阻和反馈电容互换位置就构成了微分运算电路。4．集成运算放大器的非线性应用电压比较器是将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压产生跃变，相应输出高电平或低电平的电路。本章仅介绍了过零比较器和滞回比较器。