第7章-运算放大电路基础及其应用课件

7.1 7.1 集成运算放大器集成运算放大器 运运算算放放大大器器是是由由直直接接耦耦合合多多级级放放大大电电路路集集成成制制造造的的高高增增益益放放大大器器，它它是是模模拟拟集集成成电电路路最最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。7.1.1 运算放大器的结构1、方框图 集成运算放大器是一个高增益直接耦合集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如下图所示。放大电路，它的方框图如下图所示。运放内部结构运放内部结构 1.输输入入级级要要使使用用高高性性能能的的差差分分放放大大电电路路，它它必必须须对对共共模模信信号号有有很很强强的的抑抑制制力力，而而且且采采用用双端输入双端输出的形式。双端输入双端输出的形式。4.偏偏置置电电流流源源可可提提供供稳稳定定的的几几乎乎不不随随温温度度而变化的偏置电流，以稳定工作点。而变化的偏置电流，以稳定工作点。3.互互补补输输出出级级由由PNP和和NPN两两种种极极性性三三极极管管或或复复合合管管组组成成，以以获获得得正正负负两两个个极极性性的的输输出出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.中中间间放放大大级级要要提提供供高高的的电电压压增增益益，以以保保证证运运放放的的运运算算精精度度。中中间间级级的的电电路路形形式式多多为为差差分电路和带有源负载的高增益放大器。分电路和带有源负载的高增益放大器。2 2、运算放大器的引线、运算放大器的引线 运运算算放放大大器器的的符符号号中中有有三三个个引引线线端端，两两个个输输入入端端，一一个个输输出出端端。一一个个称称为为同同相相输输入入端端，即即该该端端输输入入信信号号变变化化的的极极性性与与输输出出端端相相同同，用用符符号号+或或 IN+表表示示；另另一一个个称称为为 反反相相输输入入端端，即即该该端端输输入入信信号号变变化化的的极极性性与与输输出出端端相相异异，用用符符号号“-”-”或或“IN-”-”表表示示。输输出出端端一一般般画画在在输输入入端端的的另另一一侧侧，在在符符号号边边框框内内标标有有+号号。实实际际的的运运算算放放大大器器通通常常必必须须有有正正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。输入级输入级中间级中间级输出级输出级运放内部电路举例运放内部电路举例反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端输出端输出端+UCC ui-UEEuoT3T4T5T1T2IS1 12 23 3+HA17741内部电路简图内部电路简图3运算放大器的符号和型号(1)(1)集成放大器的符号集成放大器的符号 按照国家标准符号如下图所示。按照国家标准符号如下图所示。(a)(b)模拟集成放大器的符号模拟集成放大器的符号 (a)国家标准符号国家标准符号 (b)原符号原符号(2)(2)集成运算放大器的型号命名集成运算放大器的型号命名 数字序号数字序号 (与世界上其它厂家同类型产品的序号相同与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。)其它例如其它例如:集成功率放大器的型号命名集成功率放大器的型号命名CD 集成稳压器的型号命名集成稳压器的型号命名CW7.1.2 集成运算放大器的主要参数 集集成成运运算算放放大大器器的的技技术术指指标标很很多多，其其中中一一部部分分与与差差分分放放大大器器和和功功率率放放大大器器相相同同，另另一一部部分分则则是是根根据据运运算算放放大大器器本本身身的的特特点点而而设设立立的的。各各种种主主要要参参数数均均比比较较适适中中的的是是通通用用型型运运算算放放大大器器，对对某某些些项项技技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。运算放大器的静态技术指标运算放大器的静态技术指标运算放大器的动态技术指标运算放大器的动态技术指标1、运算放大器的静态技术指标 1.输输入入失失调调电电压压Vio ：(input offset voltage)输输入入电电压压为为零零时时，将将输输出出电电压压除除以以电电压压增增益益，即即为为折折算算到到输输入入端端的的失失调调电电压压。是是表表征征运运放放内内部部电电路路对称性的指标。对称性的指标。3.输输入入失失调调电电流流 Iio：(input offset current)在在零零输输入入时时，差差分分输输入入级级的的差差分分对对管管基基极极电电流流之之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。2.输输入入偏偏置置电电流流IB：(input bias current)运运放放两两个个输输入入端端偏偏置置电电流流的的平平均均值值，用用于于衡衡量量差差分分放放大对管输入电流的大小。大对管输入电流的大小。4.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dVio/dT5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIio/dT 在规定工作温度范围内，输入失调在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量电压随温度的变化量与温度变化量之比值。之比值。在规定工作温度范围内，输入失调电流在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。随温度的变化量与温度变化量之比值。6.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax 7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax(maximum differential mode input voltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。(maximum common mode input voltage)在保证运放正常工作条件下，共在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。去共模抑制能力。2、运算放大器的动态技术指标 1.开开环环差差模模电电压压放放大大倍倍数数 Avd ：(open loop voltage gain)运运放放在在无无外外加加反反馈馈条条件件下下，输输出出电压的变化量与输入电压的变化量之比。电压的变化量与输入电压的变化量之比。2.差差模模输输入入电电阻阻rid：(input resistance)输输入入差模信号时，运放的输入电阻。差模信号时，运放的输入电阻。3.共共 模模 抑抑 制制 比比 KCMR：(common mode rejection ratio)与与差差分分放放大大电电路路中中的的定定义义相相同同，是是差差模模电电压压增增益益 Avd 与与共共模模电电压压增增益益 Avc 之之比比，常用分贝数来表示。常用分贝数来表示。KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)5.单单位位增增益益带带宽宽 f c(BWG)(unit gain band width)Avd 下下降降到到1时时所所对对应应的的频频率率，定定义为单位增益带宽义为单位增益带宽 f c。4.3dB带带宽宽 f H：(-3dB band width)运运算算放放大大器器的的差差模模电电压压放放大大倍倍数数在在高高频频段段下下降降3dB所定义的带宽所定义的带宽 f H。6.转转换换速速率率S R(压压摆摆率率)(slew rate)反反映映运运放放对对于于快快速速变变化化的的输输入入信信号号的的响响应应能能力力。转转换换速速率率SR的表达式为的表达式为:7.等等效效输输入入噪噪声声电电压压Vn(noise voltage)输输入入端端短短路路时时，输输出出端端的的噪噪声声电电压压折折算算到到输输入入端端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图7.1.3 7.1.3 理想运算放大器理想运算放大器理想运算放大器的条件理想运算放大器的条件理想运算放大器的特性理想运算放大器的特性 满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。1.差模电压放大倍数差模电压放大倍数Avd=，实际上实际上Avd80dB即可。即可。1 1、理想运算放大器的条件、理想运算放大器的条件 2.差差模模输输入入电电阻阻 Rid=，实实际际上上Rid比比输输入入端端外外电电路路的的电电阻阻 大大23个量级即可。个量级即可。3.输输出出电电阻阻 Ro=0，实实际际上上Ro比比输输入入端端外外电电路路的的电电阻阻小小12个量级即可。个量级即可。4.带宽足够宽。带宽足够宽。5.共模抑制比足够大。共模抑制比足够大。实实际际上上在在做做一一般般原原理理性性分分析析时时，产产品品运运算算放放大大器器都都可可以以视视为为理理想想的的。只只要要实实际际的的运运用用条条件件不不使使运运算算放放大大器器的的某某个个技技术术指标明显下降即可。指标明显下降即可。理理想想运运算算放放大大器器具具有有“虚虚短短”和和“虚虚断断”的的特特性性，这这两两个个特特性性对对分分析析线线性性运运用用的的运运放放电电路路十十分分有有用用。为为了了保保证证线线性性运用，运放必须在闭环运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。负反馈）下工作。2、理想运算放大器的特性 (1)(1)虚短虚短 由由于于运运放放的的电电压压放放大大倍倍数数很很大大，一一般般通通用用型型运运算算放放大大器器的的开开环环电电压压放放大大倍倍数数都都在在80 80 dBdB以以上上。而而运运放放的的输输出出电电压压是是有有限限的的，一一般般在在10 10 V14 V。因因此此运运放放的的差差模模输输入入电电压压不不足足1 mV，两两输输入入端端近近似似等等电电位位，相相当当于于“短短路路”。开开环环电电压压放放大大倍数越大，倍数越大，两输入端的电位越接近相等。两输入端的电位越接近相等。“虚虚短短”是是指指在在分分析析运运算算放放大大器器处处于于线线性性状状态态时时，可可把把两两输输入入端端视视为为等等电电位位，这这一一特特性性称称为为虚虚假假短短路路，简简称称虚虚短短。显显然不能将两输入端真正短路。然不能将两输入端真正短路。(2)(2)虚断虚断 由由于于运运放放的的差差模模输输入入电电阻阻很很大大，一一般般通通用用型型运运算算放放大大器器的的输输入入电电阻阻都都在在1 1 M 以以上上。因因此此流流入入运运放放输输入入端端的的电电流流往往往往不不足足1 A，远远小小于于输输入入端端外外电电路路的的电电流流。故故通通常常可可把把运运放放的的两两输输入入端端视视为为开开路路，且且输输入入电电阻阻越越大大，两两输输入入端端越越接接近近开开路路。“虚虚断断”是是指指在在分分析析运运放放处处于于线线性性状状态态时时，可可以以把把两两输输入入端端视视为为等等效效开开路路，这这一一特特性性称称为为虚虚假假开开路路，简简称称虚断。显然不能将两输入端真正断路。虚断。显然不能将两输入端真正断路。下面举几个例子以说明虚短和虚断的运用。下面举几个例子以说明虚短和虚断的运用。例例1 1：有一理想运算放大器组成的电路如下图所示，：有一理想运算放大器组成的电路如下图所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。试求输出电压的表达式和电压放大倍数。根据虚断根据虚断Ii 0，故故 V+0。且。且Ii If根据虚短，根据虚短，V+V-0Ii=(Vi V-)/R1 Vi/R1Vo If Rf=Vi Rf/R1电压增益电压增益Avf=Vo/Vi=Rf/R1根据上述关系式，该电根据上述关系式，该电路可用于反相比例运算。路可用于反相比例运算。反相比例运算电路反相比例运算电路例例 2：电路如下图所示，已知：电路如下图所示，已知 R1=10 k ，RF=50 k 。求求(1)、Auf、R2；(2)、若若 R1不变，不变，要求要求Au f为为 10，则，则RF、R2 应为应为 多少？多少？RF+.uiuoR2u+u_。R1解：解：1、Au f=RF R1 =50 10=5R2=R1 RF =10 50 10+50 =8.3 k 2、Au f=RF R1=RF 10=10 RF=Auf R1=10 10=100 R2=10 100 10+100=9.1 k 例例3 3：有有一一理理想想运运算算放放大大器器组组成成的的电电路路如如下下图图所所示示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。试求输出电压的表达式和电压放大倍数。根据虚断，根据虚断，Vi=V+根据虚短，根据虚短，Vi=V+V-V+=Vi=Vo R1/(R1+Rf)Vo Vi 1+(Rf/R1)电压增益电压增益 Avf=Vo/Vi=1+(Rf/R1)根据上述关系式，该电路根据上述关系式，该电路可用于同相比例运算可用于同相比例运算。同相比例运算电路7.2 放大电路中的反馈放大电路中的反馈 7.2.1 反馈的概念反馈的概念7.2.2 负反馈放大电路的四种基本组态负反馈放大电路的四种基本组态7.2.3 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响7.2.1 反馈的概念反馈的概念凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为迭加，就称为反馈反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈正反馈。这里所说的信号一般是指交流信号，这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是输入信号的相位关系，同相是正反馈正反馈，反，反相是相是负反馈负反馈。放大器放大器输出输出输入输入取取+加强输入信号加强输入信号 正反馈正反馈 用于振荡器用于振荡器取取-削弱输入信号削弱输入信号 负反馈负反馈 用于放大器用于放大器开环开环闭环闭环负反馈的作用：负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带。反馈网络反馈网络叠加叠加反馈反馈信号信号实际被放大信号实际被放大信号反馈框图：反馈框图：反馈电路的三个环节：反馈电路的三个环节：负反馈框图：负反馈框图：基本放大基本放大电路电路Ao反馈回路反馈回路F+输出信号输出信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号差值信号差值信号放大：放大：反馈：反馈：叠加：叠加：开环放大倍数开环放大倍数闭环放大倍数闭环放大倍数反馈系数反馈系数基本放大基本放大电路电路Ao反馈回路反馈回路F+负反馈放大器的一般关系：负反馈放大器的一般关系：反馈深度反馈深度定义：定义：基本放大基本放大电路电路Ao反馈回路反馈回路F+负反馈放大器的闭环放大倍数负反馈放大器的闭环放大倍数当当Ao很大时，很大时，AoF 1：结论：结论：当当 Ao 很大时，负反馈放大器的闭环放大倍很大时，负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关，只与反馈网络有关。即负数与晶体管无关，只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。反馈可以稳定放大倍数。ufud例：例：Rf、RE1组成反馈组成反馈网络，反馈系数：网络，反馈系数：+C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+ECuoui+T1T2Rf7.2.2 负反馈的类型负反馈的类型1、负反馈的类型负反馈的类型一、电压反馈和电流反馈一、电压反馈和电流反馈电压反馈：电压反馈：反馈信号取自输出电压信号。反馈信号取自输出电压信号。电流反馈电流反馈：反馈信号取自输出电流信号。反馈信号取自输出电流信号。电压负反馈：电压负反馈：可以稳定输出电压、减小输出电阻。可以稳定输出电压、减小输出电阻。电流负反馈：电流负反馈：可以稳定输出电流、增大输出电阻。可以稳定输出电流、增大输出电阻。根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。反馈和电流反馈。二、二、反馈的判断方法反馈的判断方法净输入信号净输入信号 根据反馈根据反馈根据反馈根据反馈信号对输入信信号对输入信信号对输入信信号对输入信号作用的结果号作用的结果号作用的结果号作用的结果反馈分：反馈分：反馈分：反馈分：正反馈正反馈正反馈正反馈负反馈负反馈负反馈负反馈负反馈负反馈负反馈负反馈反馈信号削弱反馈信号削弱输入信号的作输入信号的作用，减小净输用，减小净输入信号。入信号。正反馈正反馈正反馈正反馈反反馈馈信信号号增增强强输输入入信信号号的的作作用用，增增加加净净输输入信号入信号。基本放大基本放大基本放大基本放大电路电路电路电路A A反馈反馈反馈反馈电路电路电路电路F F F F+1 1、反馈的分类、反馈的分类、反馈的分类、反馈的分类判断方法：判断方法：瞬时极性法瞬时极性法瞬时极性法瞬时极性法假设输入信号的瞬时极性，假设输入信号的瞬时极性，沿信号的传输环路判定反馈沿信号的传输环路判定反馈信号的瞬时极性，确定反馈信号的瞬时极性，确定反馈信号对输入信号的影响，使信号对输入信号的影响，使净输入信号减小为净输入信号减小为负反馈负反馈；反之为反之为正反馈。正反馈。净输入信号：净输入信号：ui瞬时值为瞬时值为正时正时,uf瞬时值瞬时值也也为为正正,即两者同相即两者同相负反馈负反馈负反馈负反馈+uf+RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+ieube 可见可见 ube ui,反馈电压反馈电压uf 削弱了净输入信号的作用削弱了净输入信号的作用用瞬时极性法判断正、负反馈用瞬时极性法判断正、负反馈例例1瞬时极性法：瞬时极性法：假设输入信号的瞬时极性，假设输入信号的瞬时极性，沿信号的传输环路判定反馈沿信号的传输环路判定反馈信号的瞬时极性，确定反馈信号的瞬时极性，确定反馈信号对输入信号的影响，使信号对输入信号的影响，使净输入信号减小为净输入信号减小为负反馈负反馈；反之为反之为正反馈。正反馈。结论：结论：结论：结论：输出电压短路输出电压短路法是判断电压、电流反馈的重要依据。法是判断电压、电流反馈的重要依据。1 1 1 1、反馈的分类、反馈的分类、反馈的分类、反馈的分类根据输出回路反馈电路取样的信号不同，分为电根据输出回路反馈电路取样的信号不同，分为电压反馈和电流反馈。压反馈和电流反馈。电压反馈：电压反馈：指反馈信号与输出电压成比例指反馈信号与输出电压成比例电流反馈：电流反馈：指反馈信号指反馈信号与与输出电流成比例输出电流成比例 F A F A电压反馈电压反馈电流反馈电流反馈在输入回路根据反馈信号与输入信号的作用方式，在输入回路根据反馈信号与输入信号的作用方式，在输入回路根据反馈信号与输入信号的作用方式，在输入回路根据反馈信号与输入信号的作用方式，反馈可分为串联反馈和并联反馈。反馈可分为串联反馈和并联反馈。反馈可分为串联反馈和并联反馈。反馈可分为串联反馈和并联反馈。反馈信号以电压的形式与输入信号比较，串联反馈信号以电压的形式与输入信号比较，串联连接，称为连接，称为串联反馈串联反馈。反馈信号以电流形式与输入信号比较，并联连反馈信号以电流形式与输入信号比较，并联连接，称为接，称为并联反馈。并联反馈。AF1 1 1 1、反馈的分类、反馈的分类、反馈的分类、反馈的分类结论：结论：输入回路反馈信号的性质和连接方式，是判输入回路反馈信号的性质和连接方式，是判断串联、并联反馈的重要依据。断串联、并联反馈的重要依据。F A根据反馈信根据反馈信根据反馈信根据反馈信号本身的交直号本身的交直号本身的交直号本身的交直流性质，负反流性质，负反流性质，负反流性质，负反馈分为：馈分为：馈分为：馈分为：直流反馈直流反馈 交流反馈交流反馈直流反馈：直流反馈：直流反馈：直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈只对直流分量起作用，反馈只对直流分量起作用，反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。反馈元件只能传递直流信号。反馈元件只能传递直流信号。反馈元件只能传递直流信号。交流反馈：交流反馈：交流反馈：交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈只对交流分量起作用，反馈只对交流分量起作用，反馈只对交流分量起作用，反馈元件只能传递交流信号。反馈元件只能传递交流信号。反馈元件只能传递交流信号。反馈元件只能传递交流信号。引入交流引入交流负反馈的负反馈的目的：目的：改改善放大电善放大电路的性能路的性能引入直流引入直流 负反馈的负反馈的目的：目的：稳稳定静态工定静态工作点作点1 1 1 1、反馈的分类、反馈的分类、反馈的分类、反馈的分类RB1RC1C1C2RB2RE1+ui+RB3RC2C3RB4RE2RL+UCCuo+CE1CE2负负反反馈馈交流反馈交流反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈电流并联负反馈反馈分类小结反馈分类小结稳定静态工作点稳定静态工作点正正反反馈馈 反馈反馈反馈反馈直流反馈直流反馈2.判断反馈类型的方法判断反馈类型的方法 判断是串联还是并联反馈判断是串联还是并联反馈入端反馈信号的性质入端反馈信号的性质及连接方式及连接方式判断是正反馈还是负反馈判断是正反馈还是负反馈瞬时极性法瞬时极性法判断是电流还是电压反馈判断是电流还是电压反馈输出电压短路法输出电压短路法 确定反馈支路确定反馈支路确定反馈支路确定反馈支路根据反馈电路交直流通路，判别是交流还是直流反馈根据反馈电路交直流通路，判别是交流还是直流反馈根据反馈电路交直流通路，判别是交流还是直流反馈根据反馈电路交直流通路，判别是交流还是直流反馈瞬时极性法：瞬时极性法：假设输入信号的瞬时极性，沿信号的传输环路判定反假设输入信号的瞬时极性，沿信号的传输环路判定反馈信号的瞬时极性，确定反馈信号对输入信号的影响，馈信号的瞬时极性，确定反馈信号对输入信号的影响，使使净输入信号减小为净输入信号减小为负反馈负反馈；反之为；反之为正反馈。正反馈。1)1)找出反馈支路找出反馈支路找出反馈支路找出反馈支路 发射极电阻发射极电阻发射极电阻发射极电阻R RE E为为为为 输入回路与输出输入回路与输出输入回路与输出输入回路与输出 回路所共有，所回路所共有，所回路所共有，所回路所共有，所 以以以以R RE E是反馈元件。是反馈元件。是反馈元件。是反馈元件。判断反馈类型例判断反馈类型例判断反馈类型例判断反馈类型例1 1 1 1：RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+3)3)判电压还是电流判电压还是电流判电压还是电流判电压还是电流 u uf f与与与与i i0 0成正比成正比成正比成正比为为为为电流反馈电流反馈电流反馈电流反馈 uf=ie RE ic RE4)4)串联、并联串联、并联串联、并联串联、并联5)5)交流、直流交流、直流交流、直流交流、直流 串联反馈串联反馈串联反馈串联反馈2)2)正、负反馈正、负反馈正、负反馈正、负反馈 负反馈负反馈负反馈负反馈 交直共存交直共存交直共存交直共存电流串联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈讨论：讨论：讨论：讨论：加加加加旁路电容情况旁路电容情况 如果发射极加如果发射极加入旁路电容，入旁路电容，交交流信号被短路，流信号被短路，RE中仅能通过直中仅能通过直流分量的信号流分量的信号，所以，所以，RE引入直引入直流反馈。流反馈。E 自动调整过程：自动调整过程：自动调整过程：自动调整过程：icuf ube ib ic 引入电流串联负反引入电流串联负反引入电流串联负反引入电流串联负反馈的作用：馈的作用：馈的作用：馈的作用：稳定输出电流稳定输出电流稳定输出电流稳定输出电流增大增大增大增大输出电阻。输出电阻。输出电阻。输出电阻。RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+uf+ube u ud d=u ui i u uf f 负反馈负反馈负反馈负反馈串联反馈串联反馈串联反馈串联反馈 特点：特点：特点：特点：稳定电压，输出电阻低。稳定电压，输出电阻低。稳定电压，输出电阻低。稳定电压，输出电阻低。判断反馈类型例判断反馈类型例2 21 1、确定反馈支路、确定反馈支路、确定反馈支路、确定反馈支路2 2、正、负反馈、正、负反馈、正、负反馈、正、负反馈R RF F R R1 1支路支路支路支路3 3、电压、电流反馈、电压、电流反馈、电压、电流反馈、电压、电流反馈电压反馈电压反馈电压反馈电压反馈4 4、并联、串联反馈、并联、串联反馈、并联、串联反馈、并联、串联反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈+u uf f+u ud du uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+R RL L 同相输入同相输入i i1 1i if f i id du uo oR RF Fu ui iR R2 2R R1 1+R RL L i id d=i i1 1 i if f 负反馈负反馈负反馈负反馈并联反馈并联反馈并联反馈并联反馈 特点：特点：特点：特点：稳定电压，输出电阻低。稳定电压，输出电阻低。稳定电压，输出电阻低。稳定电压，输出电阻低。判断反馈类型例判断反馈类型例3 31 1、确定反馈支路、确定反馈支路、确定反馈支路、确定反馈支路2 2、正、负反馈、正、负反馈、正、负反馈、正、负反馈R RF F支路支路支路支路3 3、电压、电流反馈、电压、电流反馈、电压、电流反馈、电压、电流反馈电压反馈电压反馈电压反馈电压反馈4 4、并联、串联反馈、并联、串联反馈、并联、串联反馈、并联、串联反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈例例1：判断：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。是否负反馈，若是，判断反馈的组态。uoufube=ui-ufuc1ub2uc2uoufubeuc1ub2uc2+C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+ECuoui+T1T2Rf此电路是电流串联负反馈，此电路是电流串联负反馈，对直流不起作用。对直流不起作用。分析中用到了三极管的集电极与基极相位相分析中用到了三极管的集电极与基极相位相反这一性质。反这一性质。+C1RB1RC1RB21RB22RC2RE2RE1CEC3C2+ECuoui+T1T2Rfubeube47 这里分析的是交流信号，不要与直流信号混淆。这里分析的是交流信号，不要与直流信号混淆。分析中用到的电压、电流要在电路中标出。并分析中用到的电压、电流要在电路中标出。并且注意符号的使用规则。且注意符号的使用规则。如果反馈对交直流均起作用，可以用全量。如果反馈对交直流均起作用，可以用全量。当为交流反馈时，瞬时极性法所判断的也是当为交流反馈时，瞬时极性法所判断的也是相位相位的关系的关系。电路中两个信号的相位。电路中两个信号的相位不是同相就是反不是同相就是反相相，因此若两个信号都上升，它们一定同相；若，因此若两个信号都上升，它们一定同相；若另一个信号下降而另一个上升，它们一定反相。另一个信号下降而另一个上升，它们一定反相。48例例2：判断：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。是否负反馈，若是，判断反馈的组态。+UCCRCC2C1Rfuiuoiibif电压反馈电压反馈并联反馈并联反馈uoifib=i+ifuo此电路是电压并联负反馈，对直流也起作用。此电路是电压并联负反馈，对直流也起作用。例例3：判断：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的组态。是否负反馈，若是，判断反馈的组态。电流反馈电流反馈并联反馈并联反馈iE2uFiFiBuC1uB2uC1uB2iB2iE2uouiiiBiFuFRE2RfRE1RC1RC2+UCCiE27.2.3 负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响反馈电路的反馈电路的基本方程基本方程基本放大基本放大电路电路Ao反馈回路反馈回路F+一、对放大倍数的影响一、对放大倍数的影响Ao开环放大倍数开环放大倍数AF闭环放大倍数闭环放大倍数反馈深度反馈深度定义：定义：同相，所以同相，所以则有：则有：负反馈使放大倍数下降。负反馈使放大倍数下降。引入负反馈使电路的稳定性提高。引入负反馈使电路的稳定性提高。(2)中，中，(1)(3)若若称为深度负反馈，此时称为深度负反馈，此时在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。网络有关。二、改善波形的失真二、改善波形的失真Aouiuo加反馈前加反馈前加反馈后加反馈后ufuiudAoF+改善改善uouo三、对输入、输出电阻的影响三、对输入、输出电阻的影响1.串联负反馈使电路的输入电阻增加：串联负反馈使电路的输入电阻增加：2.并联负反馈使电路的输入电阻减小：并联负反馈使电路的输入电阻减小：例如例如:射极输出器射极输出器理解：理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。一个电阻，故输入电阻增加。理解：理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路，故输入电阻减小。一条支路，故输入电阻减小。3.电压负反馈使电路的输出电阻减小：电压负反馈使电路的输出电阻减小：例如例如:射极输出器射极输出器理解：理解：电压负反馈目的是阻止电压负反馈目的是阻止 uo的变化，稳定的变化，稳定输出电压。输出电压。放大电路空载时放大电路空载时可等效右图框中可等效右图框中为电压源：为电压源：输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。roesouoRL理解：理解：电流负反馈目的是阻止电流负反馈目的是阻止 io的变化，稳定的变化，稳定输出电流。输出电流。放大电路空载时放大电路空载时可等效为右图框可等效为右图框中电流源：中电流源：输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。4.电流负反馈使电路的输出电阻增加：电流负反馈使电路的输出电阻增加：roisoioRL四、对通频带的影响四、对通频带的影响引入负反馈使电路的通频带宽度增加：引入负反馈使电路的通频带宽度增加：fABo Ao AF BF 7.3 7.3 信号的运算与处理信号的运算与处理7.3.1 概述概述7.3.2 基本运算电路基本运算电路7.3.3 有源滤波器有源滤波器uiuo+UOM-UOMAo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入之输出与输入之间间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+Ao7.3.1 概述概述例：若例：若UOM=12V，Ao=106，则则|ui|12 V时，运放时，运放 处于线性区。处于线性区。线性放大区线性放大区由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的称其所谓的理想运放理想运放。理想运放的条件理想运放的条件虚短路虚短路放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。虚开路虚开路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点一、在分析信号运算电路时对运放的处理一、在分析信号运算电路时对运放的处理二、分析运放组成的线性电路的出发点二、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路虚短路虚开路虚开路放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关，可以分开分析可以分开分析。u+uo_+uIi信号的放大、运算信号的放大、运算有源滤波电路有源滤波电路运放线运放线性应用性应用1、比例运算电路比例运算电路7.3.2 基本运算电路基本运算电路作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。有关。i1=i2uo_+R2R1RPuii1i21.放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚开路虚开路一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路结构特点：结构特点：负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。入端，信号从反相端输入。虚开路虚开路2.电路的输入电阻电路的输入电阻ri=R1平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。RP=R1 /R2uo_+R2R1RPuii1i2为保证一定的输入为保证一定的输入电阻，当放大倍数电阻，当放大倍数大时，需增大大时，需增大R2，而大电阻的精度差，而大电阻的精度差，因此，因此，在放大倍数在放大倍数较大时，该电路结较大时，该电路结构不再适用。构不再适用。4.共模电压共模电压电位为电位为0 0，虚地，虚地输入电阻小、共模电压输入电阻小、共模电压为为 0 0 以及以及“虚地虚地”是反是反相输入的特点。相输入的特点。_+R2R1RPuii1i23.反馈方式反馈方式电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻很小！输出电阻很小！反相比例电路的特点：反相比例电路的特点：1.共模输入电压为共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比，因此对运放的共模抑制比要求低。要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是是0，因此带负载能力强。，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。输入电流有一定的要求。4.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。uo_+R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3M例：例：求求Au=?i1=i2虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但阻。但R3的存在，削弱了负反馈。的存在，削弱了负反馈。二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路_+R2R1RPuiuou-=u+=ui反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。电压串联负反馈。输入电阻高。虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反负反馈引到反相输入端，信号从同相端相输入端，信号从同相端输入。输入。虚开路虚开路同相比例电路的特点：同相比例电路的特点：3.共模输入电压为共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比因此对运放的共模抑制比要求高。要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是是0，因此带负载能力强。，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。由于串联负反馈的作用，输入电阻大。_+uiuo此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。器相同，但是电压跟随性能好。三、电压跟随器三、电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全输出电压全部引到反相输入端，信部引到反相输入端，信号从同相端输入。号从同相端输入。电压电压跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。2、加减运算电路加减运算电路作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比将若干个输入信号之和或之差按比例放大。例放大。类型：类型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。有关。一、反相求和运算一、反相求和运算R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。i12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。二、同相求和运算二、同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。-R1RF+ui1uoR21R22ui2此电路如果以此电路如果以 u+为输入为输入 ，则输出为：，则输出为：-R1RF+ui1uoR21R22ui2u+与与 ui1 和和 ui2 的关系如何？的关系如何？注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。单独调整。流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）虚开路）-R1RF+ui1uoR21R22ui2R左图也是同相求和运算左图也是同相求和运算电路，电路，如何求同相输入如何求同相输入端的电位？端的电位？提示：提示：1.虚开路：流入同相端的虚开路：流入同相端的电流为电流为0。2.节点电位法求节点电位法求u+。三、单运放的加减运算电路三、单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：解出：单运放的加减运算电路的特例：差动放大器单运放的加减运算电路的特例：差动放大器_+R2R1R1ui2uoR2ui1差动放大器放大了两个信号的差，但是它的差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入这是由于反相输入造成的。造成的。例：例：设计一个加减运算电路，设计一个加减运算电路，RF=240k，使使uo=10ui1+8ui2-20ui3解解:(1)画电路。画电路。系数为负的信系数为负的信号从反相端输号从反相端输入，系数为正入，系数为正的信号从同相的信号从同相端输入。端输入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3(2)求各电阻值。求各电阻值。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3uo=10ui1+8ui2-20ui3优点：优点：元件少，成本低。元件少，成本低。缺点：缺点：要求要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不阻值的调整计算不方便。方便。单运放的加减运算电路单运放的加减运算电路改进：改进：采用双运放电路。采用双运放电路。四、双运放的加减运算电路四、双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6例：例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现有信号变化范围为现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为抬高电路，将其变化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路电平抬高电路A/D计算机计算机uiuouo=0.5ui+2.5 Vuo=0.5ui+2.5 V =0.5(ui+5)V_+10k 20k+5V5k ui20k uo1uo_+20k 20k 10k 1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。压小。比例运算电路与加减运算电路小结比例运算电路与加减运算电路小结3、微分运算电路与积分运算电路微分运算电路与积分运算电路u=u+=0uit0t0uou i+uoRR2i1iFC若输入：若输入：则：则：一、微分运算一、微分运算i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。ui-+RR2Cuo二、积分运算二、积分运算应用举例应用举例1 1：tui0tuo0U-UomTM积分时限积分时限应用举例应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。饱和。思考：思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样，请如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。自己计算。运放实验中请自己验证。其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。授内容。积分电路的主要用途：积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。转换中，将电压量变为时间量。4.移相。移相。运算电路要求运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用会用“虚开路虚开路(ii=0)”和和“虚短路虚短路(u+=u)”分分析给定运算电路的析给定运算电路的 放大倍数。放大倍数。