第3章集成运算放大器00001

第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.1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.输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器中间级中间级 电压放大器电压放大器偏置电路偏置电路 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级输出输出反相反相输入输入同相同相输入输入+UCCuo+- -UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器uiuou+u+ +7.112345678+UCC空空脚脚输出输出端端调零调零电位器电位器反相反相输入输入同相同相输入输入- -UEE调零调零电位器电位器信号传信号传输方向输方向运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数 ui = u u+或或 ui = u+ u A运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.1（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数 Auo；( Auo 104 ) 运放线性工作状态下的差模电压放大倍数运放线性工作状态下的差模电压放大倍数（2）开环差模输入电阻）开环差模输入电阻 rid； ( rid 105 )（3）开环输出电阻）开环输出电阻 ro； ( ro 104，或，或80dB )（6）通频带）通频带 fBW 运放的性能指标用以下参数来表示，运放的参数繁运放的性能指标用以下参数来表示，运放的参数繁多，只介绍涉及差模特性和共模特性的主要参数。多，只介绍涉及差模特性和共模特性的主要参数。 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.11. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Auo 2. 开环差模输入电阻开环差模输入电阻 rid 3. 开环输出电阻开环输出电阻 ro 04. 共模抑制比共模抑制比 KCMR 5. 通频带通频带 fBW 运放的理想化模型是一组理想化的参数，运放的理想化模型是一组理想化的参数，是将实际运放等效为理想运放的条件。是将实际运放等效为理想运放的条件。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.1 定义：定义：uo= f ( ui )，其中其中 ui = u+ u UOMUOMuoui0UOMUOMUimUimuiuo0uiuou+u+ +线性区线性区非线性区非线性区在开环条件下，运放的线性区非常窄，在开环条件下，运放的线性区非常窄，Uim为为 V量级。量级。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.1相当于相当于两输入端之间两输入端之间短路短路。对于理想运放对于理想运放 rid 即即 相当于相当于两输入端之间两输入端之间断路断路。有有 +iiuiriduo +iiuiuo +idiirui uoo-iAuuuu 对于理想运放对于理想运放 Auo ，ui 0运放在线性区运放在线性区符合运算关系符合运算关系第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.1因为存在负反馈信号因为存在负反馈信号, 同相输入同相输入端端 由由“虚断路虚断路”原则原则 ii = 0 , 有有 u+= 0 当同相输入端接地时，当同相输入端接地时，由由“虚短路虚短路”原则原则u+iiuo +R1RFR2u_ui+iiuo +R1RFR2u_u+ui当反相输入端接地时当反相输入端接地时,运放工作在运放工作在状态的必要条件：状态的必要条件：第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.1“虚断路虚断路”原则仍然成立。原则仍然成立。对于理想运放对于理想运放相当于两输入端之间相当于两输入端之间 断路断路 注意注意: “虚短路虚短路”原则原则 有有 +iiuiuo +当输入信号变化时，输出信号并不随之变化。当输入信号变化时，输出信号并不随之变化。UOM = VCC (12 )VUOMUOMUimUimuiuo0线性区线性区非线性区非线性区第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2由虚断路由虚断路 id 0加上深度负反馈加上深度负反馈得输出与输入的关系得输出与输入的关系i1ifidauouiR2R1RF +对对a点列点列KCL方程方程 i1= id + if ifi1FouRRu 由虚地由虚地,1i1Rui FofRui 代入方程代入方程 i1= if第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2得闭环电压放大倍数得闭环电压放大倍数平衡电阻平衡电阻若取若取 R1 = RF 电路成为反相器电路成为反相器 uo = uiAuf = 1放大倍数放大倍数uouiR2R1RF +i1ifidai1FouRRu 1FioufRRuuA 在静态时，从运放在静态时，从运放的两个输入端向外看的两个输入端向外看去去所接的电阻应相等所接的电阻应相等 。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2代入代入 if = i1由给定条件由给定条件RF R4，可忽略可忽略RF在输出回路在输出回路对对R4 的分流作用的分流作用反相比例运算电路如图，反相比例运算电路如图，设设: RFR4 ，求，求Auf。uouiR2R1RF +i1ifidaR4R3uo+得得o434ouRRRu 由虚地由虚地,1i1Rui FofRui 有：有： 431Fiouf1RRRRuuA第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2由虚断路由虚断路 id = 0，有，有 u+ = ui 由虚短路由虚短路 u+ = u 由分压关系由分压关系闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数 平衡电阻平衡电阻of11f-uRRRuu 故有故有i1F1Fo11uRRuRRu 1Fiouf1RRuuAuouiR2R1RF + uf +idu+uof11fiuRRRuu 得得第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2 可得可得 uoui +由虚短路由虚短路 u+ = u 电压放大倍数电压放大倍数 具有射极输出器的所有优点具有射极输出器的所有优点1. 输出电压输出电压uo 与输入电压与输入电压ui同相且相等，故称为同相同相且相等，故称为同相 跟随器或电压跟随器，而且性能更加优良。跟随器或电压跟随器，而且性能更加优良。2. 同相跟随器的输入电阻很高（约为运放的开环输入同相跟随器的输入电阻很高（约为运放的开环输入 电阻），几乎不从信号源吸取电流；电阻），几乎不从信号源吸取电流；3. 输出电阻很低，带负载能力强。输出电阻很低，带负载能力强。 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2ui2ui1ui2i11FouRRu uRRu1Fo12i3231F1uRRRRR ui1 单独作用时，输出分量为单独作用时，输出分量为ui2 单独作用时，输出分量为单独作用时，输出分量为ui1 和和 ui2 共同作用时，输出为共同作用时，输出为1i1F2i3231Fooo1uRRuRRRRRuuu ui1RF R2R1 +u+R3uo平衡电阻平衡电阻第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器1. 反相输入反相输入 2. 同相输入同相输入3. 差动输入差动输入再代入再代入KCL方程，导出方程，导出 uo与与 ui 的关系的关系再代入方程再代入方程 u+= u- - ，导出，导出uo与与ui的关系的关系利用虚地原则，导出利用虚地原则，导出 ui、uo与电流的关系，与电流的关系，利用虚断路原则，导出利用虚断路原则，导出 ui与与u+的关系，的关系，uo与与u- -的关系的关系利用叠加原理，分别求反相输入的输出分量利用叠加原理，分别求反相输入的输出分量 uo 和同相输入的输出分量和同相输入的输出分量 uo在输出端叠加在输出端叠加 uo= uo + uo以上分析方法不仅可用于比例运算，也可用于其它线性电路以上分析方法不仅可用于比例运算，也可用于其它线性电路.7.2第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2 在集成运放发展的早期，主要用于模拟计算机的加、减、在集成运放发展的早期，主要用于模拟计算机的加、减、乘、除、积分、微分、对数和指数等各种运算，故将乘、除、积分、微分、对数和指数等各种运算，故将“运算运算放大器放大器”的名称保留至今。下面通过例题说明的运放线性应的名称保留至今。下面通过例题说明的运放线性应用。用。电路如图，电路如图，试推导其试推导其运算关系式；运算关系式； 并根据并根据 ui 波形，画出波形，画出uo的波形。的波形。由虚地由虚地,1i1Rui dtduCdtduCioFCFFf R1CFR2+uoA2ui i1if+ uCF 代入代入 i1 = if ，并整理，得，并整理，得dtuCRu iF1o1反相积分电路反相积分电路 当输入为方波时，在输出电压的当输入为方波时，在输出电压的线性范围内，输出为三角波。线性范围内，输出为三角波。uiuo解解：第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2求输出信号求输出信号 uo 与输入信号与输入信号 ui 的运算关系式的运算关系式(设设R1= R2) 。 i22Fi11F1ouRRuRRuA1：反相加法运算；：反相加法运算；A2：反相积分运算：反相积分运算dtuCRu 1o4o1 dtuuCRRRi2i141FR1RFR2R4CR5+uoui1A2A1R3uo1 ui2 i2i11FuuRR 解：解：第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2求输出信号求输出信号 uo 与输入信号与输入信号 ui 的运算关系式；的运算关系式； 并根据并根据 ui 波形，画出波形，画出 uo 的波形。的波形。解：解：RFC1R+uouiA2 i1if 反相微分运算反相微分运算,i11dtduCi 由虚地，有由虚地，有FofRui 代入代入 i1 = if ，并整理，得，并整理，得 当输入为方波时，在输出电压的当输入为方波时，在输出电压的线性范围内，输出为尖脉冲。线性范围内，输出为尖脉冲。dtduCRui1Fo uiuo第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器解：解：利用叠加原理：利用叠加原理：7.21 i4312o1uRRRRu 2i4321212o11uRRRRRRRu 当当ui1、ui2分别作用时，有分别作用时，有2i43121uRRRR 1 i2i4312ooo1uuRRRRuuu 当当 ui1、ui2共同作用共同作用 43121 i2iou1RRRRuuuA电路如图，电路如图，试推导其电压放大倍数为试推导其电压放大倍数为 。1 i2iouuuuA 放大倍数放大倍数uoR1+A1R4ui1 +A2R3R1ui2R2R2 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器PID调节器电路如图，推导调节器电路如图，推导 uo 与与 ui 的运算关系式。的运算关系式。整理得整理得i1 = iC1+ iR1 uo= uRF + uCF代入代入 i1 = if 解：解：由由KCL由虚地由虚地dtduCRuii11i1 由由KCLdtiCRiu fFFfo1dtdtduCRuCRdtduCRuu i11iFFi11io1 dtuCRdtduCRuCCRRuiF1i1FiF11Fo17.2uoRC1 +uiRFCFR1 i1iC1iR1if+ uRF + uCF 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器PID调节器电路如图，推导调节器电路如图，推导 uo 与与 ui 的运算关系式。的运算关系式。 dtuCRdtduCRuCCRRuiF1i1FiF11Fo17.2：若将：若将 RF 短路，则有短路，则有 dtuCRuCCuiF1iF1o1电路成为电路成为。若将若将 CF 短路，则有短路，则有uCF= 0，有有 dtduCRuRRui1Fi1Fo电路成为电路成为。uoRC1 +uiRFCFR1 i1iC1iR1if+ uRF + uCF 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.2测量放大器电路如图，推导测量放大器电路如图，推导 uo 与输入的运算关系式。与输入的运算关系式。解：解： 第一级由第一级由A1和和A2组成同相并联差动运组成同相并联差动运算电路，有很好的对算电路，有很好的对称性，第二级称性，第二级A3为减为减法运算电路。法运算电路。 由虚短路由虚短路 uA = u1 = ui1uB = u2 = ui2 o1o21P1Pi1i2ABuuRRRRuuuu o1o2FouuRRu i1i2P1Fo21uuRRRRu 调整调整RP , 可改变电路可改变电路的电压放大倍数。的电压放大倍数。uoRP R1 +R1RRFuo2AB +ui1A1 +A2A3ui2uo1RRF第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3AFxoxixdxf xi 总输入信号总输入信号xd 净输入信号净输入信号放大电路放大电路反馈网络反馈网络开环：信号只有正向传输开环：信号只有正向传输闭环：信号既有正向传输，也有反向传输，即存在反馈。闭环：信号既有正向传输，也有反向传输，即存在反馈。xo 输出信号输出信号xf 反馈信号反馈信号 x 既可以是电压，也可以是电流。既可以是电压，也可以是电流。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3闭环放大倍数闭环放大倍数的一般表达式的一般表达式1+ AF 称为反馈深度称为反馈深度AF 称为环路增益称为环路增益AFxoxixdxf AFAxxxxxx 1/dfdddofdoiofxxxxxA 正反馈正反馈 xd = xi + xf负反馈负反馈 xd = xi xf开环放大倍数开环放大倍数doxxA 反馈系数反馈系数ofxxF 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3闭环放大倍数闭环放大倍数的一般表达式的一般表达式1+ AF 称为反馈深度称为反馈深度AF 称为环路增益称为环路增益AFxoxixdxf AFAxxxxxx 1/dfdddofdoiofxxxxxA 正反馈正反馈 xd = xi + xf负反馈负反馈 xd = xi xf开环放大倍数开环放大倍数doxxA 反馈系数反馈系数ofxxF 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3当当 1+ AF 1 时，（即深度负反馈）时，（即深度负反馈）FAFAAFAA11f 的闭环放大倍数的闭环放大倍数闭环放大倍数闭环放大倍数的一般表达式的一般表达式1+ AF 称为反馈深度称为反馈深度AF 称为环路增益称为环路增益AFxoxixdxf AFAxxA 1iof开环放大倍数开环放大倍数doxxA 反馈系数反馈系数ofxxF 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3电压反馈电压反馈输出端输出端电流反馈电流反馈输入端输入端串联反馈串联反馈并联反馈并联反馈主要分析交流负反馈的类型及其判别。主要分析交流负反馈的类型及其判别。+AFRLuo+uS+ui+udufRS+12342 1 3 4 在在2-2 ，反馈网络，反馈网络 F 与放与放大电路大电路A相并联，即输出电相并联，即输出电压压 uo加在加在F 的输入端的输入端 3-3 ，故必有反馈网络的输出信号故必有反馈网络的输出信号 uf uo，uf的变化也必然反映的变化也必然反映uo的变化。的变化。将这种对输出电压进行采样的反馈方式称为将这种对输出电压进行采样的反馈方式称为。电压负反馈稳定输出电压。电压负反馈稳定输出电压。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3+AFRLuo+uS+ui+udufRS+12342 1 3 4 在放大电路的输入端，在放大电路的输入端，反馈信号与输入信号相串反馈信号与输入信号相串联，并均以电压形式出现联，并均以电压形式出现进行比较进行比较, 故为故为。ud = ui uf当三个电压极性相同时，有当三个电压极性相同时，有 ud ui 。 串联负反馈的反馈效果与串联负反馈的反馈效果与RS有关，有关，RS越小，越小，uS 越接近越接近恒压源，输入电压恒压源，输入电压 ui 越稳定，越稳定，uf 的变化对的变化对ud 的影响越大，的影响越大，反馈效果就越明显。特别是当反馈效果就越明显。特别是当RS = 0 时，时，uf 的变化全部转的变化全部转化成化成 ud 的变化，反馈效果最好。的变化，反馈效果最好。 反馈的加入使净输入信号减小，故为反馈的加入使净输入信号减小，故为。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3将电路与负反馈框图对比可见：将电路与负反馈框图对比可见：ud uf +RL+R1R2RF+uoA+ui+ ud+ + ufRLR1R2RF+uoA+ui+ +AFRLuo+uS+ui+udufRS+12342 1 3 4 运放为基本放大电路运放为基本放大电路A，反馈，反馈网络网络F 由电阻由电阻RF和和R1串联组成。串联组成。 总输入电压总输入电压 ui、反馈电压、反馈电压 uf 、和净输入电压和净输入电压ud，三者均以电压，三者均以电压形式出现形式出现 故为故为串联反馈串联反馈；uf 与与uo 成正比成正比 为为电压反馈电压反馈;第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3ud+ + ufRLR1R2RF+uoA+ui+ +AFRLuo+uS+ui+udufRS+12342 1 3 4 oF11fuRRRu 反馈电压反馈电压将输出电压的一部分送回到将输出电压的一部分送回到输入端。在输入回路，三个输入端。在输入回路，三个电压均为真实极性，有电压均为真实极性，有ud = ui uf ui 为为负反馈负反馈反馈系数反馈系数F11ofRRRuuF 由于引入深度负反馈由于引入深度负反馈1F1F111fRRRRRFA 此式与前边的推导相同。此式与前边的推导相同。反馈类型：反馈类型：第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3AFRL+uo+RSifiSiiidui 从输入端分析，反馈网络输从输入端分析，反馈网络输出端与放大器输入端相并联，出端与放大器输入端相并联，反馈信号与输入信号进行并联反馈信号与输入信号进行并联比较，故为并联反馈。输入端比较，故为并联反馈。输入端从输出端分析仍为电压反馈；从输出端分析仍为电压反馈；当三个电流的实际方向与图中的假定方向相同时，有当三个电流的实际方向与图中的假定方向相同时，有id ii if 的引入使净输入电流减小，故为负反馈。的引入使净输入电流减小，故为负反馈。三个信号必定以电流三个信号必定以电流 if 的形式出现，其关系为的形式出现，其关系为 id = ii if 。 并联负反馈的反馈效果与信号源内阻并联负反馈的反馈效果与信号源内阻RS有关，有关，RS的阻值的阻值越大越大, 信号源越接近恒流源，输入电流信号源越接近恒流源，输入电流 ii 越稳定。特别是当越稳定。特别是当RS 开路时，开路时，if 的变化全部转化成的变化全部转化成 id 的变化，反馈效果最好。的变化，反馈效果最好。 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3FRL +R1R2RF+uoAiiidif+ui+ab：反馈类型为：反馈类型为 。 放大电路放大电路A仍为运放；仍为运放；反馈网络反馈网络F由电阻由电阻RF构成，构成，它将输出电压转换成反馈它将输出电压转换成反馈电流电流 if。由。由“虚地虚地” ，有，有FofRui uo 为为电压反馈电压反馈 输入端三个量均以电流形输入端三个量均以电流形式出现，故为式出现，故为并联反馈。并联反馈。id = ii ifif 的真实极性为从的真实极性为从ab，有，有 ii 为为负反馈负反馈AFRL+uo+RSifiSiiidui第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器 在输出端，反馈网络与放大电在输出端，反馈网络与放大电路为串联，反馈信号取自输出路为串联，反馈信号取自输出电流电流io (即负载即负载RL中的电流中的电流), 形形成电流反馈，因此构成电流串联负反馈。成电流反馈，因此构成电流串联负反馈。7.3+AFRLuo+uS+ui+udufRS+io由由“虚断路虚断路” ，有，有 iR1 ioioiR1ud+ + ufRLR1R2A+ui+ + uo电流负反馈能够稳定输出电流电流负反馈能够稳定输出电流。反馈电压为反馈电压为 uf = iR1R1 io R1uf io 为为电流反馈；电流反馈；ud = ui uf ui 为串联负反馈为串联负反馈：反馈类型为：反馈类型为 。从输入端分析为串联负反馈。从输入端分析为串联负反馈。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3AF+RSifiSiiiduiRLuo+io 由以上三种反馈类型的分由以上三种反馈类型的分析结论及框图中输入、输出析结论及框图中输入、输出回路的联接方式可看出，其回路的联接方式可看出，其反馈类型为电流并联负反馈。反馈类型为电流并联负反馈。 +uoRFR2R1 +ifRRL+uRioiiidiR+ui反馈网络由反馈网络由RF和采样电阻和采样电阻R组成。组成。 设设RF R，有，有if io，可认为，可认为在输出端在输出端 uR= ( io+ if ) R io R由由“虚地虚地”oFoFRfiRRiRui 在输入端在输入端 id = ii if ii：反馈类型为：反馈类型为 。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3 对于单级运放，若反馈元件从运放输出端连接到反相对于单级运放，若反馈元件从运放输出端连接到反相输入端时，构成负反馈。这是由于输出信号与输入信号极输入端时，构成负反馈。这是由于输出信号与输入信号极性相反，必然削弱输入信号，使性相反，必然削弱输入信号，使xd xi，因此形成正反馈。，因此形成正反馈。 对于多级电路，则需用瞬时极性法进行判别对于多级电路，则需用瞬时极性法进行判别 (见例题见例题)。 反馈类型的判别：是指判别正、负反馈；串联、并联反馈类型的判别：是指判别正、负反馈；串联、并联反馈；电压、电流反馈，重点讨论交流反馈类型的判别。反馈；电压、电流反馈，重点讨论交流反馈类型的判别。 若已判定某反馈为正反馈，则不必进行其他反馈类型若已判定某反馈为正反馈，则不必进行其他反馈类型的判别；的判别；只有只有判定判定为负反馈时，才需要判别其反馈类型。为负反馈时，才需要判别其反馈类型。 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器 一般来说，若一般来说，若xf 与与 xi分别接到运放的两个输入端时分别接到运放的两个输入端时, 二者二者必以电压形式在输入端进行比较，即净输入信号必以电压形式在输入端进行比较，即净输入信号ud = ui uf。所以凡以电压形式进行比较的，即是所以凡以电压形式进行比较的，即是； 若若 xf 与与 xi 接到运放的同一个输入端时，二者必以电流分接到运放的同一个输入端时，二者必以电流分流的形式在输入端进行比较流的形式在输入端进行比较, 即净输入信号即净输入信号id = ii if。所以凡。所以凡以电流形式在进行比较的，即是以电流形式在进行比较的，即是。 在放大电路输出端，根据反馈信号的采样方式来区别在放大电路输出端，根据反馈信号的采样方式来区别电压负反馈或电流负反馈。电压负反馈或电流负反馈。 一种简单的判别方法：设将负载一种简单的判别方法：设将负载 RL两端对交流短路，两端对交流短路，或在负载或在负载 RL上并联一个大容量电容，使输出电压上并联一个大容量电容，使输出电压 uo= 0，7.3第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器将输出端负载两端短路，或在负载将输出端负载两端短路，或在负载 RL上上并联一个大容量电容，使输出电压并联一个大容量电容，使输出电压 uo= 0。7.3CuiR2R1RF +RL uo+Cuo+uiR2R1RF +RRLio第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3CioRF5RF2R4R3 +RF1R2R1 +uo1A1A2RF3R6R5 +A3RF4RLR uf +uouo2ifii+uRid+ud+ui判断电路中的反馈元件及其反馈类型。判断电路中的反馈元件及其反馈类型。+ 反馈元件反馈元件及反馈类型及反馈类型级间反馈级间反馈局部反馈局部反馈利用瞬时极性法判断级间反馈性质利用瞬时极性法判断级间反馈性质: 标出各级的瞬时极性标出各级的瞬时极性.RF1RF2RF3RF4RF5, R, R2 电压并联负反馈电压并联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈 电流并联负反馈电流并联负反馈 电流串联负反馈电流串联负反馈 电压并联负反馈电压并联负反馈第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器反馈类型：串联反馈类型：串联 电压电压 负反馈负反馈电流电流反馈类型的判别反馈类型的判别uiuoA1A2+uoRF1R1R2RFR4R3R5R6RF2RLuf 与与uo 成正比成正比io+ + uf + ud +7.3第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3 负反馈的引入稳定了放大器的输出信号，在输入信负反馈的引入稳定了放大器的输出信号，在输入信号不变的情况下，提高了放大倍数的稳定性。号不变的情况下，提高了放大倍数的稳定性。负反馈降低了放大倍数负反馈降低了放大倍数, ,但也带来放大器性能的改善。但也带来放大器性能的改善。对对闭环放大倍数闭环放大倍数 中的中的 A求导：求导：AFAA 1f AAAFAFAAAFAFdAdAf2f11111111 AdAAFAdA 11ff整理得整理得闭环放大倍数的稳定性比开环时提高了闭环放大倍数的稳定性比开环时提高了( (1+ AF) )倍。倍。相对变化量减小为相对变化量减小为AF 11AdAAdAff通常用相对变化量通常用相对变化量 和和 衡量放大倍数的稳定性。衡量放大倍数的稳定性。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.30.707Au0AufffHAuAuf0Au00.707Auf0fHffBWffBW：加入负反馈使放大器的通频带展宽。加入负反馈使放大器的通频带展宽。0放大器的幅频特性放大器的幅频特性 定性解释为：定性解释为：当输出信号减小，当输出信号减小，反馈信号也随之反馈信号也随之减小，净输入信减小，净输入信号相对增大，使号相对增大，使放大器输出信号放大器输出信号的下降程度减小，的下降程度减小，放大倍数相应提高。放大倍数相应提高。 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器 设设 ui 为正弦波，开环为正弦波，开环放大器发生非线性失真。放大器发生非线性失真。 加入负反馈以后，放加入负反馈以后，放大倍数下降，使输出信大倍数下降，使输出信号进入非线性区的部分号进入非线性区的部分减少，从而削弱减少，从而削弱了非线性失真。了非线性失真。7.3uf：负反馈改善了波形失真。负反馈改善了波形失真。AuouiF加入负反馈加入负反馈无负反馈无负反馈uoAuiuduiuf 改善失真的效改善失真的效果取决于失真的果取决于失真的严重程度和反馈严重程度和反馈深度的大小。深度的大小。 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器由由 uf = AF ud = (1+AF) ri riuiudufiiri+uiiiriidif+开环开环idiiur ifdiiifiuuiur 闭环闭环开环开环idiiur 由由 if = AF id闭环闭环fdiiiifiiuiur ii1rAFr 7.3第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器定性定性解释：电压负反馈稳定了输出电压，使放大器解释：电压负反馈稳定了输出电压，使放大器更趋向于恒压源，因而输出电阻减小。更趋向于恒压源，因而输出电阻减小。定性定性解释：电流负反馈稳定了输出电流，使放大器解释：电流负反馈稳定了输出电流，使放大器更趋向于恒流源，因而输出电阻增大。更趋向于恒流源，因而输出电阻增大。7.3第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3判断分压式偏置电路的反馈类型。判断分压式偏置电路的反馈类型。RB2CE+UCCRCC1C2TRL+RB1uo+ui+ReREuS+RS交流通路交流通路反馈电压反馈电压 uf = ie Re ic= io 电流反馈电流反馈净输入电压净输入电压 ud = ube = ui uf ui 负反馈负反馈 +uouS+icTR L+uf RSReieib+ube io+ui+输入端三个量均以电压形式出现输入端三个量均以电压形式出现 串联反馈串联反馈 Re 引入了引入了 交、直流串联电流负反馈。交、直流串联电流负反馈。画出交流通路，为简化分析，忽略了画出交流通路，为简化分析，忽略了RB1 和和RB2。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.3判断射极输出器的反馈类型。判断射极输出器的反馈类型。uf = uo ，输出电压全部反馈到输入端。，输出电压全部反馈到输入端。RE 引入了引入了是串联比较，是串联比较，且三者同相，且三者同相，uf 削弱了削弱了ube。 净输入信号净输入信号ud = ube = ui uf ui +UCCC1C2TRL+RBuo+ui+RERSuS+uf+ube故有故有 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.4将模拟输入信号将模拟输入信号ui与某参考电压与某参考电压UR 进行比较。进行比较。利用理想运放的电压传输特性利用理想运放的电压传输特性 uo= f ( ui )。用于波形产生和变换、模数转换及越限报警等场合用于波形产生和变换、模数转换及越限报警等场合运放大多处于开环状态或正反馈状态运放大多处于开环状态或正反馈状态据此来判断输入信号的大小和极性。据此来判断输入信号的大小和极性。由高电平由高电平 低电平低电平由低电平由低电平 高电平高电平当二者相等时当二者相等时, uo 产生跃变产生跃变第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.4UOMUOMuiuo0R1R2uoui+ 当当 ui 0 时，时，uo = UOM由理想运放开环的性质得由理想运放开环的性质得画出比较器的电压传输特性画出比较器的电压传输特性即即 ui 0 时，时，uo = UZ若接入双向稳压管若接入双向稳压管DZ (R3)，即可实现双向限幅。，即可实现双向限幅。UZUZR3UZDZ稳压值稳压值 (UZ+ UD) UZ第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器根据输入电压波形画出输出电压波形。根据输入电压波形画出输出电压波形。UOMUOM0uott00uiuiuoR1R2ui+ uoUOMUOM：1. 若在输出端加入限幅后，输出波形有何变化？若在输出端加入限幅后，输出波形有何变化？2. 若若ui 从同相端加入，输出波形有何变化？从同相端加入，输出波形有何变化？7.4第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.4UZDZR1R2uoui+ R3若加入参考电压若加入参考电压 UR，有，有0ui /Vuo /V设设UR= 5V和和3V， UZ = 8V，画出输出波形。，画出输出波形。8t80uo/VURui UR 时，时，uo = UZt0ui/V101053t880uo/V3885第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器电压电压 ui 即是即是电压比较器的门限电平电压比较器的门限电平UT。对于过零比较器对于过零比较器 门限电平门限电平 UT = 0 0u+ u 时，时，uo 0 ；输出端不接输出端不接 DZ时，时， uo = UOM输出端接输出端接 DZ 限幅时，限幅时，uo = UZu+ u 时，时，uo 0 ；对于电压比较器对于电压比较器 门限电平门限电平 UT = UR 7.4满足满足u+= u 时对应的输入时对应的输入第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.4UZUZUT2UT10uiuoR1R2uoui+ R3UZDZRF 过零比较器和电压比较过零比较器和电压比较器灵敏度高，但抗干扰能器灵敏度高，但抗干扰能力较差力较差。为此，在电路中。为此，在电路中加入正反馈，形成具有滞加入正反馈，形成具有滞回特性的比较器，可大大回特性的比较器，可大大提高比较器的抗干扰能力。提高比较器的抗干扰能力。 反相输入过零滞回比较器的反相输入过零滞回比较器的电压传输特性类似于磁滞回线，电压传输特性类似于磁滞回线，具有两个门限电平具有两个门限电平( (阈值电压阈值电压) )：当当uiUT1时时, uo从从UZ UZ：当当uiUT2到到ui 0 时，电压传输时，电压传输7.4第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5：信号发生器（或称振荡器）是一种不需要外加输入：信号发生器（或称振荡器）是一种不需要外加输入 信号即能产生一定频率和幅度的信号波形的电路。信号即能产生一定频率和幅度的信号波形的电路。：按输出波形分：按输出波形分正弦波发生器正弦波发生器非正弦波发生器非正弦波发生器方波发生器方波发生器三角波发生器三角波发生器锯齿波发生器锯齿波发生器正弦波正弦波振荡器振荡器按振荡频率分按振荡频率分按选频网络的按选频网络的组成元件分组成元件分低频振荡器低频振荡器高频振荡器高频振荡器RC 振荡器振荡器LC 振荡器振荡器石英晶体石英晶体振荡器振荡器RC 桥式电路桥式电路RC 移相式电路移相式电路双双T 型型RC电路电路第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器udS21uiuouf+ AF7.5 当放大器满足一定条件时当放大器满足一定条件时, ,不需外加输入信号不需外加输入信号, ,在输出端在输出端却有一定频率和幅度的信号产生却有一定频率和幅度的信号产生, ,这种现象称为自激振荡。这种现象称为自激振荡。 当当S合于合于1时，时， ui =ud当当S合于合于2后，如果满足：后，如果满足：uf = ui = ud_ 正反馈正反馈则输出电压保持不变。则输出电压保持不变。反馈系数反馈系数开环电压放大倍数开环电压放大倍数 设电路输出电压为正弦波，设电路输出电压为正弦波，各个电压均可用相量表示。各个电压均可用相量表示。doUUA ofUUF 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器相位和幅值条件必须同时满足相位和幅值条件必须同时满足, 才能产生等幅振荡。才能产生等幅振荡。所以自激振荡的条件为所以自激振荡的条件为S21uiuduouf+ AF由于有由于有反馈系数反馈系数开环电压放大倍数开环电压放大倍数doUUA ofUUF dfUU 1ofdo UUUUFA1 FA = A + F = 2n 即即 Uf = Ud，有，有(n = 0, 1, 2, )同相位，即同相位，即与与要求要求dfUU幅值相等幅值相等与与要求要求dfUU7.5第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5幅度特性幅度特性Uom=f (Ufm)Ufm1Uom1Ufm2Uom2AUfmUomo自激振荡的建立过程自激振荡的建立过程在在时应满足：时应满足：Uf Ud 开始上电时，电路中有开始上电时，电路中有一个小的扰动，引起一个小的扰动，引起输出输出Uom0，经正反馈产生，经正反馈产生Ufm1,再通过不断放大再通过不断放大反馈反馈再再放大放大再反馈，使振幅再反馈，使振幅Uom m不断增大不断增大, ,一直到达交一直到达交点点 A 时，才稳定下来。时，才稳定下来。Ufm3Uom0Uom3反馈特性反馈特性Ufm=FUom即即1 FA振荡器形成等幅振荡。振荡器形成等幅振荡。1 FA当满足：当满足：第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5（3）选频网络：决定了振荡频率）选频网络：决定了振荡频率 f0 的高低的高低（1）放大电路）放大电路（2）正反馈网络）正反馈网络三极管放大器、差动放大器和运放等三极管放大器、差动放大器和运放等电阻电阻 R、电感、电感 L、电容、电容C 和变压器等和变压器等RC电路、电路、LC电路和石英晶体等电路和石英晶体等由此构成由此构成RC振荡器、振荡器、LC振荡器、振荡器、和石英晶体振荡器等和石英晶体振荡器等第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5RC桥式桥式正弦波振荡器的选频网络采用正弦波振荡器的选频网络采用RC串并联电路。串并联电路。其电压放大倍数为其电压放大倍数为由运放构成由运放构成的同相比例运算电路的同相比例运算电路. .由由RC串并联电路组成，由串并联电路组成，由 uf 作为输入信号作为输入信号 ui。 +uoR2uiu+R1RF+ RCCRuf+选频选频电路电路1Fu1RRA 由由RC串并联电路组成串并联电路组成同相比例运算电路同相比例运算电路第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5U1(j )U2(j )RRCC+0 ( ) 0| T (j ) | 90 90 0 031频率特性频率特性 00 |T(j ) | ( ) 01/30 0 90 90 0311120 ，时，时，UURC（参见（参见3.6节）节）第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器RCf210 uou+R1RF+ RCCRuf+选频选频电路电路满足满足 = A + F = 0 的条件的条件 同相比例运算电路同相比例运算电路 A= 0 应使同相比例运算电路应使同相比例运算电路311Ffou RRUUA311of0 UUFRC时，时， 1 FA为满足为满足 的条件，的条件， 即即 RF = 2R1而而 RF 2R10311120 ，时，时，UURC7.5第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5 用具有负温度系数的热敏用具有负温度系数的热敏电阻电阻 RT 代替代替 RF。 如果选用具有正温度系数的热敏电阻，如果选用具有正温度系数的热敏电阻， 应接在何处？应接在何处？uou+R1RF+ RCCRuf+选频选频电路电路同相比例运算电路同相比例运算电路RT RT 的性质的性质为：当温度升高时，为：当温度升高时，RT的阻的阻值减小。使电路从开始满足值减小。使电路从开始满足起振条件起振条件 RF 2R1 ，到输出到输出电压幅值增大后自动满足等电压幅值增大后自动满足等幅振荡条件幅振荡条件 RF = 2R1。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5 实际的振荡电路常采用反向实际的振荡电路常采用反向并联的二极管作为稳幅电路。并联的二极管作为稳幅电路。 当当Uom较小时，较小时，D截止，电阻截止，电阻 R 作为负反馈电阻的一部分；作为负反馈电阻的一部分； 当当 Uom 较大时，较大时，D导通，电导通，电阻阻 R / RD R 改变了负反馈的改变了负反馈的强弱，实现了自动稳幅。强弱，实现了自动稳幅。uou+R1RF+ RCCRuf+选频选频电路电路同相比例运算电路同相比例运算电路D1RFD2R二极管稳幅的工作原理：二极管稳幅的工作原理：第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5 改变改变R或或 C 的数值均可的数值均可调节输出电压的频率调节输出电压的频率f0。 选频特性较差，波形不够好，选频特性较差，波形不够好，用于要求不高的场合。用于要求不高的场合。RRR1R1C1C2C3C4C5C1C2C3C4C5RCf210 电路简单成本低，调整电路简单成本低，调整方便，方便， f0可至甚低频。可至甚低频。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器1. 判断相位条件判断相位条件: 是否引入正反馈是否引入正反馈 2. 判断幅值条件：将判断幅值条件：将 f = f0 带入带入 AF 的表达式的表达式但增益太大，波形严重失真；但增益太大，波形严重失真；且振荡稳定，波形较好；且振荡稳定，波形较好；3. 求振荡频率求振荡频率f = f0 选频网络的固有频率选频网络的固有频率若若则电路不能产生振荡；则电路不能产生振荡；1 FA则电路能产生振荡，则电路能产生振荡，1FA则电路能产生振荡，则电路能产生振荡，FA 1 1 = A+ F = 2n (n = 0, 1, 2, )7.5第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5 uCRDZuoR2R1 + UZCR3+i充充i放放 电路由两部分组成：运放构电路由两部分组成：运放构成的滞回电压比较器和成的滞回电压比较器和 RC 充充放电回路构成的积分器。滞回放电回路构成的积分器。滞回电压比较器使运放形成正反馈电压比较器使运放形成正反馈,决定了输出电压的波形为方波决定了输出电压的波形为方波;RC充放电回路的参数决定了方充放电回路的参数决定了方波的周期。输出端的稳压管波的周期。输出端的稳压管 DZ起限幅作用，电阻起限幅作用，电阻 R3为为DZ 的限的限流电阻。流电阻。正反馈系数正反馈系数212RRRF 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5 UZ0 UZuot FUZuC0FUZT/2TT/2TtRDZuoR2R1 +uC UZCR3+i充充T1T2i放放设设 t = 0时刻：时刻：uo=UZ ，u+ = FUZ，uC = FUZ uo ，C 经经 R 向输出端放电向输出端放电, 至至 uC u+ = FUZ , uo 翻转翻转, 从从UZUZ , 如此循环往复，形成方波。如此循环往复，形成方波。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5 UZ0 UZuot FUZuC0FUZT/2TT/2TtT1T2周期周期幅度幅度 Uom = UZ 1221ln2RRRCTRDZuoR2R1 +uC UZCR3+占空比占空比TTD1 对方波发生器对方波发生器 D = 50%频率频率 f =1/T第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5uC(0) = FUZuC( ) = UZ = RCuC(t) = UZ FUZ UZet/RC1 F 1 eT/2RC =F得得 1221ln2RRRCTuC ( ) =UZ FUZ UZeT/2RC=FUZ2T212RRRF 代入代入FFRCT 11e/2-FFRCT 11ln2 UZ0 UZuot FUZuC0FUZT/2TT/2TtT1T2第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.5uC 和和uo的波形，并说明电路的功能。的波形，并说明电路的功能。RuoR2 UZR3R1DZCuCuoUZUZt0FUZFUZtuCD1RRP D2+ 0 为电容为电容C充电和放电设置不同的路径，则充、放电时间充电和放电设置不同的路径，则充、放电时间常数常数 充充 放放 ，所以输出电压正、负向宽度不相等。，所以输出电压正、负向宽度不相等。 i充充i放放+第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器 函数发生器是一种能产生多种信号波形的专用集成函数发生器是一种能产生多种信号波形的专用集成电路，如正弦波、方波、三角波、矩形波和锯齿波，而电路，如正弦波、方波、三角波、矩形波和锯齿波，而且占空比可调。因此广泛应用于生物医学工程和仪器仪且占空比可调。因此广泛应用于生物医学工程和仪器仪表领域。可将其归属于压控振荡器集成电路系列。表领域。可将其归属于压控振荡器集成电路系列。 5G 8038是函数发生器的典型产品。本节以单片集是函数发生器的典型产品。本节以单片集成电路成电路5G 8038为例，简要介绍函数发生器的结构、原为例，简要介绍函数发生器的结构、原理和应用。理和应用。7.5第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器7.514 13 12 11 10 9 81 2 3 4 5 6 7+UCC空脚空脚正弦波输出正弦波输出调频电压调频电压输入端输入端- -UEE / 地地外接电容外接电容三角波输出三角波输出空脚空脚正弦波失正弦波失真度调整真度调整矩形波输出矩形波输出正弦波失正弦波失真度调整真度调整调频偏置调频偏置电压端电压端占空比及占空比及频率调整频率调整 5G 8038即可采用双电源（即可采用双电源（11脚接负电源），也可以脚接负电源），也可以采用单电源（采用单电源（11脚接地），使其使用更加灵活方便。脚接地），使其使用更加灵活方便。 通过正弦波失通过正弦波失真度调整，可使真度调整，可使正正弦波的失真度小于弦波的失真度小于1%。 外接电容是为外接电容是为了抑制干扰。了抑制干扰。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器CIS1IS2QSI2I10117.5+UCCUEE /GND3CCUCC32UDSDRQCRf103 . 01 第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器23965478101112+UCCUEE /GNDR2CR1RLRP1RP2若调整若调整RP1，可得到不同占空比的矩形波和锯齿波。，可得到不同占空比的矩形波和锯齿波。7.5将将RP1增大时，电阻增大时，电阻R1、R2的阻值应相应减小。的阻值应相应减小。第第7章章 集成运算放大器集成运算放大器1. 集成运放的理想化模型及分析依据集成运放的理想化模型及分析依据2. 集成运放在模拟运算方面的应用集成运放在模拟运算方面的应用4. 电压比较器电压比较器3. 负反馈类型的判别及其对放大器性能的影响负反馈类型的判别及其对放大器性能的影响5. RC桥式正弦波振荡器桥式正弦波振荡器6. 方波发生器方波发生器小结小结