電工電子學(xué)第10章

1、第第1010章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 第第10章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 10.1 集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)算放大器概述 10.2 反饋的基本概念反饋的基本概念 10.3 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善 10.4 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器 10.5 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路 10.6 電壓比較器電壓比較器 10.7 RC正弦波震蕩電路正弦波震蕩電路 集成電路集成電路: 將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo) 體基片上。體基片上。 集成電路的優(yōu)點(diǎn)：集成電路的優(yōu)點(diǎn)： 工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、工作穩(wěn)定、使用方便、體

2、積小、重量輕、 功耗小。功耗小。 集成電路的分類：集成電路的分類： 模擬集成電路、數(shù)字集成電路；模擬集成電路、數(shù)字集成電路； 小、中、大、超大規(guī)模集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路； 10.1 集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)算放大器概述 集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 1. 電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方 向一致，溫度均一性好。向一致，溫度均一性好。 2. 電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千千 歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代 替或外接。

3、替或外接。 3. 幾十幾十 pF 以下的小電容用以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、 大電容要外接。大電容要外接。 4. 二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。 -UEE +UCC u+ uo u 反相反相 輸入端輸入端 同相同相 輸入端輸入端 T3 T4 T5 T1T2 IS 原理框圖：原理框圖： 輸輸 入入 級(jí)級(jí) 中中 間間 級(jí)級(jí) 輸輸 出出 級(jí)級(jí) 與與uo反相反相 與與uo同相同相 對(duì)輸入級(jí)的要求：對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量減小零點(diǎn)漂移盡量減小零點(diǎn)漂移, ,盡量提高盡量提高 KCMRR , , 輸入阻抗輸入阻抗 ri 盡可能大盡可能大。 對(duì)中間級(jí)的要求：

4、對(duì)中間級(jí)的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。 對(duì)輸出級(jí)的要求：對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足主要提高帶負(fù)載能力，給出足 夠的輸出電流夠的輸出電流io 。即輸出阻抗。即輸出阻抗 ro小。小。 集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu) （1）采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器，輸入級(jí)和第二）采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器，輸入級(jí)和第二 級(jí)一般采用差動(dòng)放大器。級(jí)一般采用差動(dòng)放大器。 （2）輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，以減）輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，以減 小輸入電流，增加輸入電阻。小輸入電流，增加輸入電阻。 （3）輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器，以進(jìn)行）輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器，以

5、進(jìn)行 功率放大，提高帶負(fù)載的能力。功率放大，提高帶負(fù)載的能力。 ri 大大: 幾十幾十k 幾百幾百 k 運(yùn)放的特點(diǎn)：運(yùn)放的特點(diǎn)： KCMRR 很大很大 ro ?。簬资。簬资?幾百幾百 A o 很很大大: 104 107 后面將運(yùn)放理想化：后面將運(yùn)放理想化： ri KCMMRR ro 0 0 Ao 運(yùn)放符號(hào)：運(yùn)放符號(hào)： u u+ uo u u+ uo Ao 日本符號(hào)日本符號(hào) 國(guó)際符號(hào)國(guó)際符號(hào) 集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 一、開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)一、開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod 無(wú)外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在無(wú)外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在 105 107之間。理想運(yùn)放

6、的之間。理想運(yùn)放的Aod為為 。 二、共模抑制比二、共模抑制比KCMMR 常用分貝作單位，一般常用分貝作單位，一般100dB以上。以上。 三、差模輸入電阻三、差模輸入電阻rid ri1M , 有的可達(dá)有的可達(dá)100M 以上。以上。 四、輸出電阻四、輸出電阻ro ro =幾幾 -幾十幾十 。 五、最大共模輸入電壓五、最大共模輸入電壓UIcmax 六、最大差模輸入電壓六、最大差模輸入電壓UIdmax 七、七、-3dB帶寬帶寬fH 運(yùn)放是直流放大器，運(yùn)放是直流放大器， 也可放大低頻信號(hào)，也可放大低頻信號(hào)， 不適用于高頻信號(hào)。不適用于高頻信號(hào)。 還有其他一些反映運(yùn)放對(duì)成性、零漂等的參還有其他一些反映運(yùn)

7、放對(duì)成性、零漂等的參 數(shù)。不再一一介紹。數(shù)。不再一一介紹。 ui uo +UOM -UOM Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在在輸出與輸入之輸出與輸入之 間間加負(fù)反饋加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。 ui uo _ + + Ao 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 CoOM EuU max 例：若例：若UOM=12V，Ao=106， 則則|ui|1： 結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)當(dāng) Ao 很大時(shí)，負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍很大時(shí)，負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍 數(shù)與運(yùn)放無(wú)關(guān)，只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反數(shù)與運(yùn)放無(wú)關(guān)，只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反 饋可以穩(wěn)定放大倍

8、數(shù)。饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。 FA A A o o F 1 F AF 1 10.2.1 負(fù)反饋的類型負(fù)反饋的類型 一、電壓反饋和電流反饋一、電壓反饋和電流反饋 電壓負(fù)反饋：電壓負(fù)反饋：可以可以穩(wěn)定輸出電壓穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻。、減小輸出電阻。 電流負(fù)反饋：電流負(fù)反饋：可以可以穩(wěn)定輸出電流穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻。、增大輸出電阻。 根據(jù)反饋所采樣的信號(hào)不同，可以分為電壓根據(jù)反饋所采樣的信號(hào)不同，可以分為電壓 反饋和電流反饋。反饋和電流反饋。 電壓反饋：電壓反饋：反饋信號(hào)取自輸出電壓信號(hào)。反饋信號(hào)取自輸出電壓信號(hào)。 電流反饋：電流反饋：反饋信號(hào)取自輸出電流信號(hào)。反饋信號(hào)取自輸出電流信號(hào)。 根據(jù)

9、反饋信號(hào)在輸入端與輸入信號(hào)比較形式根據(jù)反饋信號(hào)在輸入端與輸入信號(hào)比較形式 的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。 串聯(lián)反饋：串聯(lián)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)，即反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)，即反饋 電壓信號(hào)與輸入信號(hào)電壓比較。電壓信號(hào)與輸入信號(hào)電壓比較。 并聯(lián)反饋：并聯(lián)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，即反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，即反饋 信號(hào)電流與輸入信號(hào)電流比較。信號(hào)電流與輸入信號(hào)電流比較。 串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大；串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大； 并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。 二、串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋二、串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 三

10、、交流反饋與直流反饋三、交流反饋與直流反饋 交流反饋：交流反饋：反饋只對(duì)交流信號(hào)起作用。反饋只對(duì)交流信號(hào)起作用。 直流反饋：直流反饋：反饋只對(duì)直流起作用。反饋只對(duì)直流起作用。 若在反饋網(wǎng)絡(luò)中若在反饋網(wǎng)絡(luò)中串接隔直電容串接隔直電容，則可以隔斷，則可以隔斷 直流，此時(shí)反饋只對(duì)交流起作用。直流，此時(shí)反饋只對(duì)交流起作用。 在起反饋?zhàn)饔玫碾娮鑳啥嗽谄鸱答佔(zhàn)饔玫碾娮鑳啥瞬⒙?lián)旁路電容并聯(lián)旁路電容，可，可 以使其只對(duì)直流起作用。以使其只對(duì)直流起作用。 有的反饋只對(duì)交流信號(hào)起作用；有的反有的反饋只對(duì)交流信號(hào)起作用；有的反 饋只對(duì)直流信號(hào)起作用；有的反饋對(duì)交、饋只對(duì)直流信號(hào)起作用；有的反饋對(duì)交、 直流信號(hào)均起作用

11、。直流信號(hào)均起作用。 負(fù)負(fù) 反反 饋饋 交流反饋交流反饋 直流反饋直流反饋 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋 電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋 電流并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋 穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn) 負(fù)反饋的分類小結(jié)負(fù)反饋的分類小結(jié) 10.2.2 負(fù)反饋的分析方法負(fù)反饋的分析方法 分析步驟：分析步驟： 3. 是否負(fù)反饋？是否負(fù)反饋？ 4. 是負(fù)反饋！那么是何種類型的負(fù)反饋？是負(fù)反饋！那么是何種類型的負(fù)反饋？ （判斷反饋的組態(tài)）（判斷反饋的組態(tài)） 1. 找出反饋網(wǎng)絡(luò)（電阻）找出反饋網(wǎng)絡(luò)（電阻）,有否反饋。有否反饋。 2. 是交流反饋還是直流反饋？是交流反饋還是直流反饋？

12、 一、反饋類型的判斷一、反饋類型的判斷 電壓反饋與電流反饋判別方法：電壓反饋與電流反饋判別方法： 電壓反饋與電流反饋的判斷電壓反饋與電流反饋的判斷 令令RL=0即輸出短路，則即輸出短路，則u0=0，若反饋為零，說(shuō)明，若反饋為零，說(shuō)明 與反饋成比例，為電壓反饋；若反饋不為零，說(shuō)與反饋成比例，為電壓反饋；若反饋不為零，說(shuō) 明與明與i0=0成比例，為電流反饋。成比例，為電流反饋。 并聯(lián)反饋與串聯(lián)反饋判別方法：并聯(lián)反饋與串聯(lián)反饋判別方法： 并聯(lián)反饋：并聯(lián)反饋：反饋與輸入信號(hào)為同一端接入，反反饋與輸入信號(hào)為同一端接入，反 饋與輸入信號(hào)以電流形式比較。饋與輸入信號(hào)以電流形式比較。 串聯(lián)反饋：串聯(lián)反饋：反饋

13、與輸入信號(hào)為不同端，反饋與反饋與輸入信號(hào)為不同端，反饋與 輸入信號(hào)以電壓形式比較。輸入信號(hào)以電壓形式比較。 反饋直接引自運(yùn)放的輸出端，為反饋直接引自運(yùn)放的輸出端，為電壓反饋電壓反饋；反饋；反饋 引自負(fù)載電阻，為引自負(fù)載電阻，為電流反饋電流反饋。 并聯(lián)電壓負(fù)反饋并聯(lián)電壓負(fù)反饋 _ + + A0 Rf R1 R ui i1 if R u id _ + + A0 Rf R1 R ui if R u id 串聯(lián)電壓負(fù)反饋串聯(lián)電壓負(fù)反饋 反饋信號(hào)引到反相反饋信號(hào)引到反相 輸入端為負(fù)反饋輸入端為負(fù)反饋 串聯(lián)電流負(fù)反饋串聯(lián)電流負(fù)反饋 _ + + A0 Rf R1 R ui u f R i ud u R _

14、+ + A0 Rf R1 R ui u f R i ud u R 并聯(lián)電流負(fù)反饋并聯(lián)電流負(fù)反饋 判斷負(fù)反饋的方法判斷負(fù)反饋的方法瞬時(shí)極性法瞬時(shí)極性法 假設(shè)輸入端信號(hào)有一定極性的瞬時(shí)變化，依假設(shè)輸入端信號(hào)有一定極性的瞬時(shí)變化，依 次經(jīng)過(guò)比較、放大、反饋后，再回到輸入端，次經(jīng)過(guò)比較、放大、反饋后，再回到輸入端， 若輸入信號(hào)與原輸入信號(hào)的變化極性相反，則若輸入信號(hào)與原輸入信號(hào)的變化極性相反，則 為負(fù)反饋。反之為正反饋。為負(fù)反饋。反之為正反饋。 如果是電壓反饋，則要從輸入電壓的微小變化如果是電壓反饋，則要從輸入電壓的微小變化 開(kāi)始。如果是電流反饋，則要從輸入電流的微小變開(kāi)始。如果是電流反饋，則要從輸入

15、電流的微小變 化開(kāi)始?；_(kāi)始。 判斷時(shí)在輸入端要反映出反饋信號(hào)與輸入信號(hào)判斷時(shí)在輸入端要反映出反饋信號(hào)與輸入信號(hào) 的比較關(guān)系。的比較關(guān)系。 RB1 +EC RC C1 C2 T RB2RE uiuo 電路如下圖所示，如何分析反饋？電路如下圖所示，如何分析反饋？ RE接在輸入和輸出的公共支路接在輸入和輸出的公共支路,輸出信號(hào)由它反輸出信號(hào)由它反 映到輸入回路映到輸入回路,它是反饋元件。所以有反饋。它是反饋元件。所以有反饋。 用瞬時(shí)極性法判斷正、負(fù)反饋的過(guò)程：用瞬時(shí)極性法判斷正、負(fù)反饋的過(guò)程： ui uBE iE iERE uBE=(ui-REiE) 故為負(fù)反饋。且反饋信號(hào)故為負(fù)反饋。且反饋信號(hào)i

16、ERE與與ui串聯(lián)作用于凈輸入串聯(lián)作用于凈輸入 端，故為串聯(lián)反饋；由于反饋正比于端，故為串聯(lián)反饋；由于反饋正比于iE，為電流反，為電流反 饋。本圖既有交流又有直流反饋，饋。本圖既有交流又有直流反饋，CE起旁路作用。起旁路作用。 直流反饋，前以講過(guò)。直流反饋，前以講過(guò)。 對(duì)于單運(yùn)放，只要反饋信號(hào)接于反相輸入端，對(duì)于單運(yùn)放，只要反饋信號(hào)接于反相輸入端， 就是負(fù)反饋，否則是正反饋。對(duì)于多級(jí)運(yùn)放，則需就是負(fù)反饋，否則是正反饋。對(duì)于多級(jí)運(yùn)放，則需 用瞬時(shí)極性法判斷用瞬時(shí)極性法判斷. 當(dāng)為當(dāng)為交流反饋時(shí)，瞬時(shí)極性法所判斷的也是交流反饋時(shí)，瞬時(shí)極性法所判斷的也是相相 位的關(guān)系位的關(guān)系。電路中兩個(gè)信號(hào)的相位。

17、電路中兩個(gè)信號(hào)的相位不是同相就不是同相就 是反相是反相，因此若兩個(gè)信號(hào)都上升，它們一定同，因此若兩個(gè)信號(hào)都上升，它們一定同 相；若另一個(gè)信號(hào)下降而另一個(gè)上升，它們一相；若另一個(gè)信號(hào)下降而另一個(gè)上升，它們一 定反相。實(shí)際就是在同一時(shí)刻看輸出、輸入信定反相。實(shí)際就是在同一時(shí)刻看輸出、輸入信 號(hào)是增強(qiáng)或減弱作用，最終看凈輸入增加為正號(hào)是增強(qiáng)或減弱作用，最終看凈輸入增加為正 反饋；凈輸入減小為負(fù)反饋。直流時(shí)，不必如反饋；凈輸入減小為負(fù)反饋。直流時(shí)，不必如 此復(fù)雜。此復(fù)雜。 10.3 負(fù)反饋對(duì)放大電路的改善負(fù)反饋對(duì)放大電路的改善(影響影響) 基本放大基本放大 電路電路Ao d X o X 反饋回電反饋回

18、電 路路F f X i X + d o o X X A o f X X F fid XXX 反饋電路的反饋電路的 基本方程基本方程 一、對(duì)放大倍數(shù)的影響一、對(duì)放大倍數(shù)的影響 d o o X X A o f X X F fid XXX Ao 開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) AF閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù) FA o 1 反饋深度反饋深度定義：定義： FA A A o o F 1 則有：則有： oF AA負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。 引入負(fù)反饋使電路的穩(wěn)定性提高。引入負(fù)反饋使電路的穩(wěn)定性提高。 FA A A o o F 1FAA Ad A Ad oo o F F 1 1 (2) (3) 若若

19、1FAo 稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)稱為深度負(fù)反饋，此時(shí) F AF 1 在深度負(fù)反饋的情況下，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)關(guān)。在深度負(fù)反饋的情況下，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)關(guān)。 FA A A o o F 1 (1) 因?yàn)橐驗(yàn)?0 0 A F 二、改善波形的失真二、改善波形的失真 Ao ui uo 加反饋前加反饋前 加反饋后加反饋后 uf ui 改善改善 uo uoAo F + ud 三、對(duì)輸入、輸出電阻的影響三、對(duì)輸入、輸出電阻的影響 1. 串聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻增加：串聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻增加： ioif rFAr)1 ( 2. 并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻減?。翰⒙?lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻減小： )1

20、(FA r r o i if 例如例如:射極輸出器射極輸出器 理解：理解：串聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中串聯(lián)了串聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中串聯(lián)了 一個(gè)電阻，故輸入電阻增加。一個(gè)電阻，故輸入電阻增加。 理解：理解：并聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中并聯(lián)了并聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中并聯(lián)了 一條支路，故輸入電阻減小。一條支路，故輸入電阻減小。 3. 電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻減?。弘妷贺?fù)反饋使電路的輸出電阻減?。?)1 (FA r r o o of 例如例如:射極輸出器射極輸出器 理解：理解：電壓負(fù)反饋目的是阻止電壓負(fù)反饋目的是阻止 uo的變化，穩(wěn)定的變化，穩(wěn)定 輸出電壓輸出電壓。 放大電路空載時(shí)放大電路

21、空載時(shí) 可等效右圖框中可等效右圖框中 為電壓源：為電壓源： 輸出電阻越小，輸出電壓越穩(wěn)定，反之亦然。輸出電阻越小，輸出電壓越穩(wěn)定，反之亦然。 ro eso uoRL 理解：理解：電流負(fù)反饋目的是阻止電流負(fù)反饋目的是阻止 io的變化，穩(wěn)定的變化，穩(wěn)定 輸出電流輸出電流。 放大電路空載時(shí)放大電路空載時(shí) 可等效為右圖框可等效為右圖框 中電流源：中電流源： 輸出電阻越大，輸出電流越穩(wěn)定，反之亦然。輸出電阻越大，輸出電流越穩(wěn)定，反之亦然。 4. 電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻增加：電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻增加： ooof r )FA(r 1 roiso io RL 四、對(duì)通頻帶的影響四、對(duì)通頻帶的影響 引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加： oof BFAB)1 ( f A Bo Ao AF BF ri 大大: 幾十幾十k 幾百幾