第11章運算放大器

1、+VCCRBRCC1C2T 固定偏置共射極放大電路固定偏置共射極放大電路uiRSusuoRLVCCRCC1C2TRL+RB1uoRSusRB2RE+CE能夠自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點能夠自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點T+uiuoRSC1RBC2RERL+VCC靜態(tài)分析靜態(tài)分析動態(tài)分析動態(tài)分析估算法估算法圖解法圖解法微變等效電路法微變等效電路法圖解法圖解法11.1.111.1.1運算放大器的組成運算放大器的組成1. 元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；2. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替；二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替；3. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電阻的阻值受到限制，大

2、電阻常用三極管恒流源代替， 電位器需外接；電位器需外接；4. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感 和變壓器均需外接。和變壓器均需外接。集成運放是具有集成運放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的的直接耦合直接耦合放大器。放大器。 a. 集成運放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖集成運放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖輸入級輸入級 差動放大器差動放大器輸出級輸出級 射極輸出器或互補對稱功率放大器射極輸出器或互補對稱功率放大器中間級中間級 電壓放大器電壓放大器b. 集成運算放大器的符號集成運算放大器的符號uu+ uo u u+ uo反相反相輸入端輸入端同相

3、同相輸入端輸入端 ri 大大: :幾百幾百 k k 以上以上c.運放的特點：運放的特點：共模抑制比共模抑制比KCMR 很大很大 ro ?。簬资。簬资?幾百幾百 開環(huán)開環(huán)A o 很大很大:10:104 4 10 107 7理想理想運放：運放： ri KCMR ro 0 0Ao u u+ uo輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級-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T3T4T5T1T2ISd.原理框圖：原理框圖： 輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級+UCCUEE u+uo u反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端T3T4T5T1T2IS對輸入級的要求：對輸入

4、級的要求：盡量抑制零點漂移和共模噪聲盡量抑制零點漂移和共模噪聲 , , 增大輸入阻抗增大輸入阻抗 ri 。對中間級的要求：對中間級的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級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T3T4T5T1T2IS輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級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T3T4T5T1T2IS對輸出級的要求：對輸出級的要求：主要提高帶負載能力，即輸出主要提高帶負載能力，即輸出阻抗阻抗 ro小。給出足夠的輸出電流小。給出足夠的輸出電流io 。F007

5、電路原理圖電路原理圖信號測量放大器應(yīng)用舉例信號測量放大器應(yīng)用舉例 1. 運算放大器的電壓傳輸特性運算放大器的電壓傳輸特性 uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uiuo+2. 理想運放工作在理想運放工作在線性區(qū)線性區(qū)的分析依據(jù)的分析依據(jù)+iiuiriduO+uiiirid=對于理想運放對于理想運放:相當于兩輸入端之間相當于兩輸入端之間斷路斷路ii 0rid,2. 理想運放工作在理想運放工作在線性區(qū)線性區(qū)的分析依據(jù)的分析依據(jù)uiuO+相當于兩輸入端之間相當于兩輸入端之間短路短路ui 0,對于理想運放對于理想運放 u u+Auouo=uiu=u Auo+“虛斷路虛斷路”成立；

6、成立；3. 理想運放工作在理想運放工作在非線性區(qū)非線性區(qū)的分析依據(jù)的分析依據(jù)注意注意: u+ = u 輸出輸出u0只有兩種可能：只有兩種可能：u+u-時，時，u0= UOM;u+0 A0 uo uI開環(huán)開環(huán) A0 uo uIR1R2閉環(huán)閉環(huán)R1、R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)組成反饋網(wǎng)絡(luò)例：例：反饋極性的判斷：反饋極性的判斷：瞬時極性法瞬時極性法 先假設(shè)輸入端信號先假設(shè)輸入端信號在某一時刻對地的極性，在某一時刻對地的極性，依此向輸出端逐級判斷依此向輸出端逐級判斷電路中各相關(guān)點電位的電路中各相關(guān)點電位的極性或電流的流向，從極性或電流的流向，從而得到輸出信號的極性；而得到輸出信號的極性；再判斷出反饋信號的極再判

7、斷出反饋信號的極性，若反饋信號使基本性，若反饋信號使基本放大電路的凈輸入信號放大電路的凈輸入信號減小，則為負反饋，否減小，則為負反饋，否則為正反饋。則為正反饋。+R1 ，R2:引入負反饋引入負反饋+iiiFid uIR1 A0 uoR2R1R2R3RFDzuOuiUZ+RF, R2: 引入正反饋引入正反饋ud例：例：同相比例運算電路同相比例運算電路R2uiu oRLRFR1+ud+RF, R1:引入負反饋引入負反饋例：例：VCCRCC1C2TRL+RB1uoRSusRB2RE+CERE: 引入直流負反饋引入直流負反饋+例：例：uiuoR1RLRuf+-+ud+i0+R: 引入交直流負反饋引入交

8、直流負反饋例：例：+-R1R3R5A1A2R4R2+-vivo例：例：+R5：局部反饋：局部反饋+ 正反饋正反饋判斷反饋的極性判斷反饋的極性負反饋負反饋R1R3R5A1A2R4R2vivo例：例：+R2：全局反饋：全局反饋 判斷反饋的極性判斷反饋的極性AFxoxixdxf A= xo / xd開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)F= xf / xo反饋系數(shù)反饋系數(shù)Af = = xo xiA 1+ AF閉環(huán)放大倍數(shù)（負反饋）閉環(huán)放大倍數(shù)（負反饋）, AF0負負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)負反饋電壓串聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反

9、饋穩(wěn)定或提供靜態(tài)穩(wěn)定或提供靜態(tài)工作點工作點串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋：ui = = uid +uf例圖例圖uiuoR1RLRuf+-+ud+i0uf i0R并聯(lián)反饋：并聯(lián)反饋：ii = = iid + + if例圖例圖uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif oRF電壓反饋電壓反饋：例圖例圖uiuoRFRLR2R1+-i1idifuif oRF 0反饋信號取自輸出電壓反饋信號取自輸出電壓信號并與之成正比。信號并與之成正比。電流反饋電流反饋：例圖例圖uiuoR1RLRuf+-+ud+i0ufi0R 0反饋信號取自輸出電流反饋信號取自輸出電流信號并與之成正比。信號并與之成正比。 A0 uo+_+_ u

10、iRRL例例1：判斷反饋的組態(tài)。：判斷反饋的組態(tài)。串聯(lián)電流串聯(lián)電流+RR引入引入 交直流負交直流負反饋反饋iR2uu oRLRFR1例例2：判斷反饋的組態(tài)。：判斷反饋的組態(tài)。T+uiuoRSC1RBC2RERL+VCC+RE:串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋例例3：判斷反饋的組態(tài)。：判斷反饋的組態(tài)。+uoR2RF 引入極間：引入極間： 負反饋負反饋uf+串聯(lián)串聯(lián) 電流電流例例4：判斷反饋的組態(tài)。：判斷反饋的組態(tài)。RF 1 、RF2分別引入本極：分別引入本極： 并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋uiRRF1RF2N1N2N3uORF1并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋(級間級間)RF2串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反

11、饋(級間級間)例例5：判斷：判斷RF1、RF2引入的反饋組態(tài)。引入的反饋組態(tài)。do=XXAof=XXFfid=XXXAFAXXAf+=1iofXdXoXiX+則有：則有：AA fdfXX 、同相，所以同相，所以 AF 是正實數(shù)是正實數(shù)負反饋時，負反饋時，中中，在在 1 fAFAA+ += =dodo=XXXXXXAFff 射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電壓放大倍數(shù)較低就是因為電路中引入了負反饋。壓放大倍數(shù)較低就是因為電路中引入了負反饋。AFAA+ += =1f若若|AF| 1，稱為，稱為深度負反饋深度負反饋，此時：，此時：FA1f 1）. 串

12、聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增加：串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增加：ioifR)FA(R+= 1i iT+uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE: 電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋FArr0ifi1+ += =o0of)1(rFAr+ += =FArr0oof1+ += = 電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。 電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。T+uiuoRSC1RBC2RERL+VCCRE: 電壓串

13、聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋5. 改善波形的失真改善波形的失真uf加入加入負反饋負反饋無負反饋無負反饋FufAuiuo+uiduo大大小小uiA接近正弦波接近正弦波改善了波形失真改善了波形失真6. 對通頻帶的影響對通頻帶的影響引入負反饋使電路的通頻帶寬度增加：引入負反饋使電路的通頻帶寬度增加：bwobwff)FA(f+= 1fA(f)OAm0.707AmfLfHBWAf(f)Amf0.707AmffLffHfBWf理想運放工作在理想運放工作在線性區(qū)線性區(qū)的分析依據(jù)的分析依據(jù)+iiuiriduOii 0+ u u+RF引入深度負反饋引入深度負反饋uii1 = R1uif = oRFuo = ui RF

14、 R1故：故：uiuoi1ifRFR1R21. 反相比例運算電路反相比例運算電路由虛斷路：由虛斷路：i1 if且且 u+=0 ；稱：稱：“虛地虛地” u+ u = 0由由“虛短路虛短路”原則：原則：虛地：虛地：ui1 = iR1反相比例運算電路反相比例運算電路, ,設(shè)設(shè): RFR4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uouo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFRFRR1 12uiuo2. 同相比例運算電路同相比例運算電路ufRFR1 1 uo = 1+ u+ = 1+ ui RF

15、 R1 1虛斷路虛斷路id 0虛短路虛短路uiu =+uou = fR1R1 RF+u-u =+故有：故有：u-u = f_+ + uiuoiouuuu=+此電路是電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，此電路是電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與輸出電阻小，在電路中作用與射極輸出器射極輸出器相相同，但是電壓跟隨性能好。同，但是電壓跟隨性能好。電壓跟隨器電壓跟隨器理想運放工作在理想運放工作在線性區(qū)線性區(qū)的分析依據(jù)的分析依據(jù)+iiuiriduOii 0+ u u+uo = ui RF R1uiuoi1ifRFR1R2反相比例運算電路反相比例運算電路RFRR1 12uiuouf同相比例運算電

16、路同相比例運算電路 uo = 1+ ui RF R1 1F1u o3Pui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3if11.3.2 2uoRFR1R2R3利用疊加原理進行分析利用疊加原理進行分析ui1i2uu0=uo+u0= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R311.3.3 減法運算電路減法運算電路 11ui121例：例： 兩級反相輸入減法運算電路兩級反相輸入減法運算電路132212N2N1uoF1uRRR

17、RRRRi2F2uo= ui1 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2uo1uO = (1 + )(ui2 ui1)RFR2R1RP3. 精密測量放大電路精密測量放大電路ui反相積分運算電路反相積分運算電路CFuo211.3.4 積分電路積分電路由虛斷和虛地由虛斷和虛地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt作業(yè)題作業(yè)題 11.3.13:已知電源電壓為已知電源電壓為15V15V，u ui1i1=1.1V, =1.1V, u ui2i2=1V=1V。問：輸出電壓問：輸出電壓uouo由由0 0上升到上升到10V1

18、0V所需時間。所需時間。uuOi 11.3.5 反相微分運算電路反相微分運算電路C1 duidtuo= RF C1 uouiF輸出與輸入的關(guān)系式為輸出與輸入的關(guān)系式為若輸入為方波若輸入為方波則輸出波形為則輸出波形為ic1ic1CF應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器21uouiC1F輸出與輸入的關(guān)系式為輸出與輸入的關(guān)系式為duiu = ( + ) + RFC1 + ui dt ouiRFR1R1CFC1CFdt1“虛斷路虛斷路”成立；成立；理想運放工作在理想運放工作在非線性區(qū)非線性區(qū)的分析依據(jù)的分析依據(jù)注意注意: u+ = u 輸出輸出u0只有兩種可能：只有兩種可能：u+u-時，時，u0= UOM;u+u-時，時，u0= -UOM;（u+-u-）R1R2uouiUOM-UOMuiuo(1) 反相輸入過零比較器反相輸入過零比較器0-UOMUOM(2) 同相輸入過零比較器同相輸入過零比較器uiuo0R1R2uouiR1R2UOM-UOMttUOM-UOM000uiuouOuiuiuo-UZUZ0uiuoR1R2R3DzuiuoUZ2. 過零限幅比較器過零限幅比較器作業(yè)作業(yè)3 3：P335P33