第11章_運(yùn)算放大器

1、東華理工大學(xué)東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部機(jī)械與電子工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部第第 11 章章運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器11.1 集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹11.2 運(yùn)算放大電路中的負(fù)反饋運(yùn)算放大電路中的負(fù)反饋11.3 運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用 集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。模擬集成電路。Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 幾十幾十 幾百

2、幾百 KCMR高高: 70dB130dBuo+Auou+u。 。+UCCUEE 11.1 集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹+UCCUEEuu+輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí) 輸出級(jí)輸出級(jí)同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端 輸入級(jí)：輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，都采用帶恒流源的差放信號(hào)，都采用帶恒流源的差放 。 中間級(jí)：中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。 輸出級(jí)：輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能與負(fù)載相接，要求輸

3、出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。11.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2. 開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益 Auo 運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放所能承受的共

4、模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB1. 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = +Uo(sat) u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = + Uo(sat) u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = Uo(sat) u+ u uoUo(sat)+

5、Uo(sat) O飽和區(qū)飽和區(qū)凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號(hào)迭加，就稱為信號(hào)迭加，就稱為反饋反饋。若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為負(fù)負(fù)反饋反饋。若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)，就稱。若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)，就稱為為正反饋正反饋。 11.2 放大電路中的負(fù)反饋放大電路中的負(fù)反饋11.2.1 反饋的基本概念反饋的基本概念放大器放大器輸出輸出輸入輸入取取+ 加強(qiáng)輸入信號(hào)加強(qiáng)輸入信號(hào) 正反饋正反饋 用于振蕩器用于振蕩器取取 - 削弱輸入信號(hào)削弱輸

6、入信號(hào) 負(fù)反饋負(fù)反饋 用于放大器用于放大器開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)閉環(huán)閉環(huán)負(fù)反饋的作用：負(fù)反饋的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；擴(kuò)展通頻帶擴(kuò)展通頻帶反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)疊加疊加反饋反饋信號(hào)信號(hào)實(shí)際被放大信號(hào)實(shí)際被放大信號(hào)基本放大電路基本放大電路AodX oX 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FfX 放大放大：dooXXA 疊加：疊加：fidXXX 負(fù)反饋框圖：負(fù)反饋框圖：AO稱為開(kāi)環(huán)稱為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)放大倍數(shù)iX + 反饋反饋：ofXXF AF稱為閉環(huán)放大倍數(shù)稱為閉環(huán)放大倍數(shù)AF=Xo / Xi輸出信號(hào)輸出信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)反饋信號(hào)反饋信號(hào)差值信號(hào)差值信號(hào)負(fù)反饋放大器負(fù)反饋放大器F稱為反饋系數(shù)稱

7、為反饋系數(shù)設(shè)設(shè)Xf與與Xi同相同相負(fù)反饋放大器的一般關(guān)系負(fù)反饋放大器的一般關(guān)系閉環(huán)放大倍數(shù)：閉環(huán)放大倍數(shù)：放大放大：dooXXA 反饋反饋：ofXXF 疊加：疊加：fidXXX AF=Xo / Xi =Xo / (Xd+ Xf)= Xo / ( + XoF) =XoAo11Ao+F=Ao1+AoFAF=Ao1+ AoF負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng)當(dāng)Ao很大時(shí)很大時(shí), AoF 1,AF 1 F結(jié)論結(jié)論:當(dāng)當(dāng)Ao很大時(shí)很大時(shí),負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管無(wú)關(guān)倍數(shù)與晶體管無(wú)關(guān),只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。反饋

8、可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。11.2.2 負(fù)反饋的四種類型負(fù)反饋的四種類型反饋量反饋量 Xo輸入信號(hào)的連接方式輸入信號(hào)的連接方式Uo電壓電壓Ic電流電流Ie串聯(lián)串聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)(將反饋信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)將反饋信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào),與與輸入電壓輸入電壓ui相減相減,得到被放大的得到被放大的電壓信號(hào)電壓信號(hào)ube)(將反饋信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)將反饋信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào),與與輸入電流輸入電流ii相減相減,得到被放大的得到被放大的電流信號(hào)電流信號(hào)ib)四種連接方式四種連接方式: (1)電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋 (2)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋 (3)電流并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋 (4)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋oF11f

9、uRRRu fofRui RuRuiifo oFfiRRRi oFfiRRRi f11i1 iiRui ，且且因因iF1o)1(1 uRRRi 所所以以11.2.3 負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響dooXXA ofXXF fidXXX 反饋電路的反饋電路的基本基本 方程方程基本放大電路基本放大電路AodX oX 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FfX iX + FA1AXXAooiofFAo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)Xf與與Xi同相同相負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。1. 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。dfofdoXXXXXXF

10、Ao dfXX 、同相，所以同相，所以0FAo AFAF AO1+AOFAO1=AF=Ao1+ AoF則有：則有：|AF| 0 ui = Ui 0 采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故電流基本上是恒定的，故 uo 是時(shí)間是時(shí)間 t 的一次函數(shù)，的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)輸出電壓隨時(shí)間線性變化間線性變化tCRUiF1 將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成uoCFuiR2R1+ RFifi1電路的輸出電壓電路的輸出電壓F 11F1(d )R ii

11、tC )d1(iF1i1F tuCRuRRoF f()CuR iu 上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分積分 這種運(yùn)算器又稱這種運(yùn)算器又稱 PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器, 常用于控制系統(tǒng)中常用于控制系統(tǒng)中, 以保證以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變 RF 和和 CF，可調(diào)整比可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù), 以滿足控制系統(tǒng)的要求。以滿足控制系統(tǒng)的要求。oi1FdduuCtR tuCRuddi1Fo ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i1 = ifuoC1uiR2RF+ uitOuotO上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比