第7章 集成運(yùn)算放大器qjm

1、7.1.1 輸入級中間級輸出級偏置電路通常由差動放大電路構(gòu)成，目的是為了減小放大電路的零點(diǎn)漂移、提高輸入阻抗。通常由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，目的是為了獲得較高的電壓放大倍數(shù)。通常由互補(bǔ)對稱電路構(gòu)成，目的是為了減小輸出電阻，提高電路的帶負(fù)載能力。一般由各種恒流源電路構(gòu)成，作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定、合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點(diǎn)。 A +同相輸入端反相輸入端uouu+7.1.2 （1）差模開環(huán)電壓放大倍數(shù) Ado。指集成運(yùn)放本身（無外加反饋回路）的差模電壓放大倍數(shù)，即uuuAodo。它體現(xiàn)了集成運(yùn)放的電壓放大能力，一般在 104107之間。Ado越大，電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。（2）共模

2、開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aco。指集成運(yùn)放本身的共模電壓放大倍數(shù)，它反映集成運(yùn)放抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質(zhì)的集成運(yùn)放 Aco應(yīng)接近于零。（3）共模抑制比 KCMR。用來綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，一般應(yīng)大于 80dB。（4）差模輸入電阻 rid。指差模信號作用下集成運(yùn)放的輸入電阻。（5）輸入失調(diào)電壓 Uio。指為使輸出電壓為零，在輸入級所加的補(bǔ)償電壓值。它反映差動放大部分參數(shù)的不對稱程度，顯然越小越好，一般為毫伏級。（6）失調(diào)電壓溫度系數(shù)UioT。是指溫度變化T 時所產(chǎn)生的失調(diào)電壓變化Uio的大小，它直接影響集成運(yùn)放的精確度，一般為幾十V。（7）轉(zhuǎn)換速率 SR。衡量集成

3、運(yùn)放對高速變化信號的適應(yīng)能力，一般為幾 Vs，若輸入信號變化速率大于此值，輸出波形會嚴(yán)重失真。1 1、集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的主要參數(shù)2 2、集成運(yùn)放的種類集成運(yùn)放的種類（1）通用型。性能指標(biāo)適合一般性使用，其特點(diǎn)是電源電壓適應(yīng)范圍廣，允許有較大的輸入電壓等，如 CF741等。（2）低功耗型。靜態(tài)功耗2mW，如 XF253 等。（3）高精度型。失調(diào)電壓溫度系數(shù)在 1V左右，能保證組成的電路對微弱信號檢測的準(zhǔn)確性，如CF75、CF7650 等。（4）高阻型。輸入電阻可達(dá) 1012，如 F55系列等。還有寬帶型、高壓型等等。使用時須查閱集成運(yùn)放手冊，詳細(xì)了解它們的各種參數(shù)，作為使用和選擇的依據(jù)

4、。7.1.3 uouu+ +實(shí)際特性理想運(yùn)放符號 運(yùn)放電壓傳輸特性理想特性uou+uUOMUOM0非線性區(qū)分析依據(jù)：當(dāng)i0，即時，oOM當(dāng)i0，即 xi ，即反饋信號起了削弱凈輸入信號的作用，引入的是負(fù)反饋。+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB1RB2RE+uf+ ube +解：解：設(shè)基極輸入信號ui的瞬時極性為正，則發(fā)射極反饋信號uf的瞬時極性亦為正，發(fā)射結(jié)上實(shí)際得到的信號ube（凈輸入信號）與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故可確定為負(fù)反饋。Rpui +uoR1RF+uf+ud解：解：設(shè)輸入信號ui瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為負(fù)，經(jīng)RF返送回同相輸入

5、端，反饋信號uf的瞬時極性為負(fù)，凈輸入信號ud與沒有反饋時相比增大了，即反饋信號增強(qiáng)了輸入信號的作用，故可確定為正反饋。Rpui + +uoR1RF+uf+ud解：解：設(shè)輸入信號ui瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為正，經(jīng)RF返送回反相輸入端，反饋信號uf的瞬時極性為正，凈輸入信號ud與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故可確定為負(fù)反饋。8.3.2 根據(jù)反饋信號是取自輸出電壓還是取自輸出電流，可分為電壓反饋和電流反饋。的反饋信號xf取自輸出電壓uo，xf與uo成正比。的反饋信號xf取自輸出電流io，xf與io成正比。電壓反饋和電流反饋的判別，通常是將放大電路的輸出端交

6、流短路（即令uo=0 ），若反饋信號消失，則為電壓反饋，否則為電流反饋。根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸入端的連接方式，可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。的反饋信號和輸入信號以電壓串聯(lián)方式疊加，ud=uiuf，以得到基本放大電路的輸入電壓ud。的反饋信號和輸入信號以電流并聯(lián)方式疊加，id=iiif，以得到基本放大電路的輸入電流ii。串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋可以根據(jù)電路結(jié)構(gòu)判別。當(dāng)反饋信號和輸入信號接在放大電路的同一點(diǎn)（另一點(diǎn)往往是接地點(diǎn)）時，一般可判定為并聯(lián)反饋；而接在放大電路的不同點(diǎn)時，一般可判定為串聯(lián)反饋。綜合以上兩種情況，可構(gòu)成、和4種不同類型的放大電路。Rpui + +uoR1RF+uf+ud1 1、

7、電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓串聯(lián)負(fù)反饋設(shè)輸入信號ui瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為正，經(jīng)RF返送回反相輸入端，反饋信號uf的瞬時極性為正，凈輸入信號ud與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故為。將輸出端交流短路，RF直接接地，反饋電壓uf=0，即反饋信號消失，故為。輸入信號ui加在集成運(yùn)算放大器的同相輸入端和地之間，而反饋信號uf加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，不在同一點(diǎn)，故為。Rp +uouiRFR1iiifid2 2、電壓并聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋設(shè)輸入信號ui（ii）瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為負(fù)，流經(jīng)RF的電流（反饋信號）if的方向與圖示參考方

8、向相同，即if瞬時極性為正，凈輸入信號id與沒有反饋時相比減將輸出端交流短路，RF直接接地，反饋電流if=0，即反饋信號消失，故為。輸入信號ii加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，而反饋信號if也加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，在同一點(diǎn)，故為。小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故為。+uoRpui + +R+uf+udRLio3 3、電流串聯(lián)負(fù)反饋、電流串聯(lián)負(fù)反饋設(shè)輸入信號ui瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為正，經(jīng)RF返送回反相輸入端，反饋信號uf的瞬時極性為正，凈輸入信號ud與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故為。將輸出端交流短路，盡管uo=0

9、，但輸出電流io仍隨輸入信號而改變，在R上仍有反饋電壓uf產(chǎn)生，故可判定不是電壓反饋，而是。輸入信號ui加在集成運(yùn)算放大器的同相輸入端和地之間，而反饋信號uf加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，不在同一點(diǎn)，故為。Rp +uiRFR1iiifidRRL+uoio4 4、電流并聯(lián)負(fù)反饋、電流并聯(lián)負(fù)反饋設(shè)輸入信號ui（ii）瞬時極性為正，則輸出信號uo的瞬時極性為負(fù)，流經(jīng)RF的電流（反饋信號）if的方向與圖示參考方向相同，即if瞬時極性為正，凈輸入信號id與沒有反饋時相比減將輸出端交流短路，盡管uo=0 ，但輸出電流io仍隨輸入信號而改變，在R上仍有反饋電壓uf產(chǎn)生，故可判定不是電壓反饋，而是。

10、輸入信號ii加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，而反饋信號if也加在集成運(yùn)算放大器的反相輸入端和地之間，在同一點(diǎn)，故為。小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故為。7.3.3 1 1、穩(wěn)定放大倍數(shù)、穩(wěn)定放大倍數(shù)AFAAf1AdAAFAdAff11式中ffAdA為閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化率，AdA為開環(huán)放大倍數(shù)的 相 對 變 化 率 。 對 負(fù) 反 饋 放 大 器 ， 由 于11 AF， 所 以AdAAdAff。上述結(jié)果表明，由于外界因素的影響，使開環(huán)放大倍數(shù) A 有一個較大的相對變化率時，由于引入負(fù)反饋，閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化率只有開環(huán)放大倍數(shù)相對變化率的AF1分之一，即閉環(huán)放大倍數(shù)的穩(wěn)定性

11、優(yōu)于開環(huán)放大倍數(shù)。AAAFAFAFAFAFdAdAff11)1 (1)1 (122如某放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A=1000，由于外界因素（如溫度、電源波動、更換元件等）使其相對變化了dA/A=10%，若反饋系數(shù)F=0.009，則閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化為dAf/Af=10%/(1+10000.009)=1%?？梢姺糯蟊稊?shù)的穩(wěn)定性大大提高了。但此時的閉環(huán)放大倍數(shù)為Af=1000/(1+10000.009)=100，比開環(huán)放大倍數(shù)顯著降低，即用降低放大倍數(shù)的代價換取提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。負(fù)反饋越深，放大倍數(shù)越穩(wěn)定。在深度負(fù)反饋條件下，即11 AF時，有：FAFAAf11上式表明深度負(fù)反饋時的閉環(huán)放大倍數(shù)

12、僅取決于反饋系數(shù)F，而與開環(huán)放大倍數(shù) A 無關(guān)。通常反饋網(wǎng)絡(luò)僅由電阻構(gòu)成，反饋系數(shù) F 十分穩(wěn)定。所以，閉環(huán)放大倍數(shù)必然是相當(dāng)穩(wěn)定的，諸如溫度變化、參數(shù)改變、電源電壓波動等明顯影響開環(huán)放大倍數(shù)的因素，都不會對閉環(huán)放大倍數(shù)產(chǎn)生多大影響。2 2、減小非線性失真、減小非線性失真AxixoAFxixoxdxf+無負(fù)反饋時產(chǎn)生正半周大負(fù)半周小的失真。引入負(fù)反饋后，失真了的信號經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)又送回到輸入端，與輸入信號反相疊加，得到的凈輸入信號為正半周小而負(fù)半周大。這樣正好彌補(bǔ)了放大器的缺陷，使輸出信號比較接近于正弦波。3 3、展寬通頻帶、展寬通頻帶AA0.707AfHfLfAf0.707AffLffHf引入負(fù)

13、反饋可以展寬放大電路的通頻帶。這是因?yàn)榉糯箅娐吩谥蓄l段的開環(huán)放大倍數(shù)A較高，反饋信號也較大，因而凈輸入信號降低得較多，閉環(huán)放大倍數(shù)Af也隨之降低較多；而在低頻段和高頻段，A較低，反饋信號較小，因而凈輸入信號降低得較小，閉環(huán)放大倍數(shù)Af也降低較小。這樣使放大倍數(shù)在比較寬的頻段上趨于穩(wěn)定，即展寬了通頻帶。4 4、改變輸入電阻、改變輸入電阻對于串聯(lián)負(fù)反饋，由于反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入回路串聯(lián)，總輸入電阻為基本放大電路本身的輸入電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的等效電阻兩部分串聯(lián)相加，故可使放大電路的輸入電阻增大。對于并聯(lián)負(fù)反饋，由于反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入回路并聯(lián)，總輸入電阻為基本放大電路本身的輸入電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的等效電阻兩部分并聯(lián)，故

14、可使放大電路的輸入電阻減小。5 5、改變輸出電阻、改變輸出電阻對于電壓負(fù)反饋，由于反饋信號正比于輸出電壓，反饋的作用是使輸出電壓趨于穩(wěn)定，使其受負(fù)載變動的影響減小，即使放大電路的輸出特性接近理想電壓源特性，故而使輸出電阻減小。對于電流負(fù)反饋，由于反饋信號正比于輸出電流，反饋的作用是使輸出電流趨于穩(wěn)定，使其受負(fù)載變動的影響減小，即使放大電路的輸出特性接近理想電流源特性，故而使輸出電阻增大。8.4.1 ：選出所需要的頻率范圍內(nèi)的信號，使其順利通過；而對于頻率超出此范圍的信號，使其不易通過。不同的濾波器具有不同的頻率特性，大致可分為、和四種。：僅由無源元件R、C構(gòu)成的濾波器。無源濾波器的帶負(fù)載能力較

15、差，這是因?yàn)闊o源濾波器與負(fù)載間沒有隔離，當(dāng)在輸出端接上負(fù)載時，負(fù)載也將成為濾波器的一部分，這必然導(dǎo)致濾波器頻率特性的改變。此外，由于無源濾波器僅由無源元件構(gòu)成，無放大能力，所以對輸入信號總是衰減的。：由無源元件R、C和放大電路構(gòu)成的濾波器。放大電路廣泛采用帶有深度負(fù)反饋的集成運(yùn)算放大器。由于集成運(yùn)算放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，使濾波器輸出和輸入間有良好的隔離，便于級聯(lián)，以構(gòu)成濾波特性好或頻率特性有特殊要求的濾波器。RCjUUCjRCjUUiiC111RCjURRURRUi1111F1Foo1Fo1111jARCjRRUUAuiuf2o1uufAARC1o：式中1F1RRAu為通頻帶

16、放大倍數(shù)，RC1o稱為截止角頻率。電壓放大倍數(shù)的幅頻特性為：一階有源低通濾波器的幅頻特性與理想特性相差較大，濾波效果不夠理想，采用二階或高階有源濾波器可明顯改善濾波效果。圖示為用二級 RC 低通濾波電路串聯(lián)后接入集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的二階低通有源濾波器及其幅頻特性。R +RFR1CAufAu21Au0o一階二階uouiRC 二階低通有源濾波器及其幅頻特性高通濾波器和低通濾波器一樣，有一階和高階濾波器。將低通濾波器中的電阻 R 和電容 C對調(diào)即成為高通濾波器。8.4.2 ：控制信號uG出現(xiàn)時，電子開關(guān)接通，輸入模擬信號ui經(jīng)電子開關(guān)使保持電容C迅速充電，電容電壓即輸出電壓uo跟隨輸入模擬信號電壓u

17、i的變化而變化。：uG=0，電子開關(guān)斷開，保持電容C上的電壓因?yàn)闆]有放電回路而得以保持。一直到下一次控制信號的到來，開始新的采樣保持周期。8.4.3 運(yùn)算放大器處在開環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運(yùn)算放大器便進(jìn)入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達(dá)到最大值UOM。RUui時，OMoUu；RUui時，OMoUu。基準(zhǔn)電壓UR=0時，輸入電壓ui與零電位比較，稱為過零比較器。輸出端接穩(wěn)壓管限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷?，則uiUR時，穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ?uo=0；uiUR時，穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ?uo=UZ；uiUR時，穩(wěn)壓管反向擊穿， uo=UZ時。電壓比較器廣泛應(yīng)用在模-數(shù)接口、電平檢測及波形變換等領(lǐng)域。如圖所示為用過零比較器把正弦波變換為矩形波的例子。8.5.1 ：在無輸入信號（xi=0）時，電路中的噪擾電壓（如元件的熱噪聲、電路參數(shù)波動引起的電壓、電流的變化、電源接通時引起的瞬變過程等）使放大器產(chǎn)生瞬間輸出xo，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端，得到