第11章 運算放大器

1、第第11 11章章 集成運算放大器集成運算放大器11.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹11.2 運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用11.3 放大電路中的負反饋放大電路中的負反饋11.4 運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用11.5 運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用11.6 使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題（自學(xué)）使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題（自學(xué)）2022-6-261第第11章章 運算放大器運算放大器1. 了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義。了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2. 理解運

2、算放大器的電壓傳輸特性，理解理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器理想運算放大器并并掌握其掌握其基本分析方法基本分析方法。3. 理解用集成運放組成的理解用集成運放組成的比例、加減、微分和比例、加減、微分和 積分運算電積分運算電路的工作原理路的工作原理，了解有源濾波器的工作原理。，了解有源濾波器的工作原理。4.掌握運算放大器電路反饋類型判斷方法。掌握運算放大器電路反饋類型判斷方法。5. 理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求本章要求: :第第11 11章章 集成運算放大器集成運算放大器2022-6-262第第11章章 運算放大器運算放大器11.1 集成

3、運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器是一種具有集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)很高放大倍數(shù)的的多級直接耦合多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。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。集成電路集成電路 是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上, 組成一個不可分的整體。組成一個不可分的整體。集成電路特點：集成電路特點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低。格低。集成電路分類集成電路分類按集成度按集成度按

4、導(dǎo)電類型按導(dǎo)電類型按功能按功能小、中、大和超大規(guī)模小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬數(shù)字和模擬2022-6-263第第11章章 運算放大器運算放大器各類型號集成芯片2022-6-264第第11章章 運算放大器運算放大器11.1.1 集成運算放大器的特點集成運算放大器的特點Auo 高高: 80dB140dB rid 高高: 105 1011 ro 低低: 幾十幾十 幾百幾百 KCMR高高: 70dB130dB 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. 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，大電阻常用

5、三極管恒流源代替，電位器需外接；電位器需外接； 3. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電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；感和變壓器均需外接； 4. 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。2022-6-265第第11章章 運算放大器運算放大器+UCCUEEuu+11.1.2 電路的簡單說明電路的簡單說明輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端反相輸入端反相輸入端 輸入級：輸入級：采用帶恒流源的采用帶恒流源的差分放大差分放大電路，輸入電阻高，能減小零點漂移和電路，輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號

6、。抑制干擾信號。 中間級：中間級：常用帶恒流源的常用帶恒流源的共發(fā)射極放大共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，電壓放大倍數(shù)高。電路構(gòu)成，電壓放大倍數(shù)高。 輸出級：輸出級：一般由一般由互補對稱電路互補對稱電路或或射極輸出器射極輸出器構(gòu)成，輸出電阻低，帶負載能構(gòu)成，輸出電阻低，帶負載能力強。力強。 偏置電路偏置電路：恒流源電路構(gòu)成，提供合適的偏流，決定各級：恒流源電路構(gòu)成，提供合適的偏流，決定各級Q Q。2022-6-266第第11章章 運算放大器運算放大器集成運算放大器的管腳和符號集成運算放大器的管腳和符號反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端+UCCUEEuo+uu +Auo信號傳信號傳輸方向輸方向輸出端

7、輸出端實際運放開環(huán)實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)8 7 6 5 F0071 2 3 4 u-u+-UCC+UCC輸出輸出 F007817234562022-6-267第第11章章 運算放大器運算放大器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. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6.

8、共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好愈小愈好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 IIB2022-6-268第第11章章 運算放大器運算放大器11.1.4 理想運算放大器及其分析依據(jù)理想運算放大器及其分析依據(jù)1. 理想運算放大器的條件理想運算放大器的條件Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f

9、 (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo(u+ u)非線性區(qū)（飽和區(qū)）：非線性區(qū)（飽和區(qū)）：u+ u 時，時， uo = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0 采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故恒定的，故 uo 是時間是時間 t 的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時輸出電壓隨時間線性變化間線性變化tCRUF1i 2022-6-2626第第11章章 運算放大器運算放大器 將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成

10、將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成比例比例-積分運算電路。積分運算電路。uoCFuiR2R1+ RFifi1電路的輸出電壓電路的輸出電壓 )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR)(fFoCuiRu 上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分積分 這種運算器又稱這種運算器又稱 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, 以保證自控以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變 RF 和和 CF，可調(diào)整比例系數(shù)和，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù)積分時間常數(shù), 以滿足控制系統(tǒng)的要求。以滿足控制系統(tǒng)的要求。

11、2022-6-2627第第11章章 運算放大器運算放大器11.2.5 微分運算電路微分運算電路Foi1ddRutuC tuCRuddi1Fo ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得由虛短及虛斷性質(zhì)可得 u+= u-= 0, i1 = ifuoC1uiR2RF+ uitOuotO2022-6-2628第第11章章 運算放大器運算放大器比例比例-微分運算電路微分運算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分微分 控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中， PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作

12、穩(wěn)定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu PD調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF+ R1ifiRiC2022-6-2629第第11章章 運算放大器運算放大器例例2：設(shè)設(shè)RFR4，試證：，試證：)1 (431FioufRRRRuuA uoRFuiR2R1+ R3R4Ai1ifi3i4證：證：0f1 uuii，由由FA1iRuRu 得得i1FAuRRu 4313fiiiii 由由4A3Ao1iRuRuuRu 得得i41F34Fi414F34FouRRRRRRuRRRRRRRu ）（）（431Fiouf1RRRRuuA 2022-6-2630第

13、第11章章 運算放大器運算放大器例例3：已知：已知：ui1 = 1V， ui2 = 2V， ui3 = 3V， ui4 = 4V， R1 = R2 = 2k， R3 = R4 = RF = 1k，求，求uo。ui1uoRFui2R1R2+ R3ui3ui4R4u+u-解：解：應(yīng)用節(jié)點電壓法求應(yīng)用節(jié)點電壓法求u+：5V.324311434i43i3 RRRuRuu應(yīng)用疊加原理求應(yīng)用疊加原理求uo：i22Fi11F21Fo)/1(uRRuRRuRRRu 5V. 52211215 . 3)111( 2022-6-2631第第11章章 運算放大器運算放大器例例4：求求uo與與ui1、ui2的運算關(guān)系式

14、。的運算關(guān)系式。ui1ui2uouo1解：解：第一級：第一級：i1i111o1)11()/1(uKuRKRu 第二級：第二級：i2uuu 2o2o1KRuuRuu o1i2o)1(KuuKu )(1(i1i2uuK 2022-6-2632第第11章章 運算放大器運算放大器例例5：求求uo。ui+2Ruo2+RFR1Ruo1 +uoR2R23解：解：uo1 = uiRfR1第一級：第一級：第二級：第二級：uo2 = uo12RR2RfR1= uiuo = uo2uo1 2RfR1RfR1= ui + ui 3RfR1= ui 2022-6-2633第第11章章 運算放大器運算放大器例例6：圖示電

15、路是廣泛應(yīng)用于自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的比例圖示電路是廣泛應(yīng)用于自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的比例積分微分電路。試求該電路積分微分電路。試求該電路 uo 與與 ui 的關(guān)系式的關(guān)系式 。uo+CFuiR1C1R2RFu+ = u = 0解：解：i1iR1iC1iftuCiCddFFf tiCud1fFCFdtduCRuiiii111fdtiCiRuffFFo1dtuCRdtduCRuCCRRdtdtduCRuCdtduCRuRRuiiiFiiii1F1F11F11F1F1Fo112022-6-2634第第11章章 運算放大器運算放大器11.3放大電路中的負反饋放大電路中的負反饋凡是將放大電路凡是將放大電路(或某個系統(tǒng)

16、或某個系統(tǒng))輸出信號的一部分或全輸出信號的一部分或全部經(jīng)某種電路部經(jīng)某種電路(反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò))引回到輸入端，稱為反饋。引回到輸入端，稱為反饋。11.3.1反饋的基本概念反饋的基本概念如果反饋信號使凈輸入信號增加，稱為如果反饋信號使凈輸入信號增加，稱為正反饋正反饋。如果。如果反饋信號使凈輸入信號減小，稱為反饋信號使凈輸入信號減小，稱為負反饋負反饋。無負反饋放大無負反饋放大電路方框圖電路方框圖AxIxO2022-6-2635第第11章章 運算放大器運算放大器11.3.1反饋的基本概念反饋的基本概念帶有負反饋放大帶有負反饋放大電路的方框圖電路的方框圖AxIxOFxF+xD基本放大電路基本放大電路反

17、饋電路反饋電路比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)xI 輸入信號輸入信號xO 輸出信號輸出信號xF 反饋信號反饋信號xD 凈輸入信號凈輸入信號凈輸入信號凈輸入信號 xD = xI xF反饋信號使凈輸入信號減小，則為反饋信號使凈輸入信號減小，則為負負反饋。反饋。反饋信號使凈輸入信號增大，則為反饋信號使凈輸入信號增大，則為正正反饋。反饋。2022-6-2636第第11章章 運算放大器運算放大器11.3.2負反饋與正反饋的判別負反饋與正反饋的判別瞬時極性法瞬時極性法是判別正、負反饋的基本方法：是判別正、負反饋的基本方法：設(shè)接地參考點的電位為零。某點在某瞬時的電位設(shè)接地參考點的電位為零。某點在某瞬時的電位高于零電位者，則

18、其瞬時極性為正高于零電位者，則其瞬時極性為正(用用“ ”表示表示)；反之為負反之為負(用用“ ”表示表示)。2022-6-2637第第11章章 運算放大器運算放大器AF+xIxOxFxD根據(jù)反饋電路與基本放大電路在輸入、輸出端的連接方式不根據(jù)反饋電路與基本放大電路在輸入、輸出端的連接方式不同，負反饋有以下四種類型。同，負反饋有以下四種類型。在輸出端在輸出端反饋量取自輸出電壓為電壓反饋，反饋量取自輸出電壓為電壓反饋， 取自輸出電流為電流反饋；取自輸出電流為電流反饋；在輸入端在輸入端反饋量以電流的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為并聯(lián)反饋；反饋量以電流的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為并聯(lián)反饋；反饋量以

19、電壓的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為串聯(lián)反饋。反饋量以電壓的形式出現(xiàn)，與輸入信號進行比較為串聯(lián)反饋。負反饋的類型有：負反饋的類型有：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)負反饋。2022-6-2638第第11章章 運算放大器運算放大器11.3.3負反饋的類型負反饋的類型ui+R1R2uORF+RLuD+uF+ 設(shè)某一瞬時設(shè)某一瞬時 uI 為正，則此時為正，則此時 uO也也為正，同時反饋電壓為正，同時反饋電壓 uF 也為正也為正。凈輸入信號凈輸入信號 ud = ui uf小于輸入信號，即小于輸入信號，即 uF 的存在使凈的

20、存在使凈輸入信號減小，所以為輸入信號減小，所以為負負反饋。反饋。反饋電壓反饋電壓取自輸出電壓取自輸出電壓，并與之成，并與之成正比，故為電壓反饋。正比，故為電壓反饋。uF 與與 uI 在輸入端在輸入端以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)，故為串，故為串聯(lián)反饋。聯(lián)反饋。判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型1串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋 首先用電位的首先用電位的瞬時極性瞬時極性判別反饋判別反饋的正、負。的正、負。1FOF1RuuRR 11.3.3負反饋的類型負反饋的類型2022-6-2639第第11章章 運算放大器運算放大器AF+uFuDuIuO 串聯(lián)電壓負反饋方框圖串聯(lián)電壓

21、負反饋方框圖uI+R1R2uORF+RLuD+uF+ 反饋電壓反饋電壓1FOF1RuuRR 1串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋 2022-6-2640第第11章章 運算放大器運算放大器uOR1R2RF+uI+RL iIiDiF-設(shè)某一瞬時設(shè)某一瞬時 uI 為正，則此時為正，則此時 uO 為負，各電流實際方向如圖所為負，各電流實際方向如圖所示。示。凈輸入電流凈輸入電流iD = iI iF小于輸入電流，即小于輸入電流，即 iF 的存在使凈的存在使凈輸入電流減小，所以為負反饋輸入電流減小，所以為負反饋。反饋電流反饋電流取自輸出電壓取自輸出電壓，并與之，并與之成正比，故為電壓反饋。成正比，故為電壓反饋。i

22、F 與與 iI 在輸入端在輸入端以電流形式作比較，兩者并聯(lián)以電流形式作比較，兩者并聯(lián)，故為并，故為并聯(lián)反饋。聯(lián)反饋。判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 2并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋 首先用電位的瞬時極性判別首先用電位的瞬時極性判別反饋的正、負。反饋的正、負。OOFFFuuuiRR 2022-6-2641第第11章章 運算放大器運算放大器AF+uIuOiFiDiI 并聯(lián)電壓負反饋方框圖并聯(lián)電壓負反饋方框圖uOR1R2RF+uI+RLiDiF iI-反饋電流反饋電流OOFFFuuuiRR 2并聯(lián)電壓負反饋并聯(lián)電壓負反饋 2022-6-2642第第11章章 運算放大器運算放大器 uD =

23、 uI uF為負反饋；為負反饋；反饋電壓反饋電壓uF = RiO與輸出電流成比與輸出電流成比，故為電流反饋；，故為電流反饋；判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 3串聯(lián)電流負反饋串聯(lián)電流負反饋 AF+uFuDuIiO 串聯(lián)電流負反饋方框圖串聯(lián)電流負反饋方框圖uF 與與 uI 在輸入端在輸入端以電壓形式作比較以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。故為串聯(lián)反饋。R2uOR+RLuD+ uF+iOuI+2022-6-2643第第11章章 運算放大器運算放大器圖中圖中 iD = iI iF判別圖示電路的反饋類型判別圖示電路的反饋類型 4并聯(lián)電流負反饋并聯(lián)電流負反饋 并聯(lián)電流負反饋方

24、框圖并聯(lián)電流負反饋方框圖AF+uIiOiDiIiFiFRFiRuRRuI+RL iOR1iIiDR2-FOF()RiiRR 2022-6-2644第第11章章 運算放大器運算放大器如何判別電路中反饋類型小結(jié)如何判別電路中反饋類型小結(jié)( (1) )反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負載電阻靠近從負載電阻靠近“地地”端引出的，是電流反饋；端引出的，是電流反饋；( (2) )輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端，輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端，是串聯(lián)反饋；加在同一輸入端的是并聯(lián)反饋；是串聯(lián)反饋；加在同一輸入端的是并聯(lián)反饋；( (3) )反饋信號使

25、凈輸入信號減小的，是負反饋。反饋信號使凈輸入信號減小的，是負反饋。( (也可將輸出端短路，若反饋量為零，則為電壓反饋；也可將輸出端短路，若反饋量為零，則為電壓反饋；若反饋量不為零，則為電流反饋。若反饋量不為零，則為電流反饋。) ) 2022-6-2645第第11章章 運算放大器運算放大器例例 1判別圖示電路從判別圖示電路從 A2 輸出端引入輸出端引入 A1 輸入端的反饋類型。輸入端的反饋類型。uOuI+ uO1uD+RL RuF+A1A2解解反饋電路從反饋電路從 A2 的輸出端引出，故為的輸出端引出，故為電壓反饋電壓反饋；反饋電壓反饋電壓 uF 和和 uI 輸入電壓分別加在的輸入電壓分別加在的

26、 同相和反相兩個輸同相和反相兩個輸入端，故為入端，故為串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋；設(shè)為設(shè)為 uI 正，則正，則 uO1 為負，為負， uO 為正。為正。反饋電壓反饋電壓 uF 使凈輸入電壓使凈輸入電壓 uD = uI uF 減小，故為減小，故為負反饋負反饋；串聯(lián)電壓負反饋。串聯(lián)電壓負反饋。2022-6-2646第第11章章 運算放大器運算放大器uOuI+ RuO1iI+RL -A1A2iDiF a例例 2判別圖示電路從判別圖示電路從 A2 輸出端引入輸出端引入 A1 輸入端的反饋類型。輸入端的反饋類型。解解反饋電路從反饋電路從 RL 靠近靠近“地地”端引出，為端引出，為電流電流反饋；反饋；反饋電流反饋電

27、流 iF 和和 iI 輸入電流加在輸入電流加在 A1 的同一個輸入端，故為的同一個輸入端，故為并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋；設(shè)為設(shè)為 uI 正，則正，則 uO1 為正，為正， uO 為負。反饋電流實際方向如為負。反饋電流實際方向如圖所示，凈輸入電流圖所示，凈輸入電流 iD = iI iF減小，故為減小，故為負反饋負反饋；并聯(lián)電流負反饋并聯(lián)電流負反饋。2022-6-2647第第11章章 運算放大器運算放大器11.3.4負反饋對放大電路工作的影響負反饋對放大電路工作的影響1提高放大電路的穩(wěn)定性提高放大電路的穩(wěn)定性 AF+xIxDxOxF開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)DOxxA 反饋系數(shù)反饋系數(shù)OFxxF 引入負反饋

28、后凈輸入信號引入負反饋后凈輸入信號xD = xI xF引入負反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)引入負反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)AFAxxA 1IOF對上式求導(dǎo)對上式求導(dǎo)AAAFAAd11dFF 可見，引入負反饋后，可見，引入負反饋后，放大倍數(shù)降低放大倍數(shù)降低了，而放大倍數(shù)的了，而放大倍數(shù)的穩(wěn)定性卻提高穩(wěn)定性卻提高了。了。2022-6-2648第第11章章 運算放大器運算放大器uF負反饋負反饋改善了波形失真改善了波形失真2改善非線性失真改善非線性失真加入加入負反饋負反饋無負反饋無負反饋FufAuuIuO+uDuO大大小小略大略大略小略小略小略小略大略大uIAu接近正弦波接近正弦波2022-6-2649第第11章章 運算

29、放大器運算放大器3對放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響對放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響四種負反饋對四種負反饋對 ri 和和 ro 的影響的影響串聯(lián)電壓串聯(lián)電壓串聯(lián)電流串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并聯(lián)電壓并聯(lián)電流并聯(lián)電流riro減低減低增高增高增高增高增高增高增高增高減低減低減低減低減低減低思考題：為了分別實現(xiàn)：思考題：為了分別實現(xiàn)： (a)穩(wěn)定輸出電壓；穩(wěn)定輸出電壓；(b)穩(wěn)定輸出電流；穩(wěn)定輸出電流； (c)提高輸入電阻；提高輸入電阻；(d)降低輸出電阻。降低輸出電阻。應(yīng)引入哪種類型的負反饋？應(yīng)引入哪種類型的負反饋？2022-6-2650第第11章章 運算放大器運算放大器* 11.3.5分立元件放大電路中

30、的負反饋分立元件放大電路中的負反饋RE 電阻無旁路電容的電阻無旁路電容的分壓式偏置放大電路分壓式偏置放大電路交流通道交流通道RE 為反饋元件為反饋元件，由瞬時極性法由瞬時極性法知知 ube、ui、 uf 三者同相三者同相ube = ui uf 其有效值其有效值 Ube 0時，時，| T(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然，電路能使低于 0的信號的信號順利通過，衰減很小，而使高于順利通過，衰減很小，而使高于 0的信號不易通過，衰減很大，的信號不易通過，衰減很大，稱一稱一 階有源低通濾波器。階有源低通濾波器。 為了改善濾波效果，使為了改善濾波效果，使 0 時時信號衰減得更快些，常將

31、兩節(jié)信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾濾波環(huán)節(jié)串接起來，波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低組成二階有源低通濾波器。通濾波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O2022-6-2656第第11章章 運算放大器運算放大器2. 有源高通濾波器有源高通濾波器 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo稱為截止角頻率稱為截止角頻率 式中式中RC10: uiuoRFCR+ R1+設(shè)輸入為正弦波信號，則有設(shè)輸入為正弦波信號，則有故：故：2022-6-2657第第11章章 運算放大器運算放大器

32、 可見，電路使頻率大于可見，電路使頻率大于 0 的信號通過的信號通過 ，而小于，而小于 0 的信號被的信號被阻止，稱為阻止，稱為有源高通濾波器有源高通濾波器。 ,0時時當當 ,時時當當 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT若頻率若頻率 為變量，則為變量，則電路的傳遞函數(shù)電路的傳遞函數(shù) 0f0j1 uA其模為其模為,0時時當當 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O2022-6-2658第第11章章 運算放大器運算放大器模擬開關(guān)模擬開關(guān)模擬輸入信號模擬輸入信號1. 電路電路11

33、.4.2 采樣保持電路采樣保持電路 SuC+ui+uo+ 采樣保持電路采樣保持電路，多用于模，多用于模 - 數(shù)轉(zhuǎn)換電路（數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前之前。由。由于于A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行A/D 轉(zhuǎn)換前必須對轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D 轉(zhuǎn)換電路的需要。轉(zhuǎn)換電路的需要。 用于數(shù)字電路、計用于數(shù)字電路、計算機控制及程序控制算機控制及程序控制等裝置中。等裝置中。采樣存儲采樣存儲電容電容控制信號控制信號電壓跟隨器電壓跟隨器2022-6-2659第第11章章 運算放大器運算

34、放大器2. 工作原理工作原理11.4.2 采樣保持電路采樣保持電路1. 電路電路采樣階段采樣階段： uG為高電平，為高電平， S 閉合閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通場效應(yīng)管導(dǎo)通)， ui對存儲電容對存儲電容C充電，充電， uo= uC = ui 。保持階段保持階段： uG為為 0， S 斷開斷開(場效應(yīng)管截止場效應(yīng)管截止)，輸出，輸出 保持該階段開始瞬間的值不變。保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。 SuC+ui+uo+ 2022-6-2660第第11章章 運算放大器運算放大器11.4.3 電壓比較器電

35、壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器的功能： 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的 大小和大小和極性。極性。用途：用途： 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。 運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。2022-6

36、-2661第第11章章 運算放大器運算放大器理想運放工作在飽和區(qū)的特點：理想運放工作在飽和區(qū)的特點： 1. 輸出只有兩種可能輸出只有兩種可能 +Uo (sat) 或或Uo (sat) 當當 u+ u 時，時， uo = +Uo (sat) u+u 時，時，uo= +Uo (sat) u+u 時，時，uo= Uo (sat) 即即 uiUR 時，時，uo = Uo (sat)可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓2022-6-2663第第11章章 運算放大器運算放大器uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2單限電

37、壓比較器：單限電壓比較器： 當當 ui 單方向變化時，單方向變化時， uo 只變化一次。只變化一次。URuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR2022-6-2664第第11章章 運算放大器運算放大器ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性電壓傳輸特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR2022-6-2665第第11章

38、章 運算放大器運算放大器URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端輸入信號接在同相端uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t22022-6-2666第第11章章 運算放大器運算放大器輸出帶限幅的電壓比較器輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航岛雎苑€(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫t則 ui UR，uo = UZUZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR

39、uiUR 時，時，uo = Uo (sat) 2022-6-2667第第11章章 運算放大器運算放大器過零電壓比較器過零電壓比較器利用電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲▽⒄也ㄗ優(yōu)榉讲╱ouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR= 0tuiOtuo+Uo(sat)Uo(sat)O2022-6-2668第第11章章 運算放大器運算放大器11.5 運放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用運放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用波形發(fā)生器的作用：波形發(fā)生器的作用： 產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。鋸

40、齒波等）。特點：特點：不用外接輸入信號，即有輸出信號。不用外接輸入信號，即有輸出信號。2022-6-2669第第11章章 運算放大器運算放大器11.5.1 矩形波發(fā)生器矩形波發(fā)生器1. 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 由滯回比較器、由滯回比較器、 RC充放電電路組成，充放電電路組成， 電容電壓電容電壓uC 即是比較器的即是比較器的輸入電壓，輸入電壓，2. 工作原理工作原理設(shè)電源接通時，設(shè)電源接通時， uo = +Uo(sat) ，uC(0) = 0。 電阻電阻R2兩端的電壓兩端的電壓UR即是比較器的參即是比較器的參考電壓?？茧妷?。 uo 通過通過 RF 對電容對電容C充電，充電， uC 按指數(shù)規(guī)律增長。按指

41、數(shù)規(guī)律增長。 RFCuC+R1R2uo+ +充電充電UR+2022-6-2670第第11章章 運算放大器運算放大器當當 uo = +Uo(sat)時，時，電容充電容充電，電， uC上升，上升， o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)F 2 2RURRRU 電容放電，電容放電， uC下降下降，當當uC= UR 時，時，uo 跳變成跳變成 Uo(sat)當當 uC= UR 時，時，uo 跳變成跳變成 +Uo(sat) ，電容又重新充電，電容又重新充電。放電放電2. 工作原理工作原理RFCuC+R1R2uo+ +充電充電UR+RFCuC+R1R2uo+ +UR+2022-6-2671第第1

42、1章章 運算放大器運算放大器3. 工作波形工作波形4. 周期與頻率周期與頻率充電充電放電放電uouCt1t3t2T = T1+T2 RCtCCCCeuuutu 0電容充放電過程，電容充放電過程，uC 的響應(yīng)規(guī)律為的響應(yīng)規(guī)律為T1T2TUo(sat)+ Uo(sat)RU RU2022-6-2672第第11章章 運算放大器運算放大器在充電過程中在充電過程中 o(sat)F 2 2R2o(sat)o(sat)F 2 2 R0URRRUtuUuURRRUuCCC 在放電過程中在放電過程中 o(sat)F 2 2R3o(sat)o(sat)F 2 2R0URRRUtuUuURRRUuCCC 矩形波的周

43、期矩形波的周期 F 22121ln2RRRCTTT矩形波的頻率矩形波的頻率 F 221ln211RRRCTf充放電時間常數(shù)相同：充放電時間常數(shù)相同： = RC 矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號源矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號源2022-6-2673第第11章章 運算放大器運算放大器 A1：滯回比較器：滯回比較器 因因 u = 0 ， 所以當所以當 u+ = 0 時時， A1狀態(tài)改變狀態(tài)改變11.5.2 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器1. 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)A2：反相積分電路：反相積分電路Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R12022-6-2674第第11章章 運算放大器運算放大器2.

44、工作原理工作原理A1：滯回比較器：滯回比較器 因因 u- = 0 ，所以當，所以當 u+ = 0時時，A1狀態(tài)改變狀態(tài)改變輸出輸出 uo1 改變改變(+UZ 躍變到躍變到UZ 或或 UZ 躍變到躍變到 +UZ)，0o2111o2121uRRRuRRRu當當 時時，即即當當 Z121o12oURRuRRu 同時積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。同時積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R12022-6-2675第第11章章 運算放大器運算放大器TT1T23. 工作波形工作波形4. 周期與頻率周期與頻率T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2

45、RCRRTf2141 uo1 UZ UZRCUURRTTZZ12212 tOuoZ12URRZ12URR (1) 改變比較器的輸出改變比較器的輸出 uo1、電阻、電阻R1 、R2 即可改變?nèi)遣纯筛淖內(nèi)遣ǖ姆怠５姆怠?(2) 改變積分常數(shù)改變積分常數(shù)RC 即可改變?nèi)遣ǖ念l率。即可改變?nèi)遣ǖ念l率。tRCUuio2022-6-2676第第11章章 運算放大器運算放大器Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器在三角波發(fā)生在三角波發(fā)生器的電路中，器的電路中，使積分電路的使積分電路的正、反向積分正、反向積分的時間常數(shù)不的時間常數(shù)不同，即可使其同，即可使

46、其 輸出鋸齒波。輸出鋸齒波。11.5.3 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器CR3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1uo1R4D1. 電路電路2022-6-2677第第11章章 運算放大器運算放大器2. 波形波形11.5.3 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器CR3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1uo1R4D1. 電路電路tUZUZZ12URRZ12URR uouo1Ouo2022-6-2678第第11章章 運算放大器運算放大器1自激振蕩的條件自激振蕩的條件11.5.4RC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路電路中無外加輸入電壓，而在輸出端有一定頻率和幅電路中無外加輸入電壓，而在輸出端有一定頻率和

47、幅度的信號輸出，稱這種現(xiàn)象為電路的自激振蕩。度的信號輸出，稱這種現(xiàn)象為電路的自激振蕩。S當當 S 合于合于 1 時，時，開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)diuu doUUA 則輸出電壓保持不變。則輸出電壓保持不變。反饋系數(shù)反饋系數(shù)又又所以自激振蕩的條件是所以自激振蕩的條件是：difuuu ofUUF dfUU 1ofdo UUUUAF2F+uf-若若當當 S 合于合于 2 時，時，Auduiuo1+-+-+-2022-6-2679第第11章章 運算放大器運算放大器( (1) ) 相位條件相位條件：即即( (2) ) 幅度條件：幅度條件：即即 = A + F = 2n (n = 0，1，2， )自激振蕩的條件：自激振蕩的條件：1ofdo UUUUAF if同相，為正反饋；同相，為正反饋；與輸入電壓與輸入電壓反饋電壓反饋電壓UUdfUU 1ofdo UUUUAF反饋電壓反饋電壓與輸入電壓的大小相等；與輸入電壓的大小相等；11.5.4RC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路2022-6-2680第第11章章 運算放大器運算放大器幅度特性幅度特性Uom=f(Ufm)反饋特性Ufm =FUomUimUom1Ufm1Uom2A自激振蕩的建立過程自激振蕩的建立過程2振蕩的建立和穩(wěn)定振蕩的建立和穩(wěn)定振蕩建立時應(yīng)滿足：振蕩建立時應(yīng)滿足：即即