英才學(xué)院《電工學(xué)》課件11運(yùn)算放大器

1、第 11 章 運(yùn)算放大器11.1 運(yùn)算放大器概述11.2 放大電路中的負(fù)反饋11.3 運(yùn)算放大器在信號運(yùn)算方面的應(yīng)用11.4 運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用11.5 運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用11.6 注意問題教 學(xué) 基 本 要 求 1. 了解集成運(yùn)算放大器的基本組成和電壓傳輸特性； 2. 理解反饋的概念，了解負(fù)反饋對放大電路性能的影響； 3. 理解理想運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法； 4. 理解基本運(yùn)算電路的工作原理和分析方法； 5. 理解基本電壓比較器的組成和電壓傳輸特性；*6. 了解遲滯電壓比較器的組成和電壓傳輸特性； 7. 理解自勵(lì)振蕩的條件，了解用集成運(yùn)算放大器組成的 RC 振蕩

2、電路的工作原理。11.1 運(yùn)算放大器概述(一) 集成運(yùn)算放大器的組成輸入級中間級輸出級輸入端輸出端圖 11.1.1 集成運(yùn)放的組成 特點(diǎn)：多級直接耦合放大電路； 輸入級采用差分放大電路，KCMRR 和 ri 很高； 中間級采用多級共射電路，Au 很高； 輸出級采用互補(bǔ)對稱功率放大電路，ro 很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。返 回下一節(jié)上一頁下一頁圖 11.1.2 集成運(yùn)放的圖形符號反相輸入端同相輸入端輸出端uouu+ud+Ao+ 輸入方式: 反相輸入 同相輸入 差分輸入F00781723456100 dB238 75 46uu+uo+UCCUEE圖 11.1.3 F007 的外部接線和管腳圖(二) 電壓

3、傳輸特性ud0uo+線性區(qū)正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)+UOMUOM當(dāng) ud+ 時(shí)： uo = Ao ud = Ao(u+u)當(dāng) ud (+) 時(shí)： uo = + UOM+UCC當(dāng) ud () 時(shí)： uo =UOMUEE（二）集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 運(yùn)算放大器(簡稱運(yùn)放)的特性參數(shù)是評價(jià)運(yùn)放性能優(yōu)劣的依據(jù)。(1) 最大輸出電壓Uopp(2) 開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo(3) 輸入失調(diào)電壓UIO(4) 輸入失調(diào)電流IIO (5) 輸入偏置電流IIB（6）共模輸入電壓范圍Uicm 11.1.3 理想運(yùn)算放大器及其分析 理想運(yùn)放的主要條件：(1) 開環(huán)放大倍數(shù)：Ao(2) 開環(huán)輸入電阻：ri(3) 開環(huán)輸出電阻：

4、ro0(4) 共模抑制比：KCMRROuoud+UOMUOM圖 10.4.1 理想運(yùn)放的電壓傳輸特性 傳輸特性：當(dāng) u+ u時(shí)：uo = + UOM當(dāng) u+u時(shí)：uo =UOMuouu+ud+ 理想運(yùn)放的圖形符號返 回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁反饋電路1 工作在線性區(qū)時(shí)，理想運(yùn)放的分析方法：uoud+圖 10.4.2 引入負(fù)反饋后的理想運(yùn)放電路(1) AouoAoud = 0即u+ = u 虛短路id(2) riudriid = 0虛斷路(3) ro0uoL= uo輸出電壓不受負(fù)載的影響1 工作在飽和區(qū)時(shí)：u+ u 若u+ u 若11.2 放大電路中的負(fù)反饋放大電路Ao反饋電路F輸入信號xi凈輸

5、入 信號xd輸出信號xo xf反饋信號比較環(huán)節(jié) 圖 10.2.1 反饋示意圖開環(huán)放大倍數(shù)：Ao =xoxd 閉環(huán)放大倍數(shù)：Af =xoxi 反饋系數(shù)：F =xfxo 1 反饋的基本概念(一) 反饋的分類:(1) 正反饋和負(fù)反饋：正反饋： xf 與 xi 作用相同，使 xd 增加；負(fù)反饋：xf 與 xi 作用相反，使 xd 減小。(2) 電壓反饋和電流反饋： 電壓反饋：xf uo(xo )電流反饋：xf io (xo)(3) 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋：xf 與 xi 以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端；并聯(lián)反饋：xf 與 xi 以并聯(lián)的形式作用于凈輸入端。AoFxi xd xf xo 圖 10.2.1

6、 反饋示意圖(4) 直流反饋和交流反饋 直流反饋：xf 是靜態(tài)直流分量； 交流反饋：xf 是動(dòng)態(tài)交流分量。(二) 反饋的判斷方法1. 判斷是否存在反饋？哪些是反饋元件？2. 是正反饋還是負(fù)反饋？ 對于負(fù)反饋：3. 判斷是交流負(fù)反饋還是直流負(fù)反饋？ 對于交流負(fù)反饋：4. 判斷交流負(fù)反饋的類型： 電壓反饋？電流反饋？串聯(lián)反饋？并聯(lián)反饋？返 回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁例如：在圖 所示電路中， ud+ uf +(1) 當(dāng)無負(fù)反饋時(shí)， ud uiud uiuf當(dāng) uo = 0時(shí)：(2) 當(dāng)增加 RF 和 R1 后： uf = 0因此 ufuo 結(jié)論: RF 和 R1 ：串聯(lián)電壓負(fù)反饋。Ao+uiuoR2

7、RLR1RF(a) 串聯(lián)電壓負(fù)反饋圖 集成運(yùn)放電路中的負(fù)反饋（注：與書中的電路有所不同) 1 串聯(lián)電壓負(fù)反饋RCC2C1RB+ui+uo+UCC補(bǔ)充例題 1 判斷圖示電路的反饋類型。if電壓反饋并聯(lián)反饋ii解 ui0 uo0 ib = iiifibif =ubuoRBuoRB即 if uo 結(jié)論: RB ：并聯(lián)電壓負(fù)反饋。2 并聯(lián)電壓負(fù)反饋例如：在圖 10.2.3 所示電路中，RCRB1RB2REC2C1+UCC+ui+uo(1) 對直流信號 UBE = UBUF = UBREIE(2) 對交流信號： ube= uiuf即 ud = uiuf其中 uf = ReieieicuBE+uf 結(jié)論:

8、 RE：串聯(lián)電流負(fù)反饋。圖 10.2.3 放大電路中的反饋反饋元件: RE3 串聯(lián)電流負(fù)反饋AO+uiR2R1RLRuo+RFiiidif(2) 增加 RF 支路后：id = iiif當(dāng) io = 0 時(shí)： 結(jié)論: RF ：并聯(lián)電流負(fù)反饋。io if = 0因此 ifio例如：在圖 10.2.2 (b) 所示電路中，(1) 當(dāng)無負(fù)反饋時(shí)， id ii(b) 并聯(lián)電流負(fù)反饋圖 10.2.2 集成運(yùn)放電路中的負(fù)反饋（注：與書中的電路有所不同) 4 并聯(lián)電流負(fù)反饋11.2.4 負(fù)反饋對放大電路性能的改善Xd = Xi XfXoXi=XoXd +Xf=Xo/ Xd1 +Xf / Xd=Xo / Xd1

9、 +XfXoXoXd反饋深度 |Af | = |Ao |1+|F | |Ao |即：如果： |F | |Ao |1 深度負(fù)反饋。返 回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁AoFxi xd xf xo圖 10.2.1 反饋示意圖|Af | 1|F |對于深度負(fù)反饋：(1) 提高了放大電路的穩(wěn)定性 d |Af |Af | d |Ao|Ao| =11+|F | |Ao| 可見： d |Af |Af | d |Ao|Ao |例如：|F | = 0.009， |Ao| = 1 000 如果：= 20% d |Ao|Ao|則：= 2% d |Ao|Ao|(2) 改善了波形失真：AouiuoudAoFuiufuouo(

10、a) 無負(fù)反饋時(shí)(b) 有負(fù)反饋時(shí)圖 10.3.2 改善非線性失真(3) 改變了輸入電阻或輸出電阻 串聯(lián)反饋：ri 并聯(lián)反饋：ri 電壓負(fù)反饋：ro 電流負(fù)反饋：ro(4) 穩(wěn)定了輸出電壓或電流電壓負(fù)反饋：穩(wěn)定 uo電流負(fù)反饋：穩(wěn)定 iouo+11.3 運(yùn)算放大器在信號運(yùn)算的應(yīng)用(一) 比例運(yùn)算電路(1) 反相比例運(yùn)算電路R1uiRfR2uu+u= u += 0虛地i1ifi1 = ifuiR1=uoRfuo =f1ui閉環(huán)電壓放大倍數(shù) Af圖 10.5.1 反相比例運(yùn)算電路 平衡電阻當(dāng) Rf = R1 時(shí)： uo = ui反相器靜態(tài)時(shí):uo+R1uiRfR2uu+平衡電阻: R2 = R1

11、/ Rf(2) 同相比例運(yùn)算電路uo+R1R2uiRfuu+i1if圖 10.5.2 同相比例運(yùn)算電路 u= u + = uiif = i1uo u Rfuo=RfR1 ) u+(1 +=uRfuo=RfR1 ) ui(1 +uo= ui 條件 ？平衡電阻: R2 = R1 / Rfuo+ui圖 10.5.3 電壓跟隨器例1 測量電阻的電路如圖所示。其中 ui = U = 10 V，輸出端接有滿量程為 5 V 的電壓表，被測電阻為 Rx 。(1) 試找出 Rx 與電壓表讀數(shù)的關(guān)系； (2) 若所用運(yùn)放為 F007 型，為了擴(kuò)大測量電阻的范圍，將電壓表的量程選為 50 V 是否有意義？uo+R1

12、1MuiRx +U V + 05V解 圖 是一個(gè)反相比例運(yùn)算電路。 (1)uo =x1uix=1uiuo=105 uo uo /Vx/1 2 3 4 51052105310541055105圖 例 的電路 (2) 查附錄可知： F007 型的最大輸出電壓為12 V。因此，選用超過 12 V 量程為 50 V 的電壓表無意義。圖10.5.5 加法運(yùn)算電路 相當(dāng)于開路uo=f12ui2(二) 加法運(yùn)算電路uo+R12RfR2R11ui1ui2uo = uo+ uo + 相當(dāng)于開路ui2+R12RfR2R11uo+R12RfR2R11ui1uo虛地uo=f11ui1虛地uo = uo+ uo+ )f

13、12=(f11ui1ui2 若 R11 = R12 = R1，則：uo=f1(ui1 + ui2) 若 R11 = R12 = Rf ，則： uo=(ui1 + ui2) 平衡電阻: R2 = R11 / R12 / Rfuo+R12RfR2R11ui1ui2圖 10.5.5 加法運(yùn)算電路 (三) 減法運(yùn)算電路R3uo+R1RfR2ui1ui2當(dāng)ui1單獨(dú)作用時(shí):+R3uo+R1RfR2ui1R3uo+R1RfR2ui2uo=f1ui1 當(dāng) ui2 單獨(dú)作用時(shí):uo= (1+RfR1 ) u+RfR1 ) ui2= (1+?uu+u+ =R3R2+R3ui2= (1+RfR1 ) R3R2+R

14、3ui2圖 10.5.6 減法運(yùn)算電路 則： uo = uo + uo當(dāng)RfR1 ) = (1 +R3R2+R3ui2 ui1f1=f132時(shí)：uo=f1(ui2ui1)平衡電阻: R2 / R3= R1 / RfR3uo+R1RfR2ui1ui2圖 10.5.6 減法運(yùn)算電路 例2 兩級運(yùn)算電路如圖 10.5.2 所示。(1) 試推導(dǎo) uo 與 ui1、ui2、ui3 的運(yùn)算關(guān)系；(2) 若: R1= R2= Rf1= 30 k，R3 = R4 = R5 = R6 =Rf2 = 10 k，ui1= 0.1 V，ui2= 0.2 V，ui3= 0.3 V，求 uo 的值。uo+R2Rf1R3R

15、1ui1ui2R6+R4Rf2R5ui3 + uo 解 (1)uo=(f11ui1 +f12ui2 )第一級運(yùn)算為加法運(yùn)算：圖 例2 的電路 uo=Rf2R4 ) (1+R6R5+R6ui3= uof24Rf2R4 ) (1+R6R5+R6ui3f11ui1 +f12ui2 )+f24(2)uo=ui3 +ui2 + ui1=(0.3 + 0.2 + 0.1) V= 0.6 V+R2Rf1R3R1ui1ui2R6+R4Rf2R5ui3 + uo uo圖 例2 的電路 uo+CuiRfuu+R2(四) 微分運(yùn)算電路i1if+ uCu= u+ = 0uC = uiif = i1i1 = CduCd

16、tif =uoRfuo =Rf Cduidt微分時(shí)間常數(shù)平衡電阻: R2 = Rf0uit0uot(b) 波形圖 微分運(yùn)算電路及其階躍響應(yīng)波形 (a) 電路Ui 補(bǔ)充例題2 已知輸入 ui 的波形如圖所示，試畫出輸出 uo 的波形。設(shè) 5 Rf Ctp 。解uo =Rf Cduidttui0+Uitptuo0t1 t2uo+CuiRfR2(五) 積分運(yùn)算uo+CuiR1uu+R2i1if+ uCu = u+ = 0uC = uuo =uoif = i1 i1 =uiR1if = CduCdt =Cduodtuo =ui dt1R1C積分時(shí)間常數(shù)平衡電阻:0uit0uotUi t1R1CUOMR

17、2 = R1(b) 波形圖 微分運(yùn)算電路及其階躍響應(yīng)波形 (a) 電路Ui11.4 運(yùn)算放大器在信號處理方面的應(yīng)用有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：1. 不使用電感元件，體積小重量輕。2. 有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個(gè)低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無需考慮級間影響。3. 除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。有源濾波器的缺點(diǎn)：1. 不宜用于高頻。3. 可靠性較差。2. 不宜在高電壓、大電流情況下使用。4. 使用時(shí)需外接直流電源。1 有源低通濾波器電路由RC低通 同相比例放大器組成同相比例放大器有uou+ui電路的傳遞函數(shù)為電路

18、特點(diǎn):具有較高輸入電阻和較低的輸出電阻，還具有電壓放大作用。由于式中s為一次冪，所以稱一階LPF。對數(shù)幅頻特性曲線在有源低通濾波器傳遞函數(shù)中，令s=jw有式中為低通截止頻率。其對數(shù)幅頻特性為曲線如圖所示-3-20dB/十倍頻2 高通濾波電路電路可由一階LPF互換R C得到傳遞函數(shù)為:uou+uI令s=jw有式中高通截止頻率-3+20dB/十倍頻(一) 基本電壓比較器11.4.2 電壓比較器uo+URuiuiuo0URUOM+UOM(b) 電壓傳輸特性圖 10.6.1 基本比較器（一） (a) 信號輸入方式uo+uiURuiuo0URUOM+UOM(b) 電壓傳輸特性圖 10.6.1 基本比較器

19、（二） (a) 信號輸入方式例1 分析電路的功能和工作原理。 解當(dāng)溫度低于某值時(shí)， R3 的阻值大： uiUR ,_+UCCR1R2R3R4KATuiURuo熱敏電阻uo=UOMT 截止，KA 不通電；當(dāng)溫度高于某值時(shí)， R3 的阻值?。?uiUR , uo = + UOMT 飽和導(dǎo)通，KA 通電，觸點(diǎn)動(dòng)作。RD1D2uo R、D1 和 D2 的作用？ 調(diào)節(jié) R2 的目的？ 圖 10.6.3 過溫度保護(hù)電路上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁11.5 運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用11.5.1 RC 正弦波振蕩電路（一）自勵(lì)振蕩Uf = F Uo Ui =UoAo Uf = Ui AoF =1 自勵(lì)振蕩的條件(1)自激振蕩相位條件：必須是正反饋。(2)自激振蕩振幅條件：|Ao | | F | =1+Uo+UiUf+放大電路Ao反饋電路F 圖 10.7.1 自勵(lì)振蕩的條件（二）起振過程接通電源 UoUi = Uf = | F |Uo Uo1= | Ao F