電子電工技術(shù)8-3

電工電子技術(shù)

教學(xué)課件

(模塊8放大電路與集成運(yùn)算放大器)

丁衛(wèi)民編單元3集成運(yùn)算放大電路

一、運(yùn)算放大器的基本知識(shí)集成運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放。是一個(gè)直接耦合的、高電壓放大倍數(shù)的、高輸入電阻、低輸出電阻的多級(jí)放大電路。1.集成運(yùn)放的外形和符號(hào)符號(hào)中，方形框的左邊引線端為信號(hào)輸入端，其中“-”端為反相輸入端，“+”端為同相輸入端，它們與“地”之間的電壓分別用u+

和u-

來(lái)表示；長(zhǎng)方形框右邊引線端為信號(hào)輸出端，輸出信號(hào)可用輸出端對(duì)“地”電壓uo來(lái)表示；框內(nèi)三角形表示放大器?！薇硎緸槔硐脒\(yùn)放的電壓放大倍數(shù)（一般只討論理想運(yùn)放）。2.集成運(yùn)放的輸入方式（1）單端輸入

①

反相輸入端輸入:這時(shí)輸入信號(hào)從反相輸入端輸入，同相輸入端通過(guò)電阻接地，輸入端與輸出端相位相反；

②

同相輸入端輸入:

這時(shí)輸入信號(hào)從同相輸入端輸入，反相輸入端通過(guò)電阻接地，輸入端與輸出端電壓相位相同。（2）雙端輸入

這時(shí)輸入信號(hào)從兩輸入端輸入，輸入信號(hào)為

，稱為差分輸入信號(hào)，這時(shí)輸入端與輸出端相位相反。3.集成運(yùn)放的組成

集成運(yùn)放主要由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)組成。

輸入級(jí)通常采用差動(dòng)放大電路，以抑制零點(diǎn)漂移、提高輸入電阻；中間級(jí)由一級(jí)或多級(jí)電壓放大電路組成，以提供較高的電壓放大倍數(shù)。輸出級(jí)一般為射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱放大電路構(gòu)成，以提高運(yùn)放的輸出功率和帶負(fù)載能力。4.理想集成運(yùn)算放大器理想運(yùn)放具有以下特征：（1）開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ao→∞；（2）輸入電阻ri→∞；（3）輸出電阻ro→0；理想運(yùn)放兩個(gè)重要的結(jié)論：（1）虛短兩輸入端虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短，即（2）虛斷兩輸入端虛假斷開(kāi)，簡(jiǎn)稱虛斷，即二、放大電路中的反饋1.反饋放大電路中的反饋，就是把放大電路的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，經(jīng)過(guò)一定的電路（稱為反饋電路）送回到它的輸入端，與原來(lái)的輸入量（電壓或電流）結(jié)合以共同控制該放大電路的過(guò)程。具有反饋電路的放大器稱為反饋放大器，反饋放大器的方框圖如圖：圖中方框A代表基本放大電路，方框F代表反饋電路。圖中Xi表示原輸入信號(hào)，Xf表示反饋信號(hào)，Xi‘，表示凈輸入信號(hào)，X0表示輸出信號(hào)。

在基本放大電路中，信號(hào)從輸入端向輸出端正向傳輸；而在反饋電路中，信號(hào)傳輸方向與之相反，由輸出端回授給輸入端。反饋電路與基本放大電路一起構(gòu)成封閉的環(huán)路。因此，將含有反饋的電路稱為閉環(huán)電路；不包含反饋的電路稱為開(kāi)環(huán)電路。2．反饋類型（1）按反饋極性分可分為負(fù)反饋正反饋。若引入的反饋信號(hào)是削弱輸入信號(hào)而使放大電路的放大倍數(shù)降低，則為負(fù)反饋;反之，則為正反饋。負(fù)反饋可以改善放大電路的性能，幾乎所有的實(shí)用放大器中都設(shè)有負(fù)反饋電路。（2）按交直流性質(zhì)分可分為交流反饋和直流反饋。直流通路中存在的反饋為直流反饋；交流通路中存在的反饋為交流反饋；直流反饋多用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，交流反饋主要用于放大電路性能的改善。（3）按輸出端取樣對(duì)象分可分為電壓反饋和電流反饋。在輸出端，反饋信號(hào)取自輸出電壓為電壓反饋；反饋信號(hào)取自輸出電流為電流反饋。電壓反饋

電流反饋（4）按輸入端的連接方式分可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。在輸入端，反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)后獲得凈輸入信號(hào)，為串聯(lián)反饋；反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)后獲得凈輸入信號(hào)，為并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋

并聯(lián)反饋3.負(fù)反饋特性如圖反饋電路框圖中，若電路是負(fù)反饋電路，輸入信號(hào)xi，反饋信號(hào)xf

，凈輸入信號(hào)xi’三者關(guān)系為反饋系數(shù)F定義為反饋信號(hào)與輸出信號(hào)的比值，即基本放大電路（開(kāi)環(huán)電路）的放大倍數(shù)負(fù)反饋放大電路（閉環(huán)電路）的放大倍數(shù)由上面幾式可以推出上式是負(fù)反饋放大電路的基本關(guān)系式，它表達(dá)了閉環(huán)和開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)及反饋系數(shù)之間的關(guān)系。因?yàn)?/p>

，所以

，即負(fù)反饋放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)小于開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)?？梢?jiàn)，放大電路引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)降低了，

稱為反饋深度，

值越大，則負(fù)反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，就愈降低。4.負(fù)反饋的四種組態(tài)及對(duì)放大器性能的影響負(fù)反饋放大電路按反饋電路與輸入、輸出的連接方式分有四種基本組態(tài)，即電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流并聯(lián)負(fù)反饋。由上可知，放大電路引入交流負(fù)反饋后，消弱了輸入信號(hào)，降低了放大倍數(shù)；但它卻以此為代價(jià)換取了以下性能指標(biāo)的改善：（1）提高放大電路放大倍數(shù)的穩(wěn)定性；

（2）減小了非線性失真；（3）展寬了電路通頻帶；（4）減小了內(nèi)部噪聲干擾（5）改變了放大器的輸入、輸出電阻。即：串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大，并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減??；電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小，電流負(fù)反饋使輸出電阻增大。另外，在放大電路中引入直流負(fù)反饋可以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)。5.引入負(fù)反饋的一般原則（1）要穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，應(yīng)引入直流負(fù)反饋。（2）要改善交流性能（如提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，擴(kuò)展通頻帶，家小非線性失真等）應(yīng)引入交流負(fù)反饋。（3）要穩(wěn)定輸出電壓，減小輸出電阻，應(yīng)引入電壓負(fù)反饋，要穩(wěn)定輸出電流，增大輸出電阻，應(yīng)引入電流負(fù)反饋（4）要提高輸入電阻，應(yīng)引入串聯(lián)負(fù)反饋；要減小輸入電阻，應(yīng)引入并聯(lián)負(fù)反饋。根據(jù)以上原則，針對(duì)具體要求綜合分析，便可確定引入負(fù)反饋的類型。三、集成運(yùn)放的基本應(yīng)用1.反相比例運(yùn)算放大電路由節(jié)點(diǎn)A，應(yīng)用KCL得: 而

（虛斷）所以：由圖得：

又因?yàn)椋?/p>

（虛斷）

（虛短）所以：

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：可見(jiàn)，輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，且相位相反。當(dāng)R1=Rf=R時(shí)；

即輸入電壓與輸出電壓大小相等，相位相反；稱為反相器。

2.同相比例運(yùn)算放大電路由節(jié)點(diǎn)A，應(yīng)用KCL得:而

（虛斷）所以：由電路，得：又因?yàn)椋核裕赫淼茫翰⒌瞄]環(huán)電壓放大倍數(shù)：可見(jiàn)，輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，且相位相同。當(dāng)

時(shí)即輸入電壓與輸出電壓大小相等，相位相同；稱為同相器，又稱電壓跟隨器。

3.加法運(yùn)算放大器由節(jié)點(diǎn)A，應(yīng)用KCL得:而

（虛斷）所以：由電路，得：又因?yàn)椋核裕赫淼茫?/p>

可見(jiàn)，輸出電壓與輸入電壓成加法關(guān)系，且相位相反。當(dāng)

時(shí)，稱為反相加法比例運(yùn)算。當(dāng)

時(shí)，即輸入電壓與輸出電壓滿足加法關(guān)系。相位相反；稱為加法器。

4.減法運(yùn)算放大器減法運(yùn)算電路是一個(gè)雙端輸入的運(yùn)算放大器。一般取Rf=R1=R2=R3