電路與電子技術(shù)基礎(chǔ) 課件 馬洪連 第5章 集成運算放大器

第5章集成運算放大器

1了解電流源電路的工作原理及特點。理解解差動放大電路的組成。理解抑制零點漂移的工作原理。掌握差動放大器的主要技術(shù)指標(biāo)的計算方法。理解集成運算放大器的基本組成及主要參數(shù)的意義。理解集成運放的電壓傳輸特性，掌握集成運放的分析與計算方法。

第5章集成運算放大器

集成電路是采用半導(dǎo)體集成工藝，把眾多晶體管、電阻、電容及連線制作在一塊硅片上，做成具有特定功能的獨立電子線路。具有性能好、可靠性高、體積小、耗電少、成本低等優(yōu)點。集成運算放大器簡稱運放。集成運放是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。目前，集成運放作為一種通用模擬集成器件被廣泛用于各種電子系統(tǒng)及設(shè)備中。

集成運放的結(jié)構(gòu)組成特色：2

5.1集成運放的概述345.2電流源電路電流源（CurrentSource）電路是廣泛應(yīng)用于集成電路中的一種單元電路。在集成電路中，電流源除了作為偏置電路提供恒定的靜態(tài)偏置電流外，還可利用其交流輸出電阻大的特點，作有源電阻使用，以提高單級放大電路的電壓放大倍數(shù)。電流源的類型較多，如書中表5.1所示，其廣泛應(yīng)用在集成運算放大器中。1.鏡像電流源T2T1IrIoR+UCCRo=rce25Ir=IC1+2IB=(β+2)IBIB=Ir/(β+2)IO=βIB=βIr/(β+2)2.鏡像電流源電路用作有源負(fù)載T2T3+UCCui

RT1

iruO

電流源電路用作有源負(fù)載

由于電流源電路具有直流電阻小而交流（動態(tài)）電阻大的特點，所以，在模擬集成電路中廣泛地把它作為負(fù)載使用，稱為有源負(fù)載。左圖所示電路中，由T2、T3管組成的鏡像電流源作為T1管（共發(fā)射極放大電路）的集電極有源負(fù)載。

因為電流源電路的交流電阻很大，所以它可使單級共發(fā)射極放大電路的電壓達(dá)103，甚至更高。電流源電路也常用作射極負(fù)載。6

5.3.1直接耦合放大電路中的主要問題

直接耦合放大電路可以放大直流信號。如果一個電路的輸入信號為零時，而輸出信號卻不為零，我們將這種現(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。

零漂是直接耦合放大電路中存在的主要問題。在多級放大電路中，第一級電路的零漂決定整個放大電路的零漂指標(biāo)。

75.3差動放大電路5.3.2差動放大電路的組成及工作原理

要求電路參數(shù)對稱，發(fā)射極共用電阻RE。電路具有兩個輸入端，也可單端輸入；具有兩個輸出端，也可單端輸出。這樣，差動放大器具有四種輸入、輸出方式。81.靜態(tài)工作情況靜態(tài)時，ui1=ui2=0，由于電路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)的對稱性，兩邊的集電極電流相等，集電極電位也相等，即：IC1=IC2，UC1=UC2故輸出電壓：UO=UC1－UC2=0當(dāng)溫度升高時，兩管的集電極電流增大，集電極電位下降，且兩邊的變化量相等，即：

雖然每只管子都產(chǎn)生了零點漂移，但是在雙端輸出時，兩管集電極電位的變化相互抵消，所以輸出電壓仍為零，即可見，零點漂移完全被抑制了，對稱差動放大電路對兩管所產(chǎn)生的同向漂移（不管是什么原因引起的）都具有抑制作用，這是它的突出優(yōu)點。9

105.3.3差動放大電路的分析計算RE+UO－RC－UEERCT2+UCCT1ICQ1ICQ2IEQ

差放直流通路RBRBIBQ2IBQ1IEQ1IEQ21.雙端輸入、雙端輸出差放直流電路分析ICQ1=ICQ2，IBQ1=IBQ2，IEQ1=IEQ2，UCQ1=UCQ2因此，靜態(tài)時差動放大電路的輸出電壓為零，即：

UO=UCQ1－UCQ2=0。ui=0，則UEE=IBQRB+UBEQ+IEQRE，忽略IBQ、UBEQ得：

11注意：對于單獨的T1和T2兩級，RE分別等效為2RE。2.動態(tài)電路分析

（1）雙入、雙出差放

動態(tài)差模輸入分析圖5-6雙端輸入、雙端輸出差動放大電路的差模輸入電路+ui1=uid/2－+uid－RBRBRE+uod－RC－UEERCT2+UCCT1+ui2=－uid/2－RL12畫出差模交流通路由于在ui作用下，Δie1增加，Δie2減少，iE不變，故RE無窮大，相當(dāng)于開路。+ui1=uid/2－+uid－RBRB+uod－RCRCT2T1+ui2=－uid/2－RL/2RL/2RBRB－uid/2++uid/2－+

uod

－RCRCT2T1RL/2RL/2+Uid－+uod1－－uod2+

13①差模電壓增益雙端輸入雙端輸出差動放大電路的差模電壓增益為：

上式表明，雙端輸入雙端輸出差動放大電路的差模電壓增益等于其差模交流通路中單邊放大電路的電壓增益，即：

其中：14注：uod1與uod2反相

雙端輸入單端輸出差放電路以負(fù)載電阻RL接在T1管的集電極到地之間為例，如圖5-8（a）所示，則其差模交流通路如圖5-8（b）所示。15

16

②差模輸入電阻無論是雙端輸出還是單端輸出，雙端輸入差動放大電路的差模輸入電阻是相同的，都等于單邊放大電路輸入電阻之和，即Rid=2(RB+rbe)

③差模輸出電阻雙端輸出時，差動放大電路的差模輸出電阻為Rod≈2RC

單端輸出時，差動放大電路的差模輸出電阻為Rod1=Rod2≈RC

（2）共模輸入電路分析17①共模電壓增益

雙入、雙出差放共模輸出電壓為uoc=uc1－uc2=0故得差動放大電路雙端輸出時的共模電壓增益為：雙入、單端輸出時的共模電壓增益為：18②共模輸入電阻無論是雙端輸出還是單端輸出，從輸入端看進(jìn)去的共模輸入電阻均為③共模輸出電阻雙端輸出時，差動放大電路的共模輸出電阻為：Roc≈2RC

單端輸出時，差動放大電路的共模輸出電阻為：Roc1=Roc2≈RC

（3）共模抑制比KCMR

雙端輸出時，共模抑制比為：單端輸出時，共模抑制比為：

19四種差分放大電路性能一覽表:20

5.3.4恒流源差動放大電路

在典型差動放大電路中，RE愈大，抑制共模信號的能力愈強(qiáng)，但是若RE過大，RE上的直流壓降增大，相應(yīng)地要求負(fù)電源UEE的電壓很高；而且，在集成電路中制造大電阻十分困難。為了達(dá)到既能增強(qiáng)負(fù)反饋（RE起共模負(fù)反饋的作用），又不必使用大電阻，也不致要求UEE電壓過高的目的，采用恒流源電路替代RE在電路中的作用，見圖（a）。圖（b）為其簡化畫法。（a）T3RB+ui1－+uo－RCRCT2+UCCT1+ui2－RB－UEER3R2R1RB+ui1－+uo－RCRCT2+UCCT1+ui2－RB－UEEI0ro（b）21

22

恒流源作為差分放大電路的負(fù)載T3、T4恒流源電路作為T2負(fù)載電阻，提高電壓放大倍數(shù)。235.4集成運算放大器實例5.4.1實際應(yīng)用電路內(nèi)部電路組成892VT3VT4VT1VT2+VT12+VCC+15VVT7R11kΩ3VT13VT16VT17R927ΩR45kΩR539kΩ－VEE－15VR7100ΩR6R31kΩIREF

－VT5VT615VT8VT9VT11VT1050kΩVT22VT23R850kΩVT18VT19ABVT24R1022ΩVT21VT20VT14VT15746輸入級輸出級中間級偏置電路50kΩRPCC30pF2425（1）偏置電路

集成運放采用電流源偏置技術(shù)，電流源電路包含在各級電路中，它不僅為各級電路提供穩(wěn)定的恒流偏置，而且也作為放大級的有源負(fù)載。其中T10、T11、T12管和R4、R5組成的微電流源，作為整個集成運放的主偏置級；T8、T9為一對橫向PNP型管，它們組成鏡像電流源，為輸入級T1、T2管提供偏置電流；T12、T13管組成雙輸出的鏡像電流源，其中T13管為雙集電極的橫向PNP型管，可以看作是兩個三極管。一路輸出為T13B的集電極，主要作為中間放大級的有源負(fù)載；另一路輸出為T13A的集電極，供給輸出級的偏置電流，使T14、T20工作在甲乙類放大狀態(tài)，同時也作為T23A的有源負(fù)載。

(2）差動輸入級輸入級是由T1～T7管組成的差動放大電路組成，其中，T1、T3和T2、T4組成共集-共基組合差動放大電路，T5、T6、T7組成的改進(jìn)型鏡像電流源作為其有源負(fù)載。輸入級為雙端輸入、單端輸出，其中，T1管的基極為同相輸入端，T2管的基極為反相輸入端；引自T4、T6公共集電極的單端輸出是中間放大級的輸入信號。26（3）中間增益級

中間增益級由T16、T17管組成。其中，T16管構(gòu)成射極輸出器，因此，中間級的輸入電阻很高，這樣，就可大大降低中間級對輸入級的負(fù)載效應(yīng)，從而保證了輸入級的高電壓增益。從這個意義上講，T16管是用作輸入級和中間級的隔離級。中間級的增益主要是由T17管組成的共發(fā)射極電路提供，T13B和T12組成的鏡像電流源為其集電極有源負(fù)載，本級的電壓增益可達(dá)55dB。此外，為了消除運放在深度負(fù)反饋時的自激振蕩，在中間級采用了頻率補償技術(shù)，Cφ為密勒補償電容。

（4）互補功率輸出級和保護(hù)電路

輸出級采用了互補推挽功率放大電路，由T14、T20管組成。T18、T19和R10組成的電路用于提供T14、T20管的靜態(tài)偏置電壓，使其工作在甲乙類狀態(tài)，以克服交越失真。27285.4.2集成運算放大器的主要參數(shù)1.與運算精度有關(guān)的參數(shù)（1）交流參數(shù)①開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod指在規(guī)定負(fù)載的情況下，運放開環(huán)（不加反饋）時的差模電壓放大倍數(shù)。

②共模抑制比KCMRKCMR指運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比，通常用分貝表示，即：③差模輸入電阻RidRid指當(dāng)運放加差模信號時，從運放兩個輸入端看進(jìn)去的等效電阻。（2）直流參數(shù)①輸入偏置電流IIB輸入偏置電流IIB是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值：29②輸入失調(diào)電壓UIO及其溫漂△UIO/△T

由于差動輸入級的不完全對稱，在輸入為零時，為使輸出也為零而在輸入端所加的補償電壓，稱為失調(diào)電壓UIO。UIO值越大，說明電路的對稱程度越差。失調(diào)電壓UIO隨溫度而變化，其比值△UIO/△T稱為失調(diào)電壓溫漂。③輸入失調(diào)電流IIO及其溫漂△IIO/△T輸入失調(diào)電流IIO是指集成運放輸出電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的差，即IIO=∣IB1-IB2∣。輸入失調(diào)電流IIO隨溫度而變化，其比值△IIO/△T稱為失調(diào)電流溫漂。2.與工作速率和工作頻率有關(guān)的主要參數(shù)①開環(huán)帶寬BWAod下降3dB時對應(yīng)的輸入信號頻率為BW。②轉(zhuǎn)換速率SR轉(zhuǎn)換速率SR反映運放對高速變化信號的響應(yīng)速度，定義為：303.與器件安全工作有關(guān)的參數(shù)

①最大差模輸入電壓Uidmax指的是保證集成運放正常工作，反相和同相輸入端之間所能承受的最大電壓值，它對應(yīng)于差放對管中三極管發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。②最大共模輸入電壓Uicmax指的是保證集成運放正常工作，反相和同相輸入端同時加入電壓的最大電壓值，它對應(yīng)于差放對管中三極管飽和或截止時所對應(yīng)的輸入電壓值。5.4.3理想運算放大器的概念及其特點1.集成運放理想化的條件（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod→∞；（2）差模輸入電阻Rid→∞；（3）差模輸出電阻Rod→0；（4）共模抑制比KCMR→∞。（5）輸入偏置電流IIB→0；（6）輸入失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO及它們的溫漂均為零。312、

理想運放的特點

理想運放工作在飽和區(qū)時，當(dāng)u+>u-時，uO=+UOM(忽略管飽和壓降后，約為UCC)當(dāng)u+<u-時，uO=-UOM

(忽略管飽和壓降后，約為-UEE)理想特性圖5-15集成運放的電壓傳輸特性u+－u－+UOMOuo－UOM線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)實際特性①虛假短路（虛短）當(dāng)運放工作在線性區(qū)時，其輸出電壓與兩個輸入端的電壓之間存在線性關(guān)系，即：

uo=Aod(u+－u-)

由于理想運放的Aod→∞，而其輸出電壓uo為有限值，所以有u+≈u－

，Δui≈0，故稱虛短。②虛假斷路（虛斷）

由于理想運放的Rid→∞，所以流入運放反相輸入端與同相輸入端的電流近似等于零，即：

i+=i-≈0，故稱虛斷。325.4.4集成運算放大器的使用注意事項1.集成運放的分類和選用集成運放根據(jù)應(yīng)用來分可分為兩大類，一類為通用型運放，另一類為專用型運放（特殊參數(shù)要求）。2.集成運放的保護(hù)使用集成運放時，為了防止損壞，應(yīng)在電路中采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，常用的保護(hù)有輸入端保護(hù)、輸出端保護(hù)和電源保護(hù)。目前，運放內(nèi)部多自帶各種保護(hù)措施。D2D1ui（a）輸入端保護(hù)R2R1uo_+ARfDZ1DZ2R1uoui_+AR2R3（b）輸出端保護(hù)（c）電源保護(hù)－U+UD1D2_+A333.調(diào)零

由于運算放大器內(nèi)部管子的參數(shù)不可能完全對稱，所以當(dāng)輸入信號為零時，仍有輸出信號。為此，在使用時都要外接調(diào)零電路。1輸出端5－15V+15V4_+A圖5-17μA741的調(diào)零電路2637反相輸入端同相輸入端RW345.5節(jié)內(nèi)容要求

深刻理解反饋的概念，熟悉反饋系統(tǒng)的組成框圖,熟練掌握閉環(huán)放大倍數(shù)方程;

掌握反饋的分類及反饋類型的判別方法;

熟悉負(fù)反饋對放大器性能的改善，會根據(jù)要求正確引入負(fù)反饋;

掌握深度負(fù)反饋放大器的近似估算方法.

355.5放大電路中的負(fù)反饋反饋理論及反饋技術(shù)在自動控制、信號處理、電子電路及電子設(shè)備中有著十分重要的作用。在放大電路中，負(fù)反饋作為改善其性能的重要手段而備受重視。本章從反饋的基本概念出發(fā),討論了反饋的分類方法，推導(dǎo)出負(fù)反饋放大電路增益的基本方程式，給出了四種基本的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，研究了負(fù)反饋對放大電路性能的影響，討論了深度負(fù)反饋放大電路的近似估算方法。365.5.1反饋的基本概念及反饋放大電路框圖1.反饋的基本概念在電子電路中，反饋現(xiàn)象是普遍存在的。下面以放大電路為例介紹反饋的概念。

所謂反饋，就是指將放大電路輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過一定網(wǎng)絡(luò)（稱為反饋網(wǎng)絡(luò)），以一定形式（與輸入信號串聯(lián)或并聯(lián)）返送到輸入回路，來影響電路性能的技術(shù)。例如，在第4章位于共發(fā)射極電路的射極電阻RE，當(dāng)晶體管的參數(shù)隨溫度變化時，它們可用來穩(wěn)定Q點。這種穩(wěn)定機(jī)理，恰恰是利用了負(fù)反饋的理論。37

UBEQ=UBQ－UEQ，式中基本不變。但UEQ則不同，UEQ=IEQRE≈ICQRE，它攜帶著放大電路輸出電流ICQ的變化信息。如果因為某種因素（例如溫度升高）使ICQ增大時，UEQ也相應(yīng)增大，導(dǎo)致UBEQ反而減小，從而使IBQ減小，進(jìn)而牽制了ICQ的增大，結(jié)果使ICQ趨于穩(wěn)定。這里，發(fā)射極電阻RE將輸出電流ICQ的變化反饋到輸入回路，引進(jìn)了一種自動調(diào)節(jié)的機(jī)制，這種技術(shù)稱為反饋。38

2.反饋放大電路的基本框圖

反饋放大電路抽象為圖所示的方框圖。由圖可見，反饋放大電路由基本放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)和比較環(huán)節(jié)組成。其中，

XI、XID

(或稱XI’)、XO

、XF

分別表示反饋放大電路的輸入信號、凈輸入信號、輸出信號和反饋信號；A表示基本放大電路的增益，又稱為開環(huán)增益；F表示反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)，或反饋系數(shù)。傳輸方向均為單方向傳輸。

在方框圖中，XI、XID、XO、XF可以是電壓量，也可以是電流量。A和F是廣義的增益和反饋系數(shù)，由于其物理含義的不同，形成了不同的反饋類型。39

2.反饋的分類及判別方法

1）按交直流性質(zhì)分：直流反饋和交流反饋分析時設(shè)定基本放大器和反饋電路都是二端口網(wǎng)絡(luò)，傳輸信息是單方向的，即放大器是從左向右，反饋網(wǎng)絡(luò)是從右向左。電容具有隔直通交作用，對直流信號可認(rèn)為開路，對交流信號可認(rèn)為短路。40判斷下面電路中的直流、交流反饋元件：RE1具有直、交反饋作用，RE2具有直流反饋作用。412）按反饋的極性分：正反饋和負(fù)反饋正反饋可以使電路輸出信號變大，負(fù)反饋可以使電路信號得到穩(wěn)定。判別方法：

瞬時極性法對串聯(lián)反饋:uid=ui

－

uf

（反饋信號在放大器以串行方式出現(xiàn)）

負(fù)反饋正反饋對并聯(lián)反饋:iid=ii

－

if

負(fù)反饋（反饋信號以并行方式出現(xiàn)）iid=ii

+

if正反饋42采用瞬時極性判斷時，對于基本放大器網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)都是單方向進(jìn)行判斷！基本放大器傳輸方向從左向右，反饋網(wǎng)絡(luò)從右向左。43443）

按輸出端取樣對象分：電壓反饋和電流反饋特點:電壓負(fù)反饋用來穩(wěn)定輸出電壓;

電流負(fù)反饋用來穩(wěn)定輸出電流。

45RL

(b)RERB2UCCRB1C1C2T+ui

－RLRERB2+uo－RCRB1UCC

(a)C1C2T判別方法有二種方式:圖（a）由結(jié)構(gòu)判斷：除公共地線外,若輸出線與反饋線接在同一點上,為電壓反饋；若接在不同點上,為電流反饋。

圖(b)負(fù)載短路法：將負(fù)載短路,若反饋信號消失,為電壓反饋；若反饋依然存在,為電流反饋。+ui

－+uo－46RLRE1RE2RBRC1T1RC2T2UCCT3RC3RE3+

us

－RsRf(b)4）按輸入端接入方式分：串聯(lián)反饋和并流反饋

特點是串聯(lián)負(fù)反饋可以增大輸入阻抗；并聯(lián)負(fù)反饋可以減小輸入阻抗。

判別方法同樣有二種方式:（1）由結(jié)構(gòu)判斷；除公共地線外,若反饋線與輸入信號線接在同一點上,為并聯(lián)反饋；若接在不同點上,為串聯(lián)反饋。（2）反饋節(jié)點對地短路法：反饋接點對地短路,若輸入信號仍能送入,為串聯(lián)反饋；否則，為并聯(lián)反饋。RB12RsC3RLRE2RC2RB21RB22RE1Rc1+

us

－RB11C1C2T1CE1+uo－UCCT2Rf(a)+uo－4748【例5.5-1】一個反饋放大電路如圖5.5-7所示，試說明電路中存

在哪些反饋，并判斷各反饋的類型。

R4前級直、交流反饋；

R8后級直流反饋；R4、R9、C4構(gòu)成了級間交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋；

注意：電路中同時有單級反饋、級間反饋時，起主要作用的是級間反饋。圖5.5

【例5.5-1】的圖49Rf構(gòu)成了級間電流并聯(lián)負(fù)反饋【例5.5-2】反饋放大電路圖5.5-9所示，試判斷級間反饋的類型。Rs圖

5.5-9【例5.5-2】的圖RC1RC2+UCCT1－UEET2+

us

－RE3T3R1RfRC3+uo－ifiiiid50R5構(gòu)成了級間電壓并聯(lián)負(fù)反饋【例5.5-3】試判斷圖6-10所示反饋放大電路中級間反饋的類型。圖

5.5-10【例5.5-3】的圖515.5.2負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式及四種基本組態(tài)根據(jù)輸出端采樣方式的不同和輸入端連接方式的不同，負(fù)反饋可分為四種基本組態(tài)：52+

us

－+

uo

－RLAuFuRs+

ui

－+

uid

－+

uf

－(a)電壓串聯(lián)負(fù)反饋··+

uo

－(b)電流串聯(lián)負(fù)反饋+

us

－AgFrRLRs+

ui

－+

uid

－+

uf

－io··Rs+

uo

－isArFgRLiiif(c)電壓并聯(lián)負(fù)反饋··iid+

uo

－AiFiRLRsiiiidifis(d)電流并聯(lián)負(fù)反饋··io根據(jù)上式解出閉環(huán)放大倍數(shù)：

53負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式：已知X0=AX’i=A(Xi–Xf)=A(Xi–FX0)

表5.5-1四種負(fù)反饋放大電路各參數(shù)的定義及名稱

組態(tài)

參數(shù)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)反饋名稱開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)互阻放大倍數(shù)開環(huán)互導(dǎo)放大倍數(shù)開環(huán)電流放大倍數(shù)定義名稱電壓反饋系數(shù)互導(dǎo)反饋系數(shù)互阻反饋系數(shù)電流反饋系數(shù)定義名稱閉環(huán)電壓放大倍數(shù)閉環(huán)互阻放大倍數(shù)閉環(huán)互導(dǎo)放大倍數(shù)閉環(huán)電流放大倍數(shù)定義545.5.3負(fù)反饋對放大電路性能的影響

負(fù)反饋以犧牲放大倍數(shù)為代價，換來了放大電路許多方面性能的改善。1.提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性由于放大倍數(shù)的穩(wěn)定性是用它的絕對值的變化來表示的,在不考慮相位關(guān)系時,式（6-4)中的各量均用正實數(shù)表示，即:

Xo

AAf

=——=———

(6－6)

Xi

1+AF

dAf1AF

1=－=

dA1+AF

(1+AF)2(1+AF

)2

dA

dAf=

(1+AF)255dAf

dA

1

dA==(6-7)

AfAf(1+AF

)21+AF

A另一方面，由式（6-5）可知，當(dāng)引入深度負(fù)反饋后，放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)僅僅取決于反饋網(wǎng)絡(luò)，而與基本放大電路幾乎無關(guān)，當(dāng)然也就和放大器件的參數(shù)無關(guān)了，所以放大倍數(shù)的穩(wěn)定性會大大提高。式（6-7）表明，引入負(fù)反饋后，閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化是開環(huán)放大倍數(shù)相對變化的

。56【例5.5-4】已知一反饋系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)A=106,閉環(huán)放大倍數(shù)Af=100。如果A下降20%,試問Af下降多少?【解】

AAf=

1+AF

dAf

1

dA1==×20%=0.002%Af

1+AF

A104A1+AF

==104Af

可見，與開環(huán)放大倍數(shù)相比，閉環(huán)放大倍數(shù)變化的百分比要小得多。57

2.減小非線性失真和抑制干擾、噪聲

負(fù)反饋減小放大電路非線性失真的機(jī)理可用下圖說明。（a）無反饋時放大電路的失真現(xiàn)象（由于內(nèi)部原因造成）58（b）負(fù)反饋放大電路抑制了產(chǎn)生的失真現(xiàn)象

3.擴(kuò)展通頻帶頻率響應(yīng)是放大電路的重要特性之一，而通頻帶是它的重要技術(shù)指標(biāo).引入負(fù)反饋是展寬頻帶的有效措施之一。

假設(shè)基本放大電路在高頻段的放大倍數(shù)為:當(dāng)引入負(fù)反饋,并設(shè)反饋系數(shù)為時,將上式代入Af:59上式可寫成比較以上兩式可得:可見引入負(fù)反饋后，中頻放大倍數(shù)減小了（1＋）倍，而上限截止增大了（1＋）倍。60

4.改變輸入和輸出電阻

1）負(fù)反饋對輸入電阻的影響在反饋電路中，輸入電阻的改變?nèi)Q于反饋放大電路輸入端的連接方式，而與輸出端的采樣方式無關(guān)。

基本放大器反饋網(wǎng)絡(luò)XoRsRi圖5.5-14并聯(lián)負(fù)反饋框圖·Ii·Iid·If+·

Ui

－·Is·圖5.5-13串聯(lián)負(fù)反饋框圖

基本放大器反饋網(wǎng)絡(luò)Xo+

Us

－Rs·IiRi+·

Ui

－+Vid－+Vf

－····61對圖5.5-13,串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻：·····

UiUid+Uf

UidUf

Rif

=—=———

=—

(1+—)

=Ri(1+AF)

····IiIi

IiUid

··對圖5.5-14,并聯(lián)負(fù)反饋減少輸入電阻：

···UiUiUiRi

Rif

=—=——=—————

=——

········IiIid+If

Iid(1+If/Iid)

1+AF62圖5.5-15(a)電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖5.5-15(b)電壓并聯(lián)負(fù)反饋圖5.5-16(a)電壓串聯(lián)負(fù)反饋求輸出電阻圖5.5-16(b)電壓并聯(lián)負(fù)反饋求輸出電阻63

2）負(fù)反饋對輸出電阻的影響

輸出電阻取決于反饋網(wǎng)絡(luò)在輸出端的采樣方式，而與輸入端的連接方式無關(guān)。電壓負(fù)反饋輸出電阻減小1＋倍。圖5.5-17(a)電流串聯(lián)負(fù)反饋圖5.5-17(b)電流并聯(lián)負(fù)反饋圖5.5-18(a)電流串聯(lián)負(fù)反饋求輸出電阻圖5.5-18(b)電流并聯(lián)負(fù)反饋求輸出電阻64即引入電流負(fù)反饋，放大電路的輸出電阻增大1＋倍。65負(fù)反饋對放大電路性能的改善，是以犧牲增益為代價的，且對電路環(huán)內(nèi)的性能產(chǎn)生影響。例如，電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓：RL?→uo?→uf?→ui’?→uo?

電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流：

T?→β?→uf?→ui?→ib?→io?負(fù)反饋對放大電路性能的影響見表5.5-2電壓串聯(lián)電壓并聯(lián)電流串聯(lián)

電流并聯(lián)

穩(wěn)定何種增益·Avf·Arf·Agf·Aif輸入電阻Rif增大減小

增大減小輸出電阻Rof

減小

減小增大增大通頻帶

增寬

增寬增寬增寬非線性失真與噪聲

減小

減小減小減小用途

電壓放大電路的輸入級或中間級

電流-電壓變換器及放大電路的中間級電壓-電流變換器及放大電路的輸入級

電流放大

66675.5.5深度負(fù)反饋放大電路的近似估算68或者：uf=uo

R1/(R1+R2),Af=uo/ui≈uo/uf=1+Rf/R1例題1、判斷反相比例運算電路的反饋極性和反饋類型，寫出該電路閉環(huán)增益的表達(dá)式。（R’電阻為保持電路對稱的平衡電阻，計算時由于i+為0，故可認(rèn)為短路，R’可忽略。）解（1）根據(jù)瞬時極性法分析，該電路為電壓并聯(lián)負(fù)反饋。

（2）根據(jù)理想集成運放的虛斷、虛短概念，得：i+=i－≈0，

ii=i－+if→ii=if（虛斷）

u+=R′i+=0，

u+?u－=

ui’≈0,故u+≈u－≈0（虛短）。由于是輸入端并聯(lián)深負(fù)反饋，所以

ii≈if故：69

7071

T+·

Ui

－RL+·

Uf

－

(b)RE1+·

Uo

－·Io·Ib·Ie圖6-19【解】圖中由Re1引入了電流串聯(lián)負(fù)反饋.若滿足深度負(fù)反饋條件,可利用下式進(jìn)行分析:(Δui≈0)··Ui≈

UfRLC2CERE1TRE2RB2C1+ui－+

uo－RCRB1UCC(a)722、深度負(fù)反饋放大電路的近似計算【例6-5】分壓式偏置Q點穩(wěn)定電路如圖6-19(a)所示,假設(shè)滿足深度負(fù)反饋條件,試估算其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf?！ぁi≈

Uf···Uf=Ie

Re1≈Io

Re1··Uo=－Io

RL

···UoUoRL’

Auf=—≈=－

··UiUfRE173(5~10倍以上)(a)電路圖(b)交流通路圖5.5-20例6-6的圖【解】（1）畫出圖5.5-20（a）電路的交流通路如圖5.5-20（b）所示。由圖可以判斷由RE2和Rf引入了電流并聯(lián)負(fù)反饋。74【例5.5-6】反饋放大電路如圖5.5-20(a)所示。(1)試判斷電路中引入的級間反饋的類型;(2)求在深度負(fù)反饋條件下的Af

和Ausf（2）由于電路引入的是電流并聯(lián)負(fù)反饋，所以閉環(huán)放大倍數(shù)

的具體形式應(yīng)為閉環(huán)電流放大倍數(shù)

。在深度負(fù)反饋條件下，由圖可得所以有閉環(huán)源電壓放大倍數(shù)為75由圖可知因此求得【例5.5-7】反饋放大電路如圖5.5-21所示,已知

試求在深度負(fù)反饋條件下的。

【解】由圖可知電路由引入了電流串聯(lián)負(fù)反饋.76圖5.5-21對于深度串聯(lián)負(fù)反饋，有所以由圖可得而所以可得77【例5.5-8】估算圖5.5-22所示深度負(fù)反饋放大電路的電壓增益

，已知R1=100kΩ，R2=100kΩ，R3=50kΩ。圖5.5-2278【解】該電路由運放組成了兩級放大電路，級間由R2、R3引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。若滿足深度負(fù)反饋條件，則有由圖可得。所以有【例5.5-9】電路如圖5.5-23所示。（1）試判斷級間反饋的類型；（2）假設(shè)滿足深度負(fù)反饋條件，試求

和

。

圖5.5-2379【解】（1）該電路由兩級放大電路組成，第一級是由T1～T4組成的恒流源差動放大電路，其中，T1、T2管為差動放大管，T3、T4管組成的比例式電流源為其提供恒流偏置；第二級是由運放組成的放大電路。級間通過R9、R1引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋。圖中標(biāo)出了電路各點的瞬時極性。（2）由于引入的是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。所以閉環(huán)放大倍數(shù)

的具體形式應(yīng)為閉環(huán)互阻放大倍數(shù)

。在深度負(fù)反饋條件下，有80注意，上式中

，這是因為，對于深度并聯(lián)負(fù)反饋。流入T1管基極的凈輸入電流約為零，因此，T1管基極的交流電位約為零。5.6

運算放大器的應(yīng)用81

教學(xué)目標(biāo)與要求了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義；理解集成運放的電壓傳輸特性，理解理想運放的基本分析方法；掌握比例、加減運算電路的工作原理及分析方法，了解其他基本運算的原理。掌握電壓比較器的工作原理和應(yīng)用；了解集成運放的使用特點。5.6

集成運算放大器的應(yīng)用

引言

82

集成運算放大器作為一種通用器件，有著十分廣泛的用途。從功能來看，它可構(gòu)成信號的運算、處理和產(chǎn)生電路。信號運算電路包括比例、求和、微分和積分、對數(shù)和反對數(shù)（指數(shù)）以及乘法和除法運算電路等；信號處理電路包括有源濾波、電壓比較器等；信號的產(chǎn)生電路包括正弦波和非正弦波產(chǎn)生電路。83

5.6.1基本的信號運算電路

由集成運放構(gòu)成的各種信號運算電路，要求條件是必須工作在線性區(qū)。

1.比例運算電路比例運算電路的輸出電壓和輸入電壓之間存在比例關(guān)系。根據(jù)輸入信號接到運放的輸入端不同，可將比例運算電路分別為三種基本形式：反相比例運算電路、同相比例運算電路和差動（雙端輸入）比例運算電路。注意：

（1）集成運放在線性區(qū)內(nèi)，虛斷、虛短概念成立。

（2）在非線性區(qū)存在兩個基本特點：輸出僅存在正、負(fù)兩個飽和值；由于理想集成運放輸入阻抗無窮大，故虛斷概念成立。841）反相比例運算電路等效電阻：Rif→R1，

Rof→0R’為運放外電路平衡電阻。i+=i－≈0，

ii=i－+ifu+=R′i+=0，

u+≈u－=0ii=if85根據(jù)理想集成運放的虛斷、虛短概念，得：圖5.6-1反向比例放大器2）同相比例運算i1=if

u+≈u－=ui電路等效輸入輸出電阻：Rif→∞

Rof→0

Auf≈1uo=ui

電壓跟隨器86圖5.6-2同相比例放大器3）

差動比例運算電路87根據(jù)“虛短”，u-=u+，解出：采用疊加原理求u-:設(shè)定R’f=Rf

，R’1=R1，則：

差動運算相當(dāng)于減法運算！圖5.6-3差動比例放大器

【例5.6-1】測量放大器如圖5.6-4所示，求輸出電壓uo的表達(dá)式（設(shè)運放均為理想的）。uid

為差模信號，uic

為共模信號。

88圖5.6-4測量放大器電路

【解】運放A1、A2組成第一級放大，均接成同相輸入方式，由于電路結(jié)構(gòu)對稱，它們的漂移和失調(diào)能相互抵消。運放A3構(gòu)成差動放大級，將差分輸入轉(zhuǎn)換成單端輸出。ui1=uid+uicui2=uic運放A1、A2、A3都是理想的，且都工作在線性區(qū)，均具有“虛短”和“虛斷”的特點。由于“虛短”，所以電阻R1兩端的電壓為ui1－ui2，流過R1的電流

為:i=(ui1-ui2)/R1由于“虛斷”，因此流過R1的電流也即流過R2和R3的電流，注意到R2=R3，所以有:89由于R4=R5，R6=R7，所以A3構(gòu)成的差動比例運算電路的電壓放大倍數(shù)為該測量放大器的輸出電壓為：902.求和運算電路

1）反相求和運算電路方法1：由于理想運放“虛斷”“虛短”，其節(jié)點電流為：i1+i2+i3=ifu+≈u－=091R’為電路平衡電阻若R1=R2=R3=Rf，uo=－(ui1+ui2+ui3)圖5.6-5反向求和電路方法2：用疊加定理計算反相求和運算電路，有“二虛”“原則利用同樣的方法，可分別求出ui2和ui3單獨作用時的輸出電壓uo2和uo3為若R1=R2=R3=Rf，uo=－(ui1+ui2+ui3)（7-8）92圖5.6-6

2）同相求和由于“二虛”原則，已知同相比例傳輸關(guān)系：i1+i2+i3=i4式中，R+=R1∥R2∥R3∥R4式中，R－=R∥Rf，若R－=R+，則有：如果,R=R1=R2=R3，則:uo=(Rf/R)(ui1+ui2+ui3)93圖5.6-7同相求和電路【例5.6-2】試用一個集成運放器實現(xiàn)運算：uo=3ui1+0.5ui2－3ui3。【解】由運算關(guān)系知，可將ui1、ui2經(jīng)電阻從同相端輸入，ui3經(jīng)電阻從反相端輸入，電路如圖5.6-8所示。根據(jù)疊加原理，uo為ui1、ui2、ui3分別單獨作用時產(chǎn)生的輸出電壓（設(shè)為uo1、uo2、uo3）的代數(shù)和，由電路可知Rf=3R3聯(lián)立可得R2=6R1，R4=6R1,其他電阻可按方程求值。94ui3作用，其他電壓源短路ui1作用,...ui2作用,…圖5.6-83.積分和微分運算電路

1）積分運算電路u－≈u+=0iC=iRuo=uC在實用電路中，為了防止低頻信號增益過大，常在電容上并聯(lián)一個電阻加以限制，如圖5.6-9中虛線所示。95圖5.6-9a）輸入為階躍信號

b）輸入為方波

c）輸入為正弦波圖5.6-10積分運算電路在不同輸入信號下的波形96

2）微分運算電路u－≈u+=0iC=iR由圖可得電容C兩端電壓的uC=ui，因而有電路的輸出電壓uo=－iRR=－iCR，將iC的表達(dá)式代入uo的表達(dá)式得到97圖5.6-11若輸入電壓為方波，且RC<<T/2（T為方波的周期），則輸出變換為尖頂脈沖波，如圖5.6-12所示。98圖5.6-12

5.6.2運放在信號處理方面的應(yīng)用

1.有源濾波電路99

無源低通濾波器電路無源高通濾波器電路

有源濾波器的分類低通濾波器如圖5.6-13（a）,fBW

≈ωH高通濾波器

如圖5.6-13(b)fBW→∞帶通濾波器如圖5.6-13(c)fBW=ωH－ωL帶阻濾波器如圖5.6-13(d)fBW

=ωH－ωLω0ωHA0通帶阻帶(a)低通濾波器Aω0ωLA0通帶阻帶(b)高通濾波器A100圖中黑線為實際傳輸波形，紅色為理想傳輸波形。圖5.6-131）一階有源低通濾波電路式中分別為通帶電壓放大倍數(shù)和濾波器3dB截止頻率

圖5.6-14（a）

一階有源低通濾波器電路圖101用jω取代上式中的s，則得到電路的頻率響應(yīng)為圖5.6-14（b）為濾波器的歸一化幅頻特性，其中實線表示實際的幅頻特性，虛線為采用漸近線的波特圖表示。102

圖5.6-14（b）

一階有源低通濾波器幅頻特性

2)一階有源高通濾波器

（a）電路圖

（b）幅頻特性圖5.6-15二階有源高通濾波器103歸一化后的幅頻特性取對數(shù)表示為104

2.采樣保持器

當(dāng)輸入信號變化較快時，要求輸出信號能快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入信號的變化進(jìn)行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。圖5.6-16所示為采樣保持電路。

圖中S是一模擬開關(guān)，一般由場效應(yīng)管構(gòu)成。當(dāng)控制信號為高電平時，開關(guān)閉合（場效應(yīng)管導(dǎo)通），電路處于采樣周期。這時ui對存儲電容元件C充電，uo=uC=ui，即輸出電壓跟隨輸入電壓的變化而變化（運算放大器接成跟隨器）。當(dāng)控制電壓變?yōu)榈碗娖綍r，開關(guān)斷開（場效應(yīng)管截止），電路處于保持周期。因為電容元件無放電電路，故uo=uC。這種將采樣到的數(shù)值保持一定時間，在數(shù)字電路、計算機(jī)控制等裝置中都得到了廣泛應(yīng)用。105

3.電壓比較器

線性應(yīng)用：電路中引入了負(fù)反饋，運放工作在線性區(qū)，如比例、求和等各種運算電路。

非線性應(yīng)用：電路開環(huán)或引入正反饋，運放工作在飽和、截止非線性區(qū)，如電壓比較器等。

1.單限電壓比較器（a）電路圖

（b）電壓傳輸特性

圖5.6-17反相輸入單限電壓比較器圖（a）中的參考電壓UR可正、可負(fù)，可為零。當(dāng)UR=0時，稱為反相輸入過零電壓比較器。圖中為雙向穩(wěn)壓二極管，起保護(hù)或限幅作用，運放輸出為VZ。106【例5.6-3】求如圖5.6-18所示電壓比較器的閾值電壓UT，并畫出其電壓傳輸特性曲線。

107圖5.6-18由以上分析可知，該比較器的閾值電壓

，其電壓傳輸特性曲線如圖5.6-19所示。單限電壓比較器電路簡單，靈敏度高，但它的抗干擾能力很差。108

2.滯回電壓比較器圖5.6-20

滯回電壓比較器109電路圖5.6-20如（a）所示，根據(jù)“虛斷”原則，列出如下關(guān)系式：定義回差電壓為=UTH－UTL則圖5.6-20（a）所示電路的回差電壓為可見，只要改變R2、R3和UZ的值就可改變110（上限閾值電壓）（下限閾值電壓）【例5.6-4】在圖5.6-21所示電路中，已知±UZ=±10V，R1=10kΩ，R2=R3=20kΩ，R4=1kΩ。輸入電壓ui的波形如圖所示。試畫出電壓傳輸特性及輸出電壓uo的波形。111【解】比較器的輸出高、低電平分別為：UOH=+10V，UOL=－10V。兩個閾值電壓分別為:由此可畫出電壓傳輸特性如圖5.6-21（c）所示。根據(jù)電壓傳輸特性可畫出uo的波形如圖5.6-21（b）所示。112（b）輸出電壓波形

（c）電壓傳輸特性

圖5.6-21【例5.6-4】的波形圖5.6.3運放在波形生成方面的應(yīng)用

1.正弦波產(chǎn)生電路（了解）若環(huán)路增益滿足意味著沒有輸入信號，電路也會有輸出信號。1）振蕩的基本原理113幅度平衡條件和相位平衡條件n=0，±1，±2，…一個實際的振蕩器的初始信號是由電路內(nèi)噪聲或瞬態(tài)過程的擾動引起的。這些噪聲或擾動的頻譜很寬，選頻網(wǎng)絡(luò)把所需頻率分量選擇出來，這時只要環(huán)路增益振蕩就可以從無到有逐步地建立起來。振蕩一旦建立起來，信號就由小到大不斷增大，最終受放大電路非線性的限制，幅度增大時環(huán)路增益逐漸減小，最終達(dá)到平衡狀態(tài)

。1142.石英晶體振蕩器

石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，化學(xué)成分是二氧化硅。從晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片，在晶片兩邊涂敷銀層，接上引線，用金屬或玻璃殼封裝即構(gòu)成石英晶體產(chǎn)品。（1）石英晶體的壓電效應(yīng)及其等效電路

若在石英晶體的兩個電極間加一電場，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在晶片兩側(cè)加機(jī)械力。晶片就會在相應(yīng)的方