電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）課件 蘇莉萍 第3-5章 多級(jí)放大電路及集成運(yùn)算放大器、負(fù)反饋放大電路、集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路

課題三多級(jí)放大電路及

集成運(yùn)算放大器3.1多級(jí)放大電路3.2差動(dòng)放大電路3.3功率放大電路3.4集成運(yùn)算放大器簡介課題小結(jié)

3.1多級(jí)放大電路

在實(shí)際的電子設(shè)備中，為了得到足夠大的放大倍數(shù)或者使輸入電阻和輸出電阻達(dá)到指標(biāo)要求，一個(gè)放大電路往往由多級(jí)組成。多級(jí)放大電路一般由輸入級(jí)、中間級(jí)及輸出級(jí)組成，如圖3.1所示。圖3.1多級(jí)放大電路框圖

3.1.1級(jí)間耦合方式

多級(jí)放大電路是將各單級(jí)放大電路連接起來，這種級(jí)間連接方式稱為耦合。

1.阻容耦合

阻容耦合是利用電容器作為耦合元件將前級(jí)和后級(jí)連接起來。這個(gè)電容器稱為耦合電容，如圖3.2所示。第一級(jí)的輸出信號(hào)通過電容器C2和第二級(jí)的輸入端相連接。圖3.2阻容耦合兩級(jí)放大電路

阻容耦合的優(yōu)點(diǎn)是：前級(jí)和后級(jí)直流通路彼此隔開，每一級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響，便于分析和設(shè)計(jì)電路。因此，阻容耦合在多級(jí)交流放大電路中得到了廣泛應(yīng)用。

阻容耦合的缺點(diǎn)是：信號(hào)在通過耦合電容加到下一級(jí)時(shí)會(huì)大幅衰減，對直流信號(hào)(或變化緩慢的信號(hào))很難傳輸。在集成電路里制造大電容很困難，不利于集成化。所以，阻容耦合只適用于分立元件組成的電路。

2.變壓器耦合

變壓器耦合是利用變壓器將前級(jí)的輸出端與后級(jí)的輸入端連接起來，如圖3.3所示。圖3.3變壓器耦合兩級(jí)放大電路

變壓器耦合的優(yōu)點(diǎn)是：由于變壓器不能傳輸直流信號(hào)，且有隔直作用，因此各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響。變壓器在傳輸信號(hào)的同時(shí)還能夠進(jìn)行阻抗、電壓、電流變換。

變壓器耦合的缺點(diǎn)是：體積大、笨重等，不能實(shí)現(xiàn)集成化應(yīng)用。

3.直接耦合

直接耦合是將前級(jí)放大電路和后級(jí)放大電路直接相連的耦合方式，如圖3.4所示。直接耦合所用元件少，體積小，低頻特性好，便于集成化。直接耦合的缺點(diǎn)是：由于失去隔離作用，使前級(jí)和后級(jí)的直流通路相通，靜態(tài)電位相互牽制，使得各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響。另外還存在著零點(diǎn)漂移現(xiàn)象?，F(xiàn)討論如下：

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)相互牽制。如圖3.4所示圖3.4直接耦合放大電路

(2)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。由于溫度變化等原因，使放大電路在輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是溫度變化而引起的。因而，零點(diǎn)漂移的大小主要由溫度所決定。

3.1.2耦合對信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/p>

1.信號(hào)源和輸入級(jí)之間的關(guān)系

信號(hào)源接放大電路的輸入級(jí)，輸入級(jí)的輸入電阻就是它的負(fù)載，因此可歸結(jié)為信號(hào)源與負(fù)載的關(guān)系。如圖3.5所示，放大電路的輸入電壓和輸入電流可用下面兩式計(jì)算：圖3.5信號(hào)源內(nèi)阻、放大電路輸入電阻對輸入信號(hào)的影響

2.各級(jí)間關(guān)系

中間級(jí)級(jí)間的相互關(guān)系歸結(jié)為：前級(jí)的輸出信號(hào)為后級(jí)的信號(hào)源，其輸出電阻為信號(hào)源內(nèi)阻，后級(jí)的輸入電阻為前級(jí)的負(fù)載電阻。如圖3.6所示，第二級(jí)的輸入電阻為第一級(jí)的負(fù)載，第三級(jí)的輸入電阻為第二級(jí)的負(fù)載，以此類推。圖3.6多級(jí)放大器級(jí)間關(guān)系．

3.多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析

例3.1電路如圖3.2所示，已知UCC=6V，Rb1=430Ω，Rc1=2kΩ，Rb2=270kΩ，Rc2=1.5kΩ，rbe2=1.2kΩ，β1=β2=50，C1=C2=C3=10μF，rbe1=1.6kΩ，

求：(1)電壓放大倍數(shù)；

(2)輸入電阻、輸出電阻。

(2)求輸入電阻、輸出電阻：

3.1.3放大電路的頻率特性

在實(shí)際應(yīng)用中，放大器所放大的信號(hào)并非單一頻率，例如，語言、音樂信號(hào)的頻率范圍在20~20000Hz，圖像信號(hào)的頻率范圍在0~6MHz。所以，要求放大電路對信號(hào)頻率范圍內(nèi)所有頻率的信號(hào)都具有相同的放大效果，輸出才能不失真地重顯輸入信號(hào)。實(shí)際電路中存在的電容、電感元件及三極管本身的結(jié)電容效應(yīng)，對交流信號(hào)都具有一定的影響，所以對不同頻率具有不同的放大效果。由這種原因所產(chǎn)生的失真稱為頻率失真。

1.幅頻特性

共射極放大電路的幅頻特性如圖3.7所示。圖3.7共射極放大電路的幅頻特性

高頻區(qū)放大倍數(shù)的下降原因是三極管結(jié)電容和雜散電容的容抗隨頻率增加而減小。結(jié)電容通常為幾十到幾百皮法，雜散電容也不大，因而頻率不高時(shí)可視為開路。在高頻時(shí)輸入的電流被分流，使得IC

減小，輸出電壓降低，導(dǎo)致高頻區(qū)電壓增益下降，如圖3.8所示。圖3.8高頻通路

2.通頻帶圖3.9兩級(jí)放大電路的通頻帶

3.2差動(dòng)放大電路

3.2.1差動(dòng)放大電路的組成典型差動(dòng)放大電路如圖3.10所示，其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是左右兩半電路完全對稱。圖3.10中V1、V2是兩個(gè)型號(hào)和特性相同的晶體管；電路有兩個(gè)輸入信號(hào)ui1和ui2，分別加到兩個(gè)晶體管V1、V2的基極；輸出信號(hào)uo從兩個(gè)晶體管的集電極之間取出，這種輸出方式稱為雙端輸出；RE

稱為共發(fā)射極電阻，可使靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。圖3.10典型差動(dòng)放大

3.2.2差動(dòng)放大電路的工作原理

1.抑制零點(diǎn)漂移的原理

靜態(tài)時(shí)，ui1=ui2=0，此時(shí)由負(fù)電源UEE通過電阻RE和兩管發(fā)射極提供兩管的基極電流。由于電路左右兩邊的參數(shù)對稱，兩管的集電極電位也相等，即

輸出電壓為

當(dāng)溫度變化時(shí)，由于電路對稱，所引起的兩管集電極電流的變化量必然相同。例如，溫度升高，兩管的集電極電流都會(huì)增大，集電極電位都會(huì)下降。由于電路是對稱的，所以兩管的集電極電流的變化量相等，即

所以輸出電壓

由此可見，溫度變化時(shí)，盡管兩邊的集電極電壓會(huì)相應(yīng)變化，但電路的雙端輸出電壓Uo會(huì)保持為零。

以上分析說明：差動(dòng)放大電路在零輸入時(shí)，具有零輸出；靜態(tài)時(shí)，溫度有變化依然保持零輸出，即消除零點(diǎn)漂移。

2.輸入信號(hào)分析

圖3.10所示的電路中，輸入信號(hào)Ui1和Ui2有以下3種情況：

3.差動(dòng)放大電路的功能

差動(dòng)放大電路的功能是抑制共模信號(hào)輸出，只放大差模信號(hào)。在共模信號(hào)的作用下，對于完全對稱的差動(dòng)放大電路來說，由于兩管的集電極電位變化量相同，因而輸出電壓等于零，所以它對共模信號(hào)沒有放大能力，亦即共模放大倍數(shù)為零。

利用疊加定理可求得輸出電壓：

上式表明，輸出電壓的大小僅與輸入電壓的差值有關(guān)，而與信號(hào)本身的大小無關(guān)，這就是差動(dòng)放大電路的差值特性。

例3.2某差動(dòng)放大器如圖3.10所示，已知差模電壓放大倍數(shù)Aud=80dB，輸入信號(hào)中Ui1=3.001V、Ui2=2.999V，

問：①理想情況下(即電路完全對稱時(shí))Uo為多少?

②當(dāng)KCMRR=80dB時(shí)，Uo為多少?

③當(dāng)KCMRR=100dB時(shí)，Uo

為多少?

解首先求出差模和共模輸入電壓。

差模輸入電壓

共模輸入電壓

(1)求理想狀態(tài)下的Uo。已知差模電壓放大倍數(shù)Aud=80dB=104，而理想狀態(tài)下，共模電壓放大倍數(shù)Aud=0。所以差模輸出電壓為

(2)求KCMRR=80dB時(shí)，Uo

的值。由共模抑制比定義可知Auc=Aud/KCMRR，用分貝表示時(shí)則有

所以共模電壓放大倍數(shù)為Aud=80dB-80dB=0dB，得Auc=1。

其共模輸出電壓為

所以在差模和共模信號(hào)同時(shí)存在的情況下，可利用疊加原理來求總的輸出電壓，即總的輸出電壓等于差模電壓與共模電壓之和：

3.2.3差動(dòng)放大電路的計(jì)算

差動(dòng)放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算方法與基本放大電路大體相同。區(qū)別是差動(dòng)放大電路在靜態(tài)時(shí)，其輸入端基本上是零電位，將RE從接地改為接負(fù)電源-UEE。由于接入負(fù)電源，

所以偏置電阻RB可以取消，改為-UEE和RE提供基極偏置電流。在一些單電源供電的差放電路中，必須接有基極偏置電阻RB，使其為晶體管提供合適的偏置電壓。

1.靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算

2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算

3.2.4具有恒流源的差動(dòng)放大電路

在前面的差放電路中，RE

越大，其抑制溫漂的能力越強(qiáng)。但在電源電壓一定時(shí)，RE越大則ICQ越小，放大倍數(shù)會(huì)減小。此外，在集成電路中，不易制作高阻值電阻。因此，常采用由晶體管組成的恒流源電路來代替射極電阻RE，因恒流源電路動(dòng)態(tài)電阻很大而直流電阻較小。具有恒流源的差動(dòng)放大電路如圖3.11(a)所示。圖3.11具有恒流源的差動(dòng)放大電路

3.2.5差動(dòng)放大電路的輸入輸出方式

除了已經(jīng)介紹過的雙端輸入雙端輸出的差動(dòng)放大電路(如圖3.12(a)所示)外，在一些實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)要求電路輸出端有一端接地，因此稱為單端輸出；有時(shí)要求電路輸入端有一端接地，稱為單端輸入。因此，差動(dòng)放大電路出現(xiàn)以下幾種輸入輸出方式：雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出等。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)信號(hào)源和負(fù)載的要求選擇。圖3.12雙端輸入雙端與單端輸出電路

1.雙端輸入－單端輸出

電路如圖3.12(b)所示。雙端輸入單端輸出電路的輸出uo與輸入ui1的極性(或相位)相反，而與ui2的極性(或相位)相同，所以ui1輸入端稱為反相輸入端，而ui2輸入端稱為同相輸入端。雙端輸入單端輸出方式是集成運(yùn)放的基本輸入輸出方式。

單端輸出的優(yōu)點(diǎn)在于它有一端接地，負(fù)載電阻RL接在一管集電極和地之間，便于它和其他放大電路相連接。但是輸出電壓僅是一管集電極對地電壓，另一管的輸出電壓沒有用上，所以其差模電壓放大倍數(shù)比雙端輸出時(shí)少一半，即

因輸入回路與雙端輸入相同，所以其差模信號(hào)輸入電阻與雙入雙出接法時(shí)相同。而輸出電阻近似為一管集電極與地之間的電阻，即

2.單端輸入－雙端輸出

單端輸入雙端輸出電路如圖3.13(a)所示圖3.13單端輸入雙端與單端輸出電路

3.單端輸入－單端輸出

電路如圖3.13(b)所示。單端輸入差放的差模信號(hào)為ui1，共模信號(hào)為ui1/2。電路的差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻和輸出電阻與雙端輸入單端輸出電路相同。

綜上所述，4種方式的輸入電阻近似值相等，而放大倍數(shù)和輸出電阻則與輸出方式有關(guān)。單端輸出時(shí)，差模放大倍數(shù)和輸出電阻是雙端輸出時(shí)的一半。

例3.4差分放大電路如圖3.14(a)所示，已知UCC=UEE=12V，RC=10kΩ，RL=20kΩ、Io=1mA、三極管的β=100、rbb'=200Ω、UBEQ=0.7V。①求ICQ1、UCEQ1、ICQ2、UCEQ2；②畫出該電路的差模交流通路；③求電壓放大倍數(shù)Au=Uo/Ui、差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro。圖3.14例題3.4圖

4.差放電路的調(diào)零

為了克服電路元件參數(shù)不可能完全對稱所造成的靜態(tài)時(shí)輸出電壓不為零的現(xiàn)象，在實(shí)用的電路中都設(shè)計(jì)有調(diào)零電路，即人為地將電路調(diào)到零輸入時(shí)輸出也為零的狀態(tài)。圖3.15

是幾種常用的調(diào)零電路。

(a)射極調(diào)零；(b)集電極調(diào)零；(c)基極調(diào)零圖3.15差放的調(diào)零電路

例3.5差分放大電路如圖3.16所示，已知UCC=UEE=12V，Rc=RE=5.1kΩ，三極管的β=100、rbb‘=200Ω，UBEQ=0.7V，電位器觸頭位于中間位置，試求：

①ICQ1、UCQ1、ICQ2、UCQ2；

②差模電壓放大倍數(shù)Aud=Uod/Uid、差模輸入電阻Rid和輸出電阻Ro；

③指出電位器在該電路中的作用。圖3.16例題3.5圖

3.3功率放大電路

3.3.1功率放大電路的特點(diǎn)及分類1.特點(diǎn)功率放大電路的特點(diǎn)如下：(1)輸出功率足夠大。(2)效率高。(3)非線性失真小。(4)保護(hù)及散熱。

2.功率放大器的分類

功率放大器一般是根據(jù)功放管工作點(diǎn)選擇的不同進(jìn)行分類的，有甲類、乙類及甲乙類功率放大器。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)在負(fù)載線性段的中點(diǎn)，整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)都有電流IC

通過時(shí)，如圖3.17(a)所示，稱為甲類功放。若將靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)在橫軸上，則IC僅在半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)通過，其輸出波形被削掉一半，如圖3.17(b)所示，稱為乙類功放。若將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)在線性區(qū)的下部靠近截止區(qū)，則其IC的流通時(shí)間為多半個(gè)信號(hào)周期，輸出波形被削掉一部分，如圖3.17(c)所示，稱為甲乙類功放。圖3.17功率放大器的分類

3.3.2乙類互補(bǔ)對稱功放

如果電路處在甲類放大狀態(tài)，則靜態(tài)工作電流大，因而效率低。若用一個(gè)管子組成甲乙類或乙類放大電路，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。乙類互補(bǔ)對稱功放既可保持靜態(tài)時(shí)功耗又可減小失真，如圖3.18所示。圖3.18乙類互補(bǔ)對稱功放電路

1.電路組成及工作原理

選用兩個(gè)特性接近的管子，使之都工作在乙類狀態(tài)，一個(gè)在正弦信號(hào)的正半周工作，另一個(gè)在負(fù)半周工作，便可得到一個(gè)完整的正弦波形。

2.分析計(jì)算

由于在正?；パa(bǔ)對稱功率放大電路中，V1、V2管交替工作，因此，分析V1、V2管工作的半周情況，可推知整個(gè)放大器的電壓、電流波形?，F(xiàn)以V1管工作的半周情況為例進(jìn)行分析。圖3.19ui為正半周時(shí)的工作情況

(1)計(jì)算輸出功率Po。輸出功率用輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積來表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Uom

，則

因?yàn)?/p>

即

(2)計(jì)算管耗PV。設(shè)uo=Uomsinωt，則V1管的管耗為

兩管管耗和為

(3)計(jì)算直流電源供給功率PU。直流電源供給的功率包括負(fù)載得到的功率和V1、V2管消耗的功率兩部分。

(4)計(jì)算效率η。

當(dāng)Uom≈UCC時(shí)：

由于Uom≈UCC忽略了管子的飽和壓降Uces，所以實(shí)際效率比這個(gè)數(shù)值要低一些。

3.3.3甲乙類互補(bǔ)對稱電路

20二極管偏置互補(bǔ)對稱電路圖3.21擴(kuò)大電路

3.3.4采用復(fù)合管的互補(bǔ)對稱功率放大電路

1.復(fù)合管

在功率放大電路中，如果負(fù)載電阻較小，并要求得到較大的功率，則電路必須為負(fù)載提供很大的電流。如RL=4Ω，額定功率PN=16W，則由PN=I2RL可得負(fù)載電流有效值為2A，若管子的β=20，則基極電流IB=100mA。一般很難從前級(jí)獲得這樣大的電流，因此需設(shè)法進(jìn)行電流放大，通常在電路中采用復(fù)合管。

所謂復(fù)合管就是把兩只或兩只以上的三極管適當(dāng)?shù)剡B接起來等效成一只三極管。連接時(shí)，應(yīng)遵守兩條規(guī)則：

①在串聯(lián)點(diǎn)，必須保證電流的連續(xù)性；

②在并聯(lián)點(diǎn)，必須保證總電流為兩個(gè)管子電流的代數(shù)和。復(fù)合管的連接形式共有四種，如圖3.22所示。圖3.22復(fù)合管的四種連接形式

觀察圖3.22可知：

(1)復(fù)合管的極性取決于推動(dòng)級(jí)。即V1為NPN型，則復(fù)合管就為NPN型。

(2)輸出功率的大小取決于輸出管V2。

(3)若V1和V2管的電流放大系數(shù)分別為β1、β2，則復(fù)合管的電流放大系數(shù)β≈β1·β2。

2.復(fù)合管互補(bǔ)對稱功率放大電路

利用圖3.22(a)和圖3.22(b)形式的復(fù)合管代替圖3.20中的V1和V2

管，就構(gòu)成了采用復(fù)合管的互補(bǔ)對稱輸出級(jí)，如圖3.23所示。它可以降低對前級(jí)推動(dòng)電流的要求，不過其直接

為負(fù)載RL提供電流的兩個(gè)末級(jí)對管V3、V4的類型截然不同。在大功率情況下，兩者很難選配到完全對稱。圖3.24則與之不同，其兩個(gè)末級(jí)對管是同一類型，因此比較容易配對。這種電路被稱為準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路。電路中Rc1、Rc3的作用是使V2和V4管能有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。3.23復(fù)合管互補(bǔ)對稱電路3.24準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路

3.3.5集成功率放大電路

1.OTL(無輸出變壓器)互補(bǔ)對稱功率放大電路

圖3.25為一典型OTL功率放大電路。圖3.25集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的OTL功率放大器

2.OCL(無輸出電容)互補(bǔ)對稱功率放大電路

圖3.26是一種集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的實(shí)際OCL功率放大器。圖3.26集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的OCL功率放大器

3.3.6功率放大器應(yīng)用中的幾個(gè)問題

1.功放管散熱問題

功率放大器的工作電壓、電流都很大。功放管一般工作在極限狀態(tài)下，所以在給負(fù)載輸出功率的同時(shí)，功放管也要消耗部分功率，使管子升溫發(fā)熱，致使晶體管損壞。為此，應(yīng)注意功放管的散熱措施，通常是給功放管加裝由銅、鋁等導(dǎo)熱性良好的金屬材料制成的散熱片，由于功放管管殼很小，溫升的熱量主要通過散熱片傳送。

2.功放管的二次擊穿問題

圖3.27所示為晶體管擊穿特性曲線。AB段為一次擊穿段，是由于Uce過大引起的雪崩擊穿，是可逆的，當(dāng)外加電壓減小或消失后管子可恢復(fù)原狀。若在一次擊穿后，iC繼續(xù)增大，管子將進(jìn)入二次擊穿BC段，二次擊穿是不可逆的，會(huì)致使管子毀壞。防止功放管二次擊穿的主要措施為：①改善管子散熱情況，使其工作在安全區(qū)；②應(yīng)用時(shí)避免電源劇烈波動(dòng)、輸入信號(hào)突然大幅度增加、負(fù)載開路或短路等，以免出現(xiàn)過壓、過流；③在負(fù)載兩端并聯(lián)二極管和電容，以防止負(fù)載的感性引起功放管過壓或過流，在功放管的c、e端并聯(lián)穩(wěn)壓管以吸收瞬時(shí)過壓。圖3.27晶體管二次擊穿曲線

3.4集成運(yùn)算放大器簡介

3.4.1集成運(yùn)算放大器外形圖常見集成運(yùn)算放大器的封裝形式有圓形、扁平形雙列直插式等，引腳有8引腳、14引腳等，其外形如圖3.28所示。其引線腳號(hào)排列順序標(biāo)記一般有色點(diǎn)、凹槽、管鍵及封裝時(shí)壓出的圓形等。圖3.28集成運(yùn)放外形結(jié)構(gòu)示意圖

3.4.2集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理

集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理框圖如圖3.29所示。圖3.29集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理框圖

各部分功用如下：

1.輸入級(jí)

輸入級(jí)是提高運(yùn)算放大器質(zhì)量的關(guān)鍵部分，要求其輸入電阻高，為了能減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號(hào)，輸入級(jí)都采用具有恒流源的差動(dòng)式放大電路，故也稱為差動(dòng)輸入級(jí)。

2.中間級(jí)

中間級(jí)的主要作用是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，因此又稱為電壓放大級(jí)。要求中間級(jí)本身具有較高的電壓增益，為了減小前級(jí)的影響，還應(yīng)具有較高的輸入電阻。另外，中間級(jí)還應(yīng)向輸出級(jí)提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，并能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)單端輸入雙端差動(dòng)輸出，或雙端差動(dòng)輸入單端輸出。

3.輸出級(jí)

輸出級(jí)的主要作用是輸出足夠的電流以滿足負(fù)載的需要，同時(shí)還需要有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，以起到將放大級(jí)和負(fù)載隔離的作用。輸出級(jí)一般由射級(jí)輸出器組成，以降低輸出電阻，從而提高電路的帶負(fù)載能力。

4.偏置電路

偏置電路的作用是為各級(jí)提供合適的工作電流，一般由各種恒流源電路組成。此外，還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動(dòng)電路、過載保護(hù)電路和高頻補(bǔ)償環(huán)節(jié)等。下面以通用型集成運(yùn)算放大器μA741作為模擬集成電路的典型例子分析其原理，其原理電路如圖3.30所示。圖3.30μA741內(nèi)部電路

3.4.3集成運(yùn)放的符號(hào)、引腳構(gòu)成及主要參數(shù)

1.集成運(yùn)放的符號(hào)與引腳構(gòu)成

集成運(yùn)放內(nèi)部電路隨型號(hào)的不同而不同，但基本框圖相同。集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端：一個(gè)是同相輸入端，用“+”表示；另一個(gè)是反相輸入端，用“-”表示。輸出端用“+”表示。若將反相輸入端接地，信號(hào)由同相輸入端輸入，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位相同；若將同相輸入端接地，信號(hào)從反相輸入端輸入，則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相位相反。集成運(yùn)放的引腳除輸入、輸出端外，還有正、負(fù)電源端及調(diào)零端等。F007的符號(hào)及引腳排列如圖3.31所示。圖3.31F007的符號(hào)及引腳排列

2.集成運(yùn)放的主要參數(shù)

集成運(yùn)放的參數(shù)是評價(jià)其性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，也是正確選擇和使用的運(yùn)放依據(jù)。

1)電源電壓

能夠施加于運(yùn)放電源端子的最大直流電壓稱為電源電壓。一般有兩種表示方法，用正、負(fù)兩種電壓UCC、UEE表示或用它們的差值表示。

2)最大差模輸入電壓Uid(max)

Uid(max)是運(yùn)放同相端和反相端之間所能承受的最大電壓值。輸入差模電壓超過Uid(max)時(shí)，可能會(huì)使輸入級(jí)的管子反向擊穿。

3)最大共模輸入電壓Uic(max)

Uic(max)是在線性工作范圍內(nèi)集成運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。超過此值，集成運(yùn)放的共模抑制比、差模放大倍數(shù)等會(huì)顯著下降。

4)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud

集成運(yùn)放開環(huán)時(shí)輸出電壓與輸入差模電壓之比稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud。Aud越高，運(yùn)放組成電路的精度越高，性能越穩(wěn)定。

5)輸入失調(diào)電壓Uos

實(shí)際上，集成運(yùn)放難以做到差動(dòng)輸入級(jí)完全對稱。當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，為了使輸出電壓也為零，需在集成運(yùn)放兩輸入端額外附加補(bǔ)償電壓，該補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓Uos。

Uos越小越好，一般為0.5~5mV。

6)輸入失調(diào)電流Ios

Ios是當(dāng)運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的偏置電流之差，即Ios=|IB1-IB2|，它是由于內(nèi)部元件參數(shù)不一致等原因造成的。Ios越小越好，一般為1~10μA。

7)輸入偏置電流IB

IB是輸出電壓為零時(shí)，流入運(yùn)放兩輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，即IB=(IB1+IB2)/2。IB

越小越好，一般為1~100μA。

8)共模抑制比KCMRR

KCMRR是差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比，即KCMRR=|Aud/Aoc|。KCMRR越高越好。

9)差模輸入電阻rid

rid是開環(huán)時(shí)輸入電壓變化量與它引起的輸入電流的變化量之比，即從輸入端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)電阻。rid一般為兆歐級(jí)。

10)輸出電阻ro

ro是開環(huán)時(shí)輸出電壓變化量與它引起的輸出電流的變化量之比，即從輸出端看進(jìn)去的電阻。ro越小，運(yùn)放的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。

課題小結(jié)

(1)多級(jí)放大電路常見的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合三種。放大交流信號(hào)一般采用阻容耦合，它簡單價(jià)廉。對于要求實(shí)現(xiàn)阻抗、電壓、電流變換的場合，采用變壓器耦合。這兩種耦合方式的特點(diǎn)是可以克服零漂，但低頻響應(yīng)差，不便于集成化。由于變壓器體積大、價(jià)高，故變壓器耦合采用得較少。

(2)直接耦合放大器因不采用耦合電容，故既可放大頻率較高的交流信號(hào)，又可放大緩慢變化的交流信號(hào)，這就帶來了直接耦合的特殊問題———零點(diǎn)漂移。零漂嚴(yán)重時(shí)會(huì)無法

從輸出信號(hào)中分辨出有用信號(hào)，故直接耦合放大器必須具有抑制零漂能力。

(3)差動(dòng)放大電路是集成運(yùn)算放大器的重要組成單元，其主要性能是能有效地抑制零漂。差動(dòng)放大電路的任務(wù)是放大差模信號(hào)與抑制共模信號(hào)。根據(jù)輸入輸出方式的不同組合，差動(dòng)放大電路共有四種典型接法。分析這些電路時(shí)，要根據(jù)兩邊電路的不同輸入信號(hào)分量分別計(jì)算。

(4)集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路的典型器件。通用型運(yùn)放使用廣泛，其基本知識(shí)是今后運(yùn)放應(yīng)用的基礎(chǔ)，應(yīng)重點(diǎn)理解集成運(yùn)放參數(shù)的意義，以便能正確地選擇和應(yīng)用。課題四負(fù)反饋放大電路4.1反饋的基本概念4.2負(fù)反饋放大器電路分析4.3負(fù)反饋對放大器性能的影響課題小結(jié)

4.1反饋的基本概念

反饋在電子技術(shù)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：(1)負(fù)反饋的應(yīng)用：主要用來改善放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。例如穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)和放大倍數(shù)，減小非線性失真；展寬頻帶，改變輸入和輸出電阻。因此，所有的實(shí)用型放大器都具有負(fù)反饋的性質(zhì)。(2)正反饋的應(yīng)用：主要用來產(chǎn)生自激振蕩，獲得各種不同類型和頻率的輸出波形(在課題六將詳細(xì)闡述)。

4.1.1反饋的定義

在基本放大器中，信號(hào)由輸入端加入，經(jīng)過放大器放大后，從輸出端取出，信號(hào)為單方向正向傳送。如果通過一定的電路將輸出信號(hào)(電壓或電流)的一部分或全部，反方向送回放大器的輸入端，這樣一個(gè)反向傳輸信號(hào)的過程稱為反饋過程。在放大電路中引入負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，稱為負(fù)反饋放大器。而無反饋放大器為開環(huán)系統(tǒng)，稱為基本放大器。反饋放大器的方框圖如圖4.1所示。圖4.1反饋放大器方框圖

4.1.2反饋的判別

一個(gè)電路是否存在反饋，要看電路中有無反饋支路。反饋支路就是通過反饋元件(電阻、電容和電感等)能把輸出端的輸出量送回到輸入回路的支路。如圖4.2(a)中射極電阻R4、R5既與輸出電路有聯(lián)系，又與輸入電路有聯(lián)系；在圖4.2(b)中，R3支路及R1、R2支路連接于輸出與輸入之間，這些都是反饋元件。圖4.2判別有無反饋的電路

4.1.3直流反饋和交流反饋

電路中的反饋元件可以反映直流量的變化，也可以反映交流量的變化，前者稱為直流反饋，后者稱為交流反饋。如圖4.2(a)中的R4，它兩端并有電解電容C3，C3對交流電呈通路，即R4上無交流壓降，只有直流壓降，因此R4起直流反饋?zhàn)饔?。R5兩端沒有并電容，它上面除產(chǎn)生直流壓降外，還有通過負(fù)載的交變電流所產(chǎn)生的壓降，因此它起直流反饋和交流反饋的雙重作用。

在圖4.2(b)中，C2有隔直流通交流的作用，所以R3起交流反饋?zhàn)饔?，R2上通過的交流電被C3旁路到地，故R2只起直流反饋?zhàn)饔谩?/p>

不過，最可靠的方法還是分別畫出交、直流等效電路來進(jìn)行辨認(rèn)。如果反饋元件存在于直流通路中，則為直流反饋；若反饋元件存在于交流通路中，則為交流反饋。圖4.2所示電路的直流、交流通路分別如圖4.3和圖4.4所示，分析所得結(jié)論與上述相同。圖4.3圖4.2電路的直流通路圖4.4圖4.2電路的交流通路

4.1.4正反饋和負(fù)反饋

1.基本概念

在放大電路中引入反饋后，削弱輸入信號(hào)、使放大器輸出幅度減小的反饋稱為負(fù)反饋。反之，增強(qiáng)輸入信號(hào)、使放大器輸出幅度增大的反饋稱為正反饋。

2.判別方法

具體判別方法采用“瞬時(shí)極性法”，即假定信號(hào)源某一瞬間所在處極性為正，以此類推，根據(jù)電路各點(diǎn)的相位與信號(hào)源相位的相對關(guān)系，標(biāo)出電路各點(diǎn)電壓的極性，再看這種極性的變化反映到電路輸入端的作用是削弱輸入信號(hào)，還是增強(qiáng)輸入信號(hào)。若是削弱，則為負(fù)反饋；反之，則為正反饋。圖4.5正反饋電路和負(fù)反饋電路

4.1.5串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

1.基本概念

所謂串聯(lián)反饋，就是反饋電路輸出端和信號(hào)源是串聯(lián)的，即反饋信號(hào)和外加信號(hào)串聯(lián)疊加，如圖4.6(a)所示。串聯(lián)反饋的主要特點(diǎn)：一是具有分壓作用，二是增加了反饋環(huán)內(nèi)的輸入電阻。

所謂并聯(lián)反饋，就是反饋電路輸出端和信號(hào)源是并聯(lián)的，即反饋信號(hào)和外加信號(hào)并聯(lián)疊加，如圖4.6(b)所示。并聯(lián)反饋的主要特點(diǎn)：一是具有分流作用，二是減小了反饋環(huán)路內(nèi)的輸入電阻。圖4.6串聯(lián)和并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)方框圖

2.判別方法

判別反饋放大電路是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋，只要將信號(hào)源內(nèi)阻RS短路，看反饋電壓是否存在。若反饋電壓存在，就是串聯(lián)反饋；若反饋電壓不存在，則是并聯(lián)反饋。

例如，在圖4.2電路中，按上述方法判別，可知圖4.2(a)電路為串聯(lián)反饋，經(jīng)簡化后的電路如圖4.7(a)所示；圖4.2(b)電路為并聯(lián)反饋，經(jīng)簡化后的電路如圖4.7(b)所示。圖4.7判別串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的簡化電路

4.1.6電壓反饋和電流反饋

1.基本概念

電流反饋：是指反饋電路輸入端和放大電路負(fù)載串聯(lián)連接，是電流取樣，故稱為電流反饋，如圖4.8(a)所示。

電壓反饋：是指反饋電路輸入端和放大電路負(fù)載并聯(lián)連接，反饋電壓和輸出電壓成正比，是電壓取樣，故稱為電壓反饋，如圖4.8(b)所示。圖4.8電壓反饋和電流反饋結(jié)構(gòu)方框圖

2.判別方法

判別是電壓反饋還是電流反饋，只要將放大電路輸出端負(fù)載短路，看反饋是否存在，若反饋電壓不存在，就是電壓反饋；若反饋電壓仍存在，則是電流反饋。

例如圖4.2(a)電路，當(dāng)短路RL后反饋電壓仍存在，故是電流反饋。圖4.2(b)短路RL后，反饋電壓不存在，則是電壓反饋。

4.2負(fù)反饋放大器電路分析

4.2.1電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路圖4.9是一種常見的電流并聯(lián)負(fù)反饋電路。

1.判別反饋極性用瞬時(shí)極性法標(biāo)出圖4.9電路中各處的信號(hào)極性，可以看出圖中的反饋信號(hào)與信號(hào)源電壓US

反相，將減弱US對ib1的分量，故為負(fù)反饋。圖中的RS為信號(hào)源內(nèi)阻。圖4.9電流并聯(lián)負(fù)反饋典型應(yīng)用放大電路

2.判別反饋類型

將信號(hào)源內(nèi)阻RS

短路，則反饋電壓不存在(V1恒等于US)，故為并聯(lián)反饋。由于并聯(lián)具有分流作用，所以ib1=ii-if，且減小了輸入電阻。

將輸出端短路，可以看出反饋電壓依然存在，故為電流反饋。

所以圖4.9判定為電流并聯(lián)負(fù)反饋電路。

例4.1分析判斷圖4.10(a)中電路的反饋類型。

解判別反饋極性：在圖4.10(b)中逐級(jí)遞推，從信號(hào)流程可看出，V1采用共集電極(同相)方式，第二級(jí)V2采用共基極(同相)方式，第三級(jí)V3采用共發(fā)射極(反相)方式。因此加到第一級(jí)V1基極的反饋信號(hào)極性為

，故為負(fù)反饋。

判別反饋類型：將輸入信號(hào)對地短路，反饋電壓不存在；將負(fù)載電阻RL短路，反饋信號(hào)依然存在，因此圖4.10(a)是電流并聯(lián)負(fù)反饋圖4.10另一種電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路及其等效電路

4.2.2電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路

圖4.11是一種常用的電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路。圖4.11電壓并聯(lián)負(fù)反饋典型應(yīng)用放大電路

3.反饋控制過程

4.2.3電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路

常見的電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器如圖4.12(a)所示，其交流通路如圖4.12(b)所示。圖4.12電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器典型應(yīng)用電路

1.判別反饋極性

從圖4.12(a)可看出，輸入端反饋電壓與輸入電壓是串聯(lián)的，用瞬時(shí)極性法判別，反饋信號(hào)削弱輸入信號(hào)，故其是一種串聯(lián)負(fù)反饋電路。

2.判別反饋類型

該電路的反饋電壓取自V1管的射極電位Ue，其中直流反饋電壓Ue正比于Ie，起穩(wěn)定直流靜態(tài)工作點(diǎn)的作用，所以直流反饋電阻應(yīng)是Rf與Re的串聯(lián)。由于Re接有旁路電容Ce，故對交流無反饋?zhàn)饔?，交流反饋電阻僅為Rf(如圖4.12(b)所示的交流通路)，而Rf上的壓降Uf正比于電流Ie，即正比于輸出電流信號(hào)Io，由此可判斷出電路為電流反饋。當(dāng)然，也可通過輸出端Uo短路時(shí)Uf不會(huì)消失來判斷為電流反饋。

4.2.4電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路

常用的單級(jí)電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器電路如圖4.13(a)所示，其交流通路如圖4.13(b)所示。圖4.13電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器典型應(yīng)用電路

1.判別反饋類型

圖4.13(a)的反饋信號(hào)Uf取自V1的發(fā)射極電位。若將輸出端短路，則反饋信號(hào)消失，故是一種電壓反饋。

2.判別反饋極性

用瞬時(shí)極性法判別，可得Ub(V1基極信號(hào)電壓)和Ue(即Uf)極性相同，反饋信號(hào)削弱輸入信號(hào)，所以這是負(fù)反饋，在輸入端有

故是一種串聯(lián)反饋。

綜合上述判別結(jié)果，圖4.13(a)是一種電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。

3.判別電路組態(tài)

從圖4.13可看出，電路的輸入電壓加在基極與集電極之間，輸出電壓從發(fā)射極和集電極輸出。所以集電極是輸入、輸出交流電壓的公共端，是共集電極電路。又由于輸出電壓從發(fā)射極輸出，所以又叫射極輸出器。

4.反饋控制過程

當(dāng)某種原因引起輸入電壓Uo增加時(shí)，將產(chǎn)生下述自動(dòng)調(diào)節(jié)過程

結(jié)果使輸出電壓Uo穩(wěn)定。

4.2.5判斷反饋類型和性質(zhì)舉例

例4.2判斷圖4.14電路中所有的交流反饋，指出反饋網(wǎng)絡(luò)、反饋類型和反饋性質(zhì)。

解將輸出端短路，看反饋信號(hào)與輸出電壓Uo和電流Io中哪一個(gè)成正比，來判斷是電壓反饋還是電流反饋。將輸入端短路，使輸入信號(hào)為零，看反饋信號(hào)是否能加到放大器凈輸入端，來判斷是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋。再利用瞬極性法判斷電路的反饋性質(zhì)。圖4.14多級(jí)反饋放大電路

2.瞬時(shí)極性法

在假定輸入信號(hào)Ui瞬時(shí)極性的前提下，利用晶體管單級(jí)放大電路輸入與輸出之間相位關(guān)系的上述規(guī)律，判斷出同一瞬間反饋信號(hào)Uf極性的方法，稱為瞬時(shí)極性法。

運(yùn)用瞬時(shí)極性法判斷單級(jí)或多級(jí)反饋放大電路的性質(zhì)時(shí)，可按如下步驟進(jìn)行：

(1)先判斷單級(jí)或多級(jí)電路中各單級(jí)放大器各為共什么極的電路；

(2)找出連接單級(jí)或多級(jí)放大電路輸入與輸出、起反饋?zhàn)饔玫姆答伨W(wǎng)絡(luò)或反饋元件；

(3)利用瞬時(shí)極性法判別反饋信號(hào)的極性；

(4)寫出凈輸入信號(hào)、原輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的關(guān)系，從而確定反饋的性質(zhì)。

根據(jù)以上基本原則和方法，對圖4.14電路進(jìn)行判斷如下：

第一級(jí)為共發(fā)射極電路，由反饋網(wǎng)絡(luò)R3引入了局部的串聯(lián)電流負(fù)反饋。

第二級(jí)為共集電極電路，由反饋網(wǎng)絡(luò)R4引入了局部的串聯(lián)電壓負(fù)反饋。

第三級(jí)為共發(fā)射極電路，由反饋網(wǎng)絡(luò)R7引入局部的串聯(lián)電流負(fù)反饋。

例4.3圖4.15各電路是集成運(yùn)放組成的放大器，判斷其反饋類型及性質(zhì)。圖4.15由集成運(yùn)放組成的反饋放大器

解在分立元件電路中，Ui的一端直接接到基本放大器的一個(gè)輸入端上。區(qū)別串、并聯(lián)反饋時(shí)，只要把基本放大器接Ui的輸入端對地假想短路，也就是把Ui短路即可。

在集成運(yùn)放組成的反饋放大器中，基本放大器是集成運(yùn)放。但Ui是通過集成運(yùn)放的偏置電阻以后才加到集成運(yùn)放的輸入端，所以，這里把基本放大器輸入端對地短路就不是把Ui對地短路，而是Ui經(jīng)偏置電阻加在集成運(yùn)放的哪個(gè)輸入端，就把哪個(gè)輸入端對地短路。

現(xiàn)以圖4.15(d)電路為例判斷電路的反饋類型和性質(zhì)。圖4.15(d)中，將負(fù)載RL假想短路，輸出電流Io仍然流動(dòng)，經(jīng)R3、R4對放大器輸入端產(chǎn)生作用，故是電流反饋；集成運(yùn)放反相輸入端假想接地，R3的上端接地，反饋消失，故是并聯(lián)反饋。

4.3負(fù)反饋對放大器性能的影響

4.3.1對放大倍數(shù)的影響引入負(fù)反饋以后，放大器的放大倍數(shù)由A變?yōu)锳f=A/(1+AF)。將Af對A

求導(dǎo)，得到

4.3.2對頻帶的影響

在放大器的低頻端，由于耦合電容阻抗增大等原因，使放大器放大倍數(shù)下降；在高頻端，由于分布電容、三極管極間電容的容抗減小等原因，使放大器放大倍數(shù)下降。

引入負(fù)反饋以后，當(dāng)高、低頻端的放大倍數(shù)下降時(shí)，反饋信號(hào)跟著減小，對輸入信號(hào)圖4.16負(fù)反饋展寬頻帶的削弱作用減弱，使放大倍數(shù)的下降變得緩慢，因而通頻帶展寬，如圖4.16所示。圖4.16負(fù)反饋展寬頻帶

4.3.3對非線性失真的影響

由于放大電路中存在著三極管等非線性器件，所以，即使輸入的是正弦波，輸出也不是正弦波，產(chǎn)生了波形失真，如圖4.17(a)所示。輸入的正弦波在輸出端輸出時(shí)，變成了正半周幅度大、負(fù)半周幅度小的失真波形。

引入負(fù)反饋后，輸出端的失真波形反饋到輸入端，與輸入信號(hào)相減，使凈輸入信號(hào)成為正半周幅度小、負(fù)半周幅度大的波形。這個(gè)波形被放大輸出后，正負(fù)半周幅度的不對稱程度減小，非線性失真得以減小，如圖4.17(b)所示。圖4.17負(fù)反饋減小非線性失真

4.3.4對放大器輸入、輸出電阻的影響

設(shè)基本放大器的輸入、輸出電阻分別為ri、ro，負(fù)反饋放大器的輸入、輸出電阻分別為rif、rof。

1.對輸入電阻的影響

1)串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大

由于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器串聯(lián)，故使放大器的輸入電阻增大。根據(jù)推算，串聯(lián)負(fù)反饋時(shí)，rif=(1+AF)ri。

2)并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小

由于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器并聯(lián)，使得放大器的輸入電阻減小。根據(jù)推算，并聯(lián)負(fù)反饋時(shí)，

2.對輸出電阻的影響

1)電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小

由于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器并聯(lián)，使得放大器的輸出電阻減小。根據(jù)推算，并聯(lián)負(fù)反饋時(shí)，

2)電流負(fù)反饋使輸出電阻增大

由于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大器串聯(lián)，使得放大器的輸出電阻增大。增大情況與具體電路有關(guān)。

課題小結(jié)

本課題介紹了負(fù)反饋放大器的基本組成規(guī)則，反饋類型和性質(zhì)的判斷方法及負(fù)反饋的引入對放大器性能的影響。負(fù)反饋的引入使放大倍數(shù)下降，但放大器的性能得到了改善。在本課題的分析中，重點(diǎn)放在了基本概念的講解上，盡量避免煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并對大部分概念列舉了實(shí)例以加深讀者印象。希望通過對本課題的學(xué)習(xí)，能使讀者對負(fù)反饋放大器的基本特點(diǎn)有較深刻的認(rèn)識(shí)。課題五集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路5.1集成運(yùn)算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)5.2集成運(yùn)放的線性應(yīng)用5.3集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用5.4集成運(yùn)放在應(yīng)用中的實(shí)際問題課題小結(jié)

5.1集成運(yùn)算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)

5.1.1理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)如下:(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud→∞：(2)差模輸入電阻rid→∞：(3)輸出電阻ro→0：(4)共模抑制比KCMRR→∞：(5)輸入偏置電流IB1=IB2=0：(6)失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為0。

5.1.2負(fù)反饋是集成運(yùn)放線性應(yīng)用的必要條件

由于集成運(yùn)放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)很大(Aud→∞)，而開環(huán)電壓放大倍數(shù)受溫度的影響，因此很不穩(wěn)定，采用深度負(fù)反饋可以提高其穩(wěn)定性。此外運(yùn)放的開環(huán)頻帶窄，例如F007只有7Hz，無法適應(yīng)交流信號(hào)的放大要求，加負(fù)反饋后可將頻帶擴(kuò)展(1+AF)倍。另外負(fù)反饋還可以改變輸入、輸出電阻等。所以要使集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，采用負(fù)反饋是必要條件。

為了便于分析集成運(yùn)放的線性應(yīng)用，我們還需要建立“虛短”與“虛斷”這兩個(gè)概念。

(1)由于集成運(yùn)放的差模開環(huán)輸入電阻rid→∞，輸入偏置電流IB≈0，不向外部索取電流，因此兩輸入端電流為零，即Ii-=Ii+=0。這就是說，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，兩輸入端均無電流，稱為“虛斷”。

(2)由于兩輸入端無電流，則兩輸入端電位相同，即U-=U+。由此可見，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，兩輸入端電位相等，稱為“虛短”。

5.1.3運(yùn)算放大器的基本電路

運(yùn)算放大器的基本電路有反相輸入式、同相輸入式兩種。反相輸入式是指信號(hào)由反相端輸入，同相輸入式是指信號(hào)由同相端輸入，它們是構(gòu)成各種運(yùn)算電路的基礎(chǔ)。

1.反相輸入式放大電路

圖5.1所示為反相輸入式放大電路，輸入信號(hào)經(jīng)R1加入反相輸入端，Rf

為反饋電阻，把輸出信號(hào)電壓Uo反饋到反相端，構(gòu)成深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋。圖5.1反相輸入式放大電路

1)“虛地”的概念

由于集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，U+=U-、Ii+=Ii-

，即流過R2的電流為零。則U+=0，U-=U+=0，說明反相端雖然沒有直接接地，但其電位為地電位，相當(dāng)于接地，是“虛假接地”，簡稱為“虛地”?！疤摰亍笔欠聪噍斎胧椒糯箅娐返闹匾攸c(diǎn)。

2)電壓放大倍數(shù)

在圖5.1中，有

或

上式表明:反相輸入式放大電路中，輸入信號(hào)電壓Ui和輸出信號(hào)電壓Uo相位相反，大小成比例關(guān)系，比例系數(shù)為Rf/R1，可以直接作為比例運(yùn)算放大器。當(dāng)Rf=R1

時(shí)，Auf=-1，即輸出電壓和輸入電壓的大小相等，相位相反，此電路稱為反相器。

同相輸入端電阻R2用于保持運(yùn)放的靜態(tài)平衡，要求R2=R1∥Rf。R2稱為平衡電阻。

3)輸入電阻、輸出電阻

由于U-=0，所以反相輸入式放大電路輸入電阻為

由于反相輸入式放大電路采用并聯(lián)負(fù)反饋，所以從輸入端看進(jìn)去的電阻很小，近似等于R1。由于該放大電路采用電壓負(fù)反饋，其輸出電阻很小(ro≈0)。

4)主要特點(diǎn)

反相輸入式放大電路的主要特點(diǎn)如下:

(1)集成運(yùn)放的反相輸入端為“虛地”(U-=0)，它的共模輸入電壓可視為零，因此對集成運(yùn)放的共模抑制比要求較低。

(2)由于深度電壓負(fù)反饋輸出電阻小(ro≈0)，因此帶負(fù)載能力較強(qiáng)。

(3)由于并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻小(ri=R1)，因此要向信號(hào)源汲取一定的電流。

2.同相輸入式放大電路

圖5.2所示電路為同相輸入式放大電路，輸入信號(hào)Ui經(jīng)R2加到集成運(yùn)放的同相端，Rf為反饋電阻，R2為平衡電阻(R2=R1∥Rf)。圖5.2同相輸入式放大電路

在圖5.2中如果把Rf短路(Rf=0)，把R1斷開(R1→∞)，則

即輸入信號(hào)Ui和輸出信號(hào)Uo大小相等，相位相同。我們把這種電路稱為電壓跟隨器，如圖5.3所示。由集成運(yùn)放組成的電壓跟隨器比由射極輸出器組成的電壓跟隨器性能更好，其輸入電阻更高，輸出電阻更小，性能更穩(wěn)定。圖5.3電壓跟隨器

3)輸入電阻和輸出電阻

由于采用了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，該電路具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻(rif→∞，ro→0)。這是同相輸入式放大電路的重要特點(diǎn)。

4)主要特點(diǎn)

同相輸入式放大電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，主要特點(diǎn)如下:

(1)由于深度串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電阻增大，最高可達(dá)2000MΩ以上。

(2)由于深度電壓負(fù)反饋，輸出電阻ro→0。

(3)由于U-=U+=Ui，運(yùn)放兩輸入端存在共模電壓，因此要求運(yùn)放的共模抑制比較高。

通過對反相輸入式和同相輸入式運(yùn)放電路的分析，可以看到，輸出信號(hào)是通過反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到反相輸入端的，從而實(shí)現(xiàn)了深度負(fù)反饋，并且使得其電壓放大倍數(shù)與運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。采用了電壓負(fù)反饋使得輸出電阻減小，帶負(fù)載能力增強(qiáng)。反相輸入式采用了并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小，而同相輸入式采用了串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大。

5.2集成運(yùn)放的線性應(yīng)用

利用集成運(yùn)放在線性區(qū)工作的特點(diǎn)，根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系，外加不同的反饋網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)學(xué)運(yùn)算。輸入信號(hào)電壓和輸出信號(hào)電壓的關(guān)系Uo=f(Ui)，可以模擬成數(shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系y=f(x)，所以信號(hào)運(yùn)算統(tǒng)稱為模擬運(yùn)算。盡管數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展在許多方面替代了模擬計(jì)算機(jī)，但模擬計(jì)算機(jī)在物理量的測量、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、測量儀表系統(tǒng)、模擬運(yùn)算等領(lǐng)域仍有著廣泛應(yīng)用。

5.2.1比例運(yùn)算

比例運(yùn)算的代數(shù)方程式是y=K·X。前面介紹的反相輸入式和同相輸入式放大電路的輸入、輸出電壓的關(guān)系式分別是

其電阻之比是常數(shù)。它們的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系是比例關(guān)系，因此能實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算。調(diào)整Rf和R1的比值，就可以改變比例系數(shù)K。若取反相輸入式放大電路的Rf=R1，比例系數(shù)K=-1、Uo=-Ui，就實(shí)現(xiàn)了y=-X的變號(hào)運(yùn)算。此電路稱為反相器

5.2.2加法、減法運(yùn)算圖5.4反相加法器

例5.1設(shè)計(jì)運(yùn)算電路。要求實(shí)現(xiàn)y=2X1+5X2+X3的運(yùn)算。

解此題的電路模式為Uo=2Ui1+5Ui2+Ui3，是三個(gè)輸入信號(hào)的加法運(yùn)算。由式(5-7)可知各個(gè)系數(shù)由反饋電阻Rf與各輸入信號(hào)的輸入電阻的比例關(guān)系所決定，由于式中各系數(shù)都是正值，而反相加法器的系數(shù)都是負(fù)值，因此需加一級(jí)變號(hào)運(yùn)算電路。實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)算的電路如圖5.5所示。圖5.5例5.1電路

輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下:

取Rf1=Rf2=R4=10kΩ，則

例5.2設(shè)計(jì)一個(gè)加減法運(yùn)算電路，使其實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算Y=X1+2X2-5X3-X4。

解此題的電路模式應(yīng)為Uo=Ui1+2Ui2-5Ui3-Ui4，利用兩個(gè)反相加法器可以實(shí)現(xiàn)加減法運(yùn)算，電路如圖5.6所示。圖中:圖5.6加減法運(yùn)算電路

5.2.3積分、微分運(yùn)算

1.積分運(yùn)算

積分運(yùn)算是模擬計(jì)算機(jī)中的基本單元電路，數(shù)學(xué)模式為y=K∫X

dt，電路模式為u=K∫Uidt，該電路如圖5.7所示。圖5.7積分運(yùn)算電路

在反相輸入式放大電路中，將反饋電阻Rf換成電容器C，就成了積分運(yùn)算電路。由于

因而

2.微分運(yùn)算

微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆運(yùn)算。將積分運(yùn)算電路中的電阻、電容互換位置就可以實(shí)現(xiàn)微分運(yùn)算，如圖5.8所示。圖5.8微分運(yùn)算電路

由式(5-10)可以看出，輸入信號(hào)Ui與輸出信號(hào)Uo有微分關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)了微分運(yùn)算。負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，RfC

為微分時(shí)間常數(shù)，其值越大，微分作用越強(qiáng)。

5.3集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用

電壓比較器的基本功能是比較兩個(gè)或多個(gè)模擬輸入量的大小，并將比較結(jié)果由輸出狀態(tài)反映出來。電壓比較器工作在開環(huán)狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。

5.3.1單限電壓比較器

圖5.9(a)所示電路為簡單的單限電壓比較器。圖中，反相輸入端接輸入信號(hào)Ui，同相輸入端接基準(zhǔn)電壓UR。集成運(yùn)放處于開環(huán)工作狀態(tài)，當(dāng)Ui<UR

時(shí)，輸出為高電位Uom，當(dāng)Ui