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1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 模拟电子技术基础第一节 集成运算放大器一、放大电路中的负反馈1反馈的基本概念在放大电路中，将输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过某种电路（反馈电路）送回到输入端，这一过程称为反馈。若送回的反馈信号削弱了输入信号，称为负反馈。若反馈信号增强了输入信号，称为正反馈。本节只讨论负反馈。负反馈可用框图来描述，如图1-1所示，其中包含两部分：一个是不带反馈的基本放大电路，它可以是单级的或多级的；一个是反馈电路，它是联系放大电路的输出和输入的环节，由线性元件组成。图中用表示正弦信号的相量式，可以是电压，也可以是电流；箭头表示信号的参考方向；、分别为输入、输出、反馈信号
2、。和在输入端进行比较，并根据图中“+”、“-”极性，可得净输入信号若三者同相，则即反馈信号削弱了输入信号，是负反馈。图1-1 负反馈放大电路的方框图 图1-2 例1-1的电路2反馈的基本类型（1）放大电路中有直流分量和交流分量，如果直流分量通过反馈通路，则称为直流反馈，若交流分量通过反馈通路，则称为交流反馈。以下针对交流反馈而言：（2）根据反馈信号与放大电路输入端联接方式的不同，可分为串联反馈和并联反馈。反馈信号和输入信号以电压的形式出现，在输入端二者以串联相比较的反馈是串联反馈，这时，反馈信号和输入信号不在同一节点引入。若两信号以电流形式出现，在输入端二者以并联相比较的反馈是并联反馈。这时，
3、反馈信号和输入信号通常在同一节点引入。（3）根据反馈信号从输出端取样对象的不同，可分为电压反馈和电流反馈。若反馈信号取自输出电压，并与之成正比，称为电压反馈；若反馈信号取自输出电流，并与之成正比，称为电流反馈。综上所述，交流负反馈的基本类型有四种：电压串联负反馈；电流串联负反馈；电压并联负反馈；电流并联负反馈。3反馈的判别下面通过两个具体的放大电路来讨论。【例1-1】如图1-2所示的放大电路中，判断是正反馈还是负反馈，并说明其反馈类型。【解】判断方法，可以按如下步骤进行：（1）找出反馈元件（或反馈电路），即确定在放大电路输出和输入回路间起联系作用的元件，如有这样的元件存在，电路中才有反馈存在，
4、否则就不存在反馈。此图中RE为反馈元件，所以存在反馈。（2）判断直流还是交流。此图中RE无旁路电容，交、直流分量都通过，对直流而言，在放大电路中已讨论过，当IC增大时，通过RE自动的反映到输入端，使UBE减小，是直流负反馈，有稳定静态工作点的作用。下面讨论交流反馈。（3）判断是正反馈还是负反馈。判别正、负反馈可采用瞬时极性法。瞬时极性是指交流信号某一瞬间的极性，一般要在交流通路里进行。首先假定放大电路输入电压对地的瞬时极性是正或负，然后按照闭环放大电路中信号的传递方向，依次标出有关各点在同一瞬时对地的极性，用（+）或（-）表示。图1-2的交流通路如图1-3所示，设在正半周，对地的瞬时极性为（+
5、），则为（+），由于共射电路的与反向，故为（-），可得的参考方向与实际方向一致为（+），从而，即为反馈电压，也为（+）。根据基尔霍夫电压定律可列出由于三者同相，于是可写成Ube=Ui-Uf可见净输入电压Ube u时uo= +Uo(sat) (1-3) 当u+ u时uo=Uo(sat) (1-4)这里Uo(sat)和Uo(sat)分别表示运放正、负极性输出的极限值（饱和值），通常近似等于运放正、负供电电源和EE。此外，运算放大器工作在饱和区时，两个输入端的输入电流也近似等于零。四、集成运放的线性应用由集成运算放大器和外接电阻、电容构成比例、加减、积分和微分的运算电路称为基本运算电路。这时运算放大
6、器工作在线性工作范围内，本节将介绍这几种基本运算电路。1反相比例运算电路图1-14所示的电路是反相比例运算电路。输入信号从反相输入端输入，同相输入端通过电阻R2接地，反馈电阻Rf跨接在输出端和反相输入端之间。根据运算放大器工作在线性区时的“虚断”和“虚短”的特点，可得i 1i f，uu+ = 0。因此，可得 (1-5)闭环电压放大倍数为 (1-6)上式表明，uo和uS 符合比例关系，式中负号表示输出电压与输入电压反相位。如果R1和Rf阻值足够精确，而且运算放大器的开环电压放大倍数很高，就可以认为uo和uS间的关系只取决于R1与Rf的比值而与运算放大器的参数无关。这就保证了比例运算的精度和稳定性
7、。图中的R2是一平衡电阻，R2= R1Rf，其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响。图1-14反相比例运算电路 图1-15例1-4的图【例1-3】在图1-14所示的电路中，设R1=10K，Rf=100K。求Af；若uS=1V，求uo 。【解】根据式(1-6)若uS=1V，则uo=AfuS=（-10）（-1）=10（V）【例1-4】图1-15是应用集成运放测量电阻的电路原理图。设R1=1M，若输出电压表指示为5V，求被测电阻RX的值。【解】根据式(1-6)所以 RX=0.5R1=0.51106=500 (K)2同相比例运算电路如果输入信号从同相输入端输入，而反相输入端通过电阻接地，并引入负反馈
8、，如图1-16所示，称为同相比例运算电路。根据运算放大器工作在线性区时的“虚断”和“虚短”的特点，可得i 1i f，uu+ = u S 又因为： 由此得出 (1-7)闭环电压放大倍数则为 (1-8)可见，该电路与反相比例运算电路一样，uo与uS也是符合比例关系，所不同的是输出电压与输入电压同相位。当R1=或Rf=0时，则 ，这就是电压跟随器。图1-16同相比例运算电路 图1-17例1-5的图【例1-5】在图1-17所示的放大电路中，设R1=10K，R2=20K，Rf=20K，R3=10K。求闭环电压放大倍数Auf。【解】此例为同相输入放大电路的一种变形电路。在输出端有分压电路，故不能直接应用式
9、(1-8)来求Auf，而应从的关系入手来求解，如图示因 故 所以 【例1-6】电路如图1-18所示，试计算闭环电压放大倍数Auf，若uS=2V，求uo【解】这是同相比例放大电路的另一种变形电路，在输出端拉有分压电路。根据式(1-2) ，即集成运放的输入电流近似为零，所以反馈电路中的电流if及Rf上的电压降均为零，u-=uA又根据分压原理 所以 又因 故 如果 uS=2V，则 uo=4V图1-18 例1-6的图 图1-19 反相加法运算电路3加法运算如图1-19所示是对三个输入信号的求和电路，信号从反相输入端输入，同相输入端通过一个电阻接地，并引入负反馈。根据运算放大器工作在线性区时的“虚断”和
10、“虚短”的特点，可得i f = i 11 + i 12 + i 13即因此，电路输入与输出的关系为 (1-9)当R11=R12=R13=RF时，则。电路中的平衡电阻为：R2=R11R12R13Rf。【例1-7】在图1-19所示的加法电路中，设Rf=200K，R11=50K，R12=100K，R13=25K，R2=12K，uS1=1V,uS2=0.5V,uS3=0.1V。求输出电压uO。【解】由式(1-9)得（V）【例1-8】已知反相加法运算电路的关系为，并已知Rf=50K，试确定各输入电路的电阻和R4。【解】由式(1-9)可得 （K） （K）（K）R4=R11R12R13Rf=5.26（K）4
11、减法运算运算放大器的两个输入端都有信号输入，则称为“差动运算电路”。其电路如图1-20所示。其输出电压可通过叠加原理的方法计算。图1-20差动减法运算电路 图1-21同相输入串联差动运算电路uS1单独作用时，由反相比例运算电路可知，其输出uO1为uS2单独作用时，由同相比例运算电路可知，其输出uO2为根据叠加原理，总输出电压uO应是uO1和 uO2的代数和，即 (1-10)若R1=R2和Rf=R3时，则上式为 (1-11)可见输出电压与两个输入电压的差值成正比，所以可以进行减法运算。实际上，图1-20所示的差动运算电路属并联反馈，输入电阻低，故工程中常采用同相输入串联型差动运算电路，以提高输入
12、电阻，如图1-21所示。经计算，输入与输出的关系为 (1-12)请同学自己，对图1-21所示的电路进行分析计算。5积分运算积分运算电路如图1-22所示，假设初始时刻电容两端的电压为零。因为“虚断”和“虚短”，所以i f = i 1，得 (1-13)上式表明uO与uS的积分成正比，并且uO与uS反相。式中乘积R1C1具有时间的量纲称之为积分时间常数。若输入电压为恒定值，则 (1-14)当US为正时，uO将随时间线性斜降；当US为负时，uO将随时间斜升。利用积分电路可把方波变换成三角波。图1-22 积分运算电路 图1-23 微分运算电路6微分运算将积分电路中电阻和电容元件的位置对调，便构成了微分电
13、路，如图1-23所示。由图可知 (1-15)可见输出电压与输入电压的微分成正比。但由于此电路工作时稳定性不高，很少应用。五、集成运放在信号处理方面的应用（比较器）前面讨论的电路，集成运算放大器工作在传输特性的线性区，下面将要讨论的比较器电路，集成运算放大器工作在传输特性的非线性区，此时电路处于开环或正反馈工作状态。集成运放在非线性方面的应用很多这里只介绍电压比较器。单值电压比较器电路如图1-24所示，UR是参考电压，uS是与UR进行比较的输入电压。由于运算放大器工作在开环状态，即使输入端有一个非常微小的差值信号，也会使输出电压饱和。所以，当uSUR时，即 ui u+uu0 uo= +Uo(sa
14、t)；当uSUR时，即ui u+uu0 uo=Uo(sat)。图1-24 单值电压比较电路 图1-25 电压比较器的传输特性图1-25是电压比较器的传输特性。这里+Uo(sat) 和Uo(sat)分别表示运放正、负极性输出电压的极限值（饱和值），通常近似等于运放正、负供电电源UCC和UEE。当UR=0时，即输入电压与零电平比较，称为过零比较器。它也是工程上应用较多的一种比较器。如果在过零比较器的输出端增加一定限幅，则可实现将正弦波输入变成方波输出。六、集成运放在使用时应注意的问题1合理选用集成运放型号集成运算放大器按其技术指标可分为通用型、高输入阻抗型、低功耗、高速、高压、大功率和电压比较器等
15、专用型集成运放，在设计时，应根据实际要求来选用。例如高输入阻抗型运放主要用于测量放大器、模拟调节器及采样-保持电路等，以减轻信号源负载。2消振调零由于运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响，很容易产生自激振荡，破坏正常工作。因此，在使用时要注意消振。通常是外接RC消振电路或消振电容。目前大多数集成运放内部电路已设置消振的补偿网络，如F007、OP-07D等。由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，以致当输入信号为零时，输出不为零。因此，在使用时要外接调零电路。电路如图1-11所示。先消振再调零，只要将两个输入端接“地”，调节调零电位器RP，使输出电压为零即可。图1-26 输入端保护
16、 图1-27 输出端保护 图1-28 电源保护3保护（1）输入端保护当运放的差模或共模输入电压过高时，会损坏运放的输入级。为此，可在运放输入端加限幅保护。电路如图1-26所示。（2）输出端保护和电源保护为了防止输出电压过大，可利用如图1-27所示的稳压管限幅保护电路。为了防止正、负电源接反，可用图1-28所示的电路来保护。第二节 正弦波振荡电路正弦波振荡电路是通过正反馈条件下的自激振荡就能自动产生一个具有一定频率、一定幅度的交流信号的电路。它产生的频率则可从极低频率（例如每分钟几个周波）至微波波段；输出功率可从毫瓦级至几百千瓦；输出的交流电能是从直流电源的电能转换而来的。正弦波振荡电路按组成选
17、频网络的元件类型不同可分为RC正弦波振荡电路，LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路。它在通信技术、测量技术、工业生产、生物医学等领域中得到了广泛的应用。一、正弦振荡的条件一个放大电路通常在输入端接上信号的情况下才能有信号输出。如果在它的输入端不外接信号的情况下，在输出端仍有一定频率和幅度的信号输出，这种现象就是放大电路的自激振荡。我们知道，在放大电路中，目的在于放大输入信号，不允许有自激振荡，也就是要破坏自激振荡的条件。而正弦波振荡电路中，由于电路不外加输入信号，要利用自激振荡产生波形，因此应设法满足自激振荡的条件。那么，自激振荡的条件是什么呢？这就是本节要讨论的内容。图1-29 产生自
18、激振荡的条件方框图图1-29（a）是一个具有输入信号的基本放大电路，在它的输入端加入正弦输入信号，则在输出端可得正弦输出信号。如果通过反馈网络引入正反馈信号，如图1-29（b）所示，使的相位和幅度与相同，这时即使去掉，在输出端仍能维持输出。这就是用代替构成振荡器的原理。由图1-29(b)中可得到 （1-16） （1-17）由式1-16和1-17联立可得 （1-18）式1-18就是振荡电路的振荡条件。这个条件实质包含以下两个条件：（1）幅度平衡条件：这个条件要求反馈信号幅度的大小与输入信号的幅度相等，即。（2）相位平衡条件： 这个条件要求反馈信号与输入信号要同相，即电路必须满足正反馈。因此，反馈
19、电路必须正确联结；如果两端接反，的相位就要改变180，因而不能产生振荡。既然振荡电路无须外接信号源，那么起始信号从那里来？将振荡电路与电源接通的瞬间，电路上某些电量的波动以及噪声等，都会在电路中激起一个微小的扰动信号,这就是起始信号。这个起始信号会有一系列频率不同的正弦分量，其中只有一种频率的正弦分量信号符合振荡相位平衡条件，如果同时又满足的条件，经过正反馈和不断放大后，输出信号就会逐渐由小变大，使振荡电路起振。随着振荡信号的产生、反馈和放大，信号逐渐增强，就会很快进入放大器件的非线性区，引起放大倍数的下降，因此输出信号的继续增大受到限制,最后达到。这时，振荡电路就稳定在这一幅度下工作，即使某
20、种原因使得振荡幅度有变化时，也能自动稳幅。从到的整个过程就是自激振荡的起振和幅度稳定过程。根据上述内容可知，正弦波振荡电路主要由三部分组成：放大电路、正反馈网络和选频网络。按选频网络的不同，正弦波振荡电路可分为RC振荡电路和LC振荡电路。二、RC正弦波振荡电路RC正弦波振荡电路一般用来产生几赫兹到几百千赫兹的低频信号，其电路如图1-30所示。RC串并联正弦波振荡电路的振荡频率就是串并联选频网络的谐振频率。由起振条件且可知，同相比例运算放大器的电压放大倍数，所以要产生振荡就要求。如果，即，电路就不能振荡；如果，输出U0波形失真，变成近似于方波。在图1-30中，如果反馈电阻是一负温度系数的热敏电阻
21、，利用它的非线性可以实现自动稳幅的目的。如当振荡电路起振时，幅值很小，的功耗较小，阻值较大，于是电压放大倍数值较大，有利于起振。当的幅值增加后，的功耗增大，它的温度上升，阻值下降，放大倍数也下降，当时，这时输出电压的幅值稳定，达到了自动稳幅的目的。除了可以采用负温度系数的热敏电阻进行稳幅外，我们还可以采用二极管正向伏安特性的非线性来达到自动稳幅的目的，读者可自行讨论。图1-30 RC振荡电路 图1-31 变压器反馈式LC正弦波振荡电路三、LC振荡电路LC正弦波振荡电路主要用于产生高频正弦波信号。常见的有变压器反馈式正弦波振荡电路、电感三点式正弦波振荡电路和电容三点式正弦波振荡电路三种。1变压器
22、反馈式振荡电路图1-31是变压器反馈式LC正弦波振荡器的基本电路，它由放大电路、选频网络和反馈网络等组成。其中，放大电路为三极管共射极放大电路，选频网络为变压器一次侧绕组与电容组成的LC并联谐振电路，变压器二次绕组提供反馈通路。首先，我们来讨论选频问题。当将振荡电路与电源接通时，在扰动信号中只有频率为的正弦分量才发生并联谐振，且谐振时的频率为。当发生并联谐振时，LC并联电路的阻抗最大，并且是电阻性的，即相当于在三极管集电极的负载是电阻RC。所以，电压放大倍数最高的输出频率是，只要频率为的扰动信号满足自激振荡的条件，就能产生自激振荡了。至于其他频率的信号在这里并不发生并联谐振，这样就达到了选频的
23、目的。从上面的公式也可知道，当我们改变电路中的L和C值的大小时，的频率将随之改变，也就是说电路的振荡频率也就随L和C值的改变而改变。其次，我们再来讨论振荡的建立和幅度稳定问题。第一，电路必须保证正反馈，这可以通过电路中各点交流电位的瞬时极性来判断。由图1-31中可知，在谐振时，由于LC呈纯电阻性，所以三极管的集电极电位与三极管基极电位反相。设三极管基极瞬时极性为（+），则有下面的正反馈：B（+）C（-）N2上端（+）它也满足相位平衡条件。当变压器电压比合适，那么就能满足，这时就能产生自激振荡。当输出电压U0增大到一定幅值时，三极管就进入了非线性区，它的电流放大系数将逐渐减小，电压放大倍数也随着
24、减小，最终达到，起到稳幅的目的。变压器反馈式正弦波振荡器的工作频率一般工作在几赫兹到十几兆赫兹。2电感三点式LC振荡电路图1-32是电感三点式振荡电路，又称哈脱莱振荡电路。它产生的频率一般为几百千赫兹到几十兆赫兹。 LC振荡回路接在三极管的发射极和集电极之间。当谐振时，LC回路呈电阻性。从图1-32可知，电感线圈的三点分别同晶体管的三个极相连，所以称电感三点式振荡电路。在交流电路中，Cb、Ce都可视为短路，反馈线圈L2可将反馈电压送到输入端。这样可保证实现正反馈。当Ube为正时，则Uce为负，因而Uf与Ube同相。反馈电压大小可由改变抽头位置来调整。这种振荡电路的振荡频率为 (1-19)其中：M为L1与L2间的互感。图1-32 电感三点式正弦波振荡电路 图1-33 电容三点式正弦波振荡电路3电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路，又称考尔毕兹振荡电路。通常它能产生100