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1、第9章4孙乐春孙乐春汽车工程学院汽车工程学院运算放大器概述运算放大器概述9.1反馈在放大电路中的应用反馈在放大电路中的应用9.2目录目录9.1 运算放大器概述运算放大器概述运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器，是用途极为运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器，是用途极为广泛的模拟电子集成电路产品广泛的模拟电子集成电路产品 外形通常有双列直插式、扁平式及圆筒式等三种外形通常有双列直插式、扁平式及圆筒式等三种 输入级一般采用差动放大电路，输入电阻高并且可以消除零点输入级一般采用差动放大电路，输入电阻高并且可以消除零点漂移；中间级一般采用共射极放大电路，主要提供高的电压放漂移；中间级一般采
2、用共射极放大电路，主要提供高的电压放大倍数；输出级多采用无变压器互补对称式功率放大电路，以大倍数；输出级多采用无变压器互补对称式功率放大电路，以尽量增大其负载能力，减小输出电阻。尽量增大其负载能力，减小输出电阻。二、集成运算放大器的主要参数和特性二、集成运算放大器的主要参数和特性1. 集成运放的主要参数集成运放的主要参数（1 1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数A A0 0在没有外接交流负反馈电路的开环情况下，输出端开路，在在没有外接交流负反馈电路的开环情况下，输出端开路，在两个输入端间加一个很小的低频电压信号时所测出的电压放两个输入端间加一个很小的低频电压信号时所测出的电压放大倍数，称为开
3、环电压放大倍数，用大倍数，称为开环电压放大倍数，用A A0 0表示，它是决定运算精表示，它是决定运算精度的重要因素。度的重要因素。A A0 0越大，集成运放的运算精度就越高，所构成越大，集成运放的运算精度就越高，所构成的运算电路越稳定。的运算电路越稳定。（2 2）差模输入电阻）差模输入电阻r ridid集成运放开环时从两个输入端看进去的动态电阻，称为差模输集成运放开环时从两个输入端看进去的动态电阻，称为差模输入电阻。其值越大，表明集成运放从输入信号源所吸取的电流入电阻。其值越大，表明集成运放从输入信号源所吸取的电流越小，运算的精度就越高。一般为几十到几百千欧，最高可达越小，运算的精度就越高。一
4、般为几十到几百千欧，最高可达10105 5MM。 （3 3）开环输出电阻）开环输出电阻r r0 0集成运放开环时输出级的输出电阻，称为开环输出电阻。集成运放开环时输出级的输出电阻，称为开环输出电阻。r r0 0愈小，愈小，集成运放带负载的能力就愈强。由于集成运放采用互补对称式集成运放带负载的能力就愈强。由于集成运放采用互补对称式射极输出电路，其射极输出电路，其r r0 0较低，一般为几十到几百欧。较低，一般为几十到几百欧。 （4 4）最大输出电压）最大输出电压U UOMOM在标称电源电压和额定负载电阻的情况下，能使集成运放在标称电源电压和额定负载电阻的情况下，能使集成运放输出电压和输入电压保持
5、不失真关系的最大输出电压，称输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。在输入信号为零和输出端空载的情况下，集成运放本身所在输入信号为零和输出端空载的情况下，集成运放本身所消耗的直流电源功率，称为静态功耗。此值越小越好。消耗的直流电源功率，称为静态功耗。此值越小越好。（5 5）静态功耗）静态功耗P PC C（6 6）输入失调电压）输入失调电压U UIOIO在集成运放电路中，在理想情况下应满足：当输入电压为零时，在集成运放电路中，在理想情况下应满足：当输入电压为零时，直流输出电压也为零。但实际上，由于制造时电路中元件参数直流输出电压也为零
6、。但实际上，由于制造时电路中元件参数并不完全对称并不完全对称,U,UI I=0=0时，时，U U0 000这称为静态失调。将这个不等于这称为静态失调。将这个不等于零的输出电压折算为集成运放输入端的等效输入电压，称为输零的输出电压折算为集成运放输入端的等效输入电压，称为输入失调电压，用入失调电压，用U UIOIO 表示，一般为毫伏数量级。显然，其值愈表示，一般为毫伏数量级。显然，其值愈小愈好。小愈好。一般都用对称的正、负电源同时供电，其他参数可参考国家标准。一般都用对称的正、负电源同时供电，其他参数可参考国家标准。（7 7）电源电压）电源电压U UCCCC2.2.集成运放的主要特性集成运放的主要
7、特性电压传输特性是指表示集成运放输出电压电压传输特性是指表示集成运放输出电压u u0 0与输入电压与输入电压u ui i（u ui i= u= u0 0-u-u- -）之间关系的特性曲线）之间关系的特性曲线线性区线性区 u u0 0 A A0 0 (u(u0 0-u-u- -)= A)= A0 0u ui i 饱和区饱和区 当当u u+ +稍高于稍高于u u- -，输出电压，输出电压u u0 0就达到就达到U UOMOM，并保持恒定不变，这称，并保持恒定不变，这称为正饱和区；反之，当为正饱和区；反之，当u u稍低于稍低于u u- -，u u0 0就达到就达到-U-UOMOM ，并保持不，并保持
8、不变，这称为负饱和区。变，这称为负饱和区。 通常集成运放的正、负电源电压相等，通常集成运放的正、负电源电压相等，U UOMOM 也相等，故其电也相等，故其电压传输特性基本上对称于原点。压传输特性基本上对称于原点。 只有在深度电压负反馈作用下才能使运放工作在线性区；而在只有在深度电压负反馈作用下才能使运放工作在线性区；而在开环或正反馈工作时，通常处于非线性限幅状态，工作在饱和开环或正反馈工作时，通常处于非线性限幅状态，工作在饱和区，根据输入信号的极性，可以是正饱和或负饱和。区，根据输入信号的极性，可以是正饱和或负饱和。三、理想运算放大器三、理想运算放大器1.理想化模型的符号和指标理想化模型的符号
9、和指标（l l）开环电压放大倍数为无穷大，）开环电压放大倍数为无穷大，A A0 0 （2 2）运算放大器差模输入电阻，）运算放大器差模输入电阻，r ridid （3 3）输出电阻为零，）输出电阻为零，r r0 0几乎为零几乎为零0。2.2.分析集成运放应用电路的基本原则分析集成运放应用电路的基本原则两个输入端的对地电压基本相等，或称两输入端的电位两个输入端的对地电压基本相等，或称两输入端的电位基本相等。基本相等。 集成运放的两个输入端均不流入电流集成运放的两个输入端均不流入电流 理想集成运放是恒压输出，输出电压理想集成运放是恒压输出，输出电压u u0 0不受负载变化的影响不受负载变化的影响 必
10、须注意：只有当集成运放工作在线性区，才能运用必须注意：只有当集成运放工作在线性区，才能运用“虚短虚短”的概念。而一般说来，只有在深度电压负反馈情况下，集成的概念。而一般说来，只有在深度电压负反馈情况下，集成运放才能工作在线性区。运放才能工作在线性区。9.2 反馈在放大电路中应用反馈在放大电路中应用一、开环、闭环、反馈的概念一、开环、闭环、反馈的概念1、定义、定义当用一定形式的网络（如当用一定形式的网络（如R R、C C等）在外部将它们连接起来，等）在外部将它们连接起来，这称为这称为闭环状态闭环状态，又称为，又称为反馈状态反馈状态。集成运放有两个输入端，一个输出端。当输出端和输入端之间集成运放有
11、两个输入端，一个输出端。当输出端和输入端之间不外接电路，即两者之间在外部是断开的，这称为不外接电路，即两者之间在外部是断开的，这称为开环状态开环状态所谓所谓反馈反馈，就是将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分，就是将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过一定形式的电路（反馈电路）送回到输入端，和输或全部通过一定形式的电路（反馈电路）送回到输入端，和输入信号共同作用于基本放大电路，控制其输出。入信号共同作用于基本放大电路，控制其输出。正、负反馈正、负反馈 二、正、负反馈电路判断二、正、负反馈电路判断 即首先任意假定外输入信号的瞬时极性，然后根据放大原即首先任意假定外输入信号的瞬时极性
12、，然后根据放大原理确定输出端的瞬时极性，再由反馈电路确定反馈信号的理确定输出端的瞬时极性，再由反馈电路确定反馈信号的极性。比较外输入信号及反馈信号极性。比较外输入信号及反馈信号, ,即可判断是什么反馈。即可判断是什么反馈。如反馈信号使外输入信号增强，而使净输入信号增大，即如反馈信号使外输入信号增强，而使净输入信号增大，即为正反馈。反之，如反馈信号使净输入信号减小，则为负为正反馈。反之，如反馈信号使净输入信号减小，则为负反馈。反馈。瞬时极性法瞬时极性法三、常见放大器三、常见放大器集成运算放大器负反馈放大电路，根据信号输入方式来划分集成运算放大器负反馈放大电路，根据信号输入方式来划分, ,有两种基
13、本连接方式，即同相输入放大电路和反相输入放大有两种基本连接方式，即同相输入放大电路和反相输入放大电路。电路。1. 同相放大器同相放大器输入信号输入信号u ui i经电阻经电阻R R2 2加到同相输入端，输出电压加到同相输入端，输出电压u u0 0与与u ui i同相位，同相位，故称为故称为同相输入放大电路同相输入放大电路。反相输入端经电阻。反相输入端经电阻R Rl l接地，反馈电接地，反馈电阻阻R Rf f连接在输出端和反相输入端之间，形成连接在输出端和反相输入端之间，形成负反馈负反馈。 R R2 2=R=R1 1RRf f 0f11uRuRR0f11iuRuRR1f1f1i0f1RRRuuA
14、RR上式说明，上式说明，A Af f是大于或等于是大于或等于1 1的正数，的正数，U U0 0与与u ui i同相位且成比例关同相位且成比例关系。当它用于运算的目的时，称为系。当它用于运算的目的时，称为同相输入比例运算放大电路同相输入比例运算放大电路。1f1f1i0f1RRRuuARR电压跟随器电压跟随器 例例 R Rl l=10k,R=10k,Rf f=20k,R=20k,R3=10k,=20k,R=20k,R3=10k,求闭环电压放大倍数求闭环电压放大倍数A Af f。2. 反相放大器反相放大器输入信号输入信号u ui i经电阻经电阻R R1 1加到反相输入端；同相端经电阻加到反相输入端；
15、同相端经电阻R R2 2接地。此接地。此电路的输出电压电路的输出电压u u0 0与输入电压与输入电压u ui i是反相的，故称为是反相的，故称为反相输入放反相输入放大电路大电路。 1i1i1RuRuuif01iRuRu1fi0fRRuuA式中的负号说明式中的负号说明u u0 0与与u ui i相位相反，相位相反，A Af f的大小仅取决于的大小仅取决于 R Rf f与与R R1 1的的比值。此电路用于运算目的时，称为比值。此电路用于运算目的时，称为反相输入比例运算放大反相输入比例运算放大电路。电路。如果如果R Rf f=R=R1 1=R=R，则，则 A Af f=-1=-1此时此时u u0 0
16、与与u ui i大小相等，相位相反，此大小相等，相位相反，此电路称为反相电路（反相放大器）。电路称为反相电路（反相放大器）。3. 加法器加法器 u u+ +uu- -0,i0,id d003i32211321RuRuRuiiiiiifu u0 0=-i=-if fR Rf f=-=-（i i1 1+i+i2 2+i+i3 3）R Rf f ）u uR3R3R Ru uR RR Ru uR RR R-（-（i3i3f fi2i22 2f fi1i11 1f f可见：输出电压的大小正比于各输入电压之和，实现了求和运算。可见：输出电压的大小正比于各输入电压之和，实现了求和运算。 令令R R1 1=R
17、=R2 2=R=R3 3=R=R 则则u u0 0=-R=-Rf f/R(u/R(uilil+u+ui2i2+u+ui3i3 ) ) 4 4差分放大器差分放大器 如果它的同相输入端和反相如果它的同相输入端和反相输入端都接有输入信号输入端都接有输入信号u ui1i1和和u ui2i2，就构成减法运算放大电，就构成减法运算放大电路，即路，即差分放大电路。差分放大电路。R R1 1=R=R2 2,R,Rf f=R=R3 3）（i1i21f0uuRRu若令若令R Rf f=R=R1 1 , ,则则）（i1i20uuu 上式表明：输出电压等于两个输入电压之差，故又称为差动上式表明：输出电压等于两个输入电
18、压之差，故又称为差动运算放大电路，它实现了减法运算的功能。运算放大电路，它实现了减法运算的功能。5 5积分器积分器 积分运算电路用来对输入信号进行积分运算，它的输出电压与输积分运算电路用来对输入信号进行积分运算，它的输出电压与输入电压成积分关系入电压成积分关系 dtuT1dtuCR1uiiif10锯齿波、三角波形发生器电路锯齿波、三角波形发生器电路 积分电路除用来进行积分积分电路除用来进行积分运算、组成波形发生器外，运算、组成波形发生器外，在自动控制系统中常用来在自动控制系统中常用来组成调节器。组成调节器。 6.比较器比较器用于将输入信号电压用于将输入信号电压u ui i和参考（基准）电压和参
19、考（基准）电压U UR R进行比较。根进行比较。根据据 u ui i是大于还是小于是大于还是小于U UR R而决定其输出电压而决定其输出电压 U Uomom的正负，在的正负，在u ui i=U=UR R时，输出电压将产生跃变。这种电路广泛应用于自动检时，输出电压将产生跃变。这种电路广泛应用于自动检测、自动控制及各种非正弦波发生器中。测、自动控制及各种非正弦波发生器中。 a a图当图当 u ui iU U UR R时，时，u u0 0=-U=-Uomom当当u ui i=U=UR R时，输时，输出电压出电压u u0 0产生跃变（实际是图中虚线所示），是状态转换点。产生跃变（实际是图中虚线所示），
20、是状态转换点。任意电平比较器。 任意电平比较器任意电平比较器 如果取如果取U UR R=0=0，即将参考电压端接地，将输入电压，即将参考电压端接地，将输入电压u ui i与零电平进与零电平进行比较，这称为过零比较器，又叫零电平比较器，如图中所行比较，这称为过零比较器，又叫零电平比较器，如图中所示。图中示。图中u ui i接在反相输入端，故称为接在反相输入端，故称为反相零电平比较器反相零电平比较器；如；如果果u ui i接到同相输入端，则称为接到同相输入端，则称为同相零电平比较器。同相零电平比较器。其限幅值决定于稳压管稳压值其限幅值决定于稳压管稳压值UZ的大小的大小 例例9-2（2）滞回比较器）
21、滞回比较器在简单的电压比较器的基础上适当引入正反馈，这称为滞回比在简单的电压比较器的基础上适当引入正反馈，这称为滞回比较器较器 Z322URRR1BU Z322URRR2BU当当u u0 0=+U=+UZ Z时，时， 输入电压输入电压u ui i 由负向正变化，当由负向正变化，当 u ui i U UB1B1时，时，u u0 0就由就由+U+UZ Z-U-UZ Z, ,电压传输特性由电压传输特性由abcdeabcde 当当u ui i由正向负变化时，因由正向负变化时，因u u0 0原来是原来是U UZ Z,U,UB B=U=UB2B2, ,故必须使故必须使 u ui iUUB2B2，u u0
22、0才能由负变正，电压传输特性由才能由负变正，电压传输特性由edfbaedfba U UB1B1、U UB2B2称为状态转换点，又称为门限电压称为状态转换点，又称为门限电压, ,U=UU=UB1B1-U-UB2B2称为回称为回差。由于存在回差，使电路抗干扰能力增强。差。由于存在回差，使电路抗干扰能力增强。 （3 3）窗口电压比较器）窗口电压比较器 窗口比较器是由两个阈值电压不等的简单比较器组成的窗口比较器是由两个阈值电压不等的简单比较器组成的, ,阈值小阈值小的采用反相接法的采用反相接法, ,阈值大的采用同相接法阈值大的采用同相接法 四、集成放大器在汽车电子电路中的应用四、集成放大器在汽车电子电
23、路中的应用 1.1.电桥信号放大电路的应用电桥信号放大电路的应用 电桥信号放大电路实际上是一个差分放大电路，它是将由传感电桥信号放大电路实际上是一个差分放大电路，它是将由传感器引起的电桥输出电压放大器引起的电桥输出电压放大 当传感器的阻值没有变化时，即当传感器的阻值没有变化时，即R=0R=0时，电桥平衡时，电桥平衡, ,电路电路输出电压输出电压u u0 0=0=0 因因RRRR4ERR4EUab式中式中4R称为传感器的灵敏度称为传感器的灵敏度 当外接电阻当外接电阻R R1 1=R=R2 2、R Rf f=R=R3 3，电桥放大器的输出电压为，电桥放大器的输出电压为 1f04RREu汽车电喷发动
24、机中，用来测量进气压力的进气压力传感器就汽车电喷发动机中，用来测量进气压力的进气压力传感器就是由压敏电阻和集成运放制成的。许多车系都采用了这种传是由压敏电阻和集成运放制成的。许多车系都采用了这种传感器感器 2.2.光电测量电路光电测量电路 汽车自动空调控制系统中，用作检测日照量的传感器汽车自动空调控制系统中，用作检测日照量的传感器 3.汽车充电系统电压监视器电路汽车充电系统电压监视器电路 汽车充电系统电压监视器是窗口比较器电路在汽车电子电路中汽车充电系统电压监视器是窗口比较器电路在汽车电子电路中的典型应用的典型应用 电路主要是由电路主要是由LM339LM339构成的一个窗口比较器。基准电压由构成的一个窗口比较器。基准电压由R R1 1和和VZVZ组成的稳压电路组成，组成的稳压电路组成，VZVZ的稳压值是的稳压值是6V6V。基准电压分别接在。基准电压分别接在A A1 1的的正向端和正向端和A A2 2的反相端。的反相端。E E接在汽车充电系统电源上。接在汽车充电系统电源上。