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1、第4章,返回,下页,上页,4.3 集成运算放大器,4.3.1 集成运放的组成,4.3.2集成运放的基本特性,4.3.3放大电路中的负反馈,4.3.4集成运放在模拟信号运算方面的应用,4.3.5集成运放在幅值比较方面的应用,*4.3.6应用举例,4.1 集成运放的组成,4.1.1 概述,4.1.4 集成运放的工作原理和图形符号,返回,第4章,上页,下页,4.1.1 概述,集成运放是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。,第4章,上页,下页,返回,集成运放的组成框图,翻页,集成电路的特点,第4章,上页,下页,返回,翻页,序:直接耦合方式及其存在问题,第4章,上页,下页,返回,翻
2、页,前、后级静态工作点的相互影响,当放大器的输入电压 ui = 0 时，其输出电压uO往往不为常数，称这种现象为放大器的零点漂移。,差分放大电路能很好地抑制零点漂移。,出现零点漂移的原因： 多级直接耦合放大器的放大倍数很高。输入级由于管子特性、参数随温度变化等因素引起输出电压很大的变化，从而导致整个放大器无法正常工作。,第4章,上页,下页,返回,翻页,直接耦合放大器的零点漂移,第4章,上页,下页,返回,翻页,恒流源的组成：,工作原理：,设,iC3,iB3,iC3,UR2,UBE3,（ UB3 固定）,R1、DZ、T3、R2,ToC,1.典型差分放大电路对零漂的抑制,+UCC,RB,RL,RC,
3、RC,T1,T2,C1,C2,ui2,+,+,ui,ui1,+,+,UZ,R2,T3,B3,iB3,iC3,DZ,u01,u02,+,+,E,+,u0,UEE,R1,R,R,RB,iC1,iC1,大小相等、极性相反,第4章,上页,下页,返回,翻页,2.差分放大电路对差模信号的放大作用,差模输入：,第4章,上页,下页,返回,翻页,双端输出时差模信号电压放大倍数,差分放大电路的交流通路,第4章,上页,下页,返回,翻页,共模输入：,输出 uo1C = uo2C,大小相等，极性相同 。,3.差分放大电路的共模放大倍数,单端输入-单端输出,第4章,上页,下页,4.差分放大电路的输入输出方式,双端输入-单
4、端输出,单端输入-双端输出,返回,翻页,+UCC,RC,T1,T2,IS,+,_,u0,RL,RC,RB,RB,+,_,+UCC,R1,R2,RL,T1,T2,B,iC1,iC2,uO,iO,UCC,特点：,第4章,上页,下页,返回,翻页,R3,ui,B2,B1,+,+,D1,D2,4.1.4 集成运放的符号、管脚,反相输入端,u,u,同相输入端,信号传输方向,输出端,理想运放开环电压放大倍数,实际运放开环电压放大倍数,第4章,上页,下页,返回,本节结束,AO,1. 电压传输特性,第4章,上页,下页,返回,4.2 集成运放的基本特性,UOM,UOM,uo= f ( ui ) , 其中 ui =
5、 u u ,翻页,AO,2. 集成运放的理想特性,理想化的条件：,开环电压放大倍数 AO, ;,差模输入电阻 ri,开环输出电阻 rO,共模抑制比 KCMRR, ;,0 ;, ;,上页,下页,返回,翻页,u,u,o,u,AO,第4章,集成运放的理想电压传输特性,UO+,理想运放,第4章,上页,下页,返回,Uo+,U0 -,Uim,Uim,实际运放,翻页,UO-,4.3 理想运放的分析特点,理想运放,对于理想运放,第4章,上页,下页,返回,+,i-,ui,uO,+,_,i+,翻页,当u+ u-时，u0=UO+,ii,uO,+,rid,+,输出电压u0只有两种可能：,当u+ u-时，u0= UO,
6、“虚断”的条件原则上仍成立， 即,ii 0,“虚短”原则上不成立，即,u+和u-不一定相等！,第4章,上页,下页,返回,本节结束,第4章,上页,下页,返回,4.3.1 反馈的基本概念,4.3.2 负反馈的四种类型,4.3.3 负反馈对放大电路性能的影响,4.3 集放大电路中的负反馈,4.3.1 反馈的基本概念,A,F,xo,xi,xd,xd 净输入信号,无反馈,有反馈方框图,反馈：将放大电路输出信号的一部分或全部经反馈网络引回输入端。,第4章,上页,下页,返回,翻页,4.3.2 负反馈的四种类型,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流并联负反馈,电流串联负反馈,负反馈的类型,第4章,上页,下页,
7、返回,翻页,放大电路的负反馈，按照反馈信号反映的输出量（电压或电流）和反馈电路与输入回路的联接方式（串联或并联），可分为四种基本类型，如下方框图所示。,第4章,上页,下页,返回,翻页,上页,下页,返回,第4章,翻页,（一）电压串联负反馈同相输入方式的比例、加法运算电路都属于电压串联负反馈放大电路。以同相比例运算电路为例，其输出端接有负载电阻RL。,在输入回路中，而故则,上页,下页,返回,第4章,翻页,显然，ririd。（二）电压并联负反馈反相输入方式的比例、加法运算电路都属于电压并联负反馈放大电路。以反相比例运算电路为例，其输出端接有负载电阻RL。即输入电阻ri只取决于外接电阻R1。,上页,下
8、页,返回,第4章,翻页,（三）电流串联负反馈如图所示电压电流转换器是具有电流串联负反馈的运放电路。,上页,下页,返回,第4章,翻页,若转换器的负载是一块毫安表，表针偏转角将与输入电压（即待测电压Ux）成正比，整个运放电路就是一个直流电压表。,上页,下页,返回,第4章,翻页,如果转换器的输入电压取自恒压源，如取自稳压管的电压UZ，其输出电路就是一个恒流源，输出电流为 定值,（四）电流并联负反馈,上页,下页,返回,第4章,翻页,电压串联负反馈,在输出端，F与A相并联, uf与uo成正比，为电压反馈；,在输入端, uf 与 ui 相串联（以电压的形式）为串联反馈；,第4章,上页,下页,F,A0,ui
9、,ud,uf,uo,+,-,返回,翻页,同相输入电路,AO,+,_,RL,uf与uo成正比，,为电压反馈,从输入端分析：uf 与 ui 相串联,ud= ui uf,第4章,上页,下页,返回,翻页,从输出端分析：,id,uf 以电压的形式出现。,为串联反馈,AO,+,_,_,+,RL,由上述结果可知：引入反馈后使净输人电压减小，为负反馈。,第4章,上页,下页,返回,翻页,ud,AO,该例为电压串联负反馈电路,在输入端, 信号以电流出现, if与ii相并联,为并联反馈；,id = ii if ii ，为负反馈。,净输入信号,在输出端， if与uo成正比, 为电压反馈；,if,第4章,上页,下页,电
10、压并联负反馈,RL,u,i,u,o,Rf,R2,R1,ii,反相输入电路,返回,翻页,AO,RL,u,i,u,o,Rf,R2,R1,ii,反相输入电路,_,+,uL,if,u-,所以为电压反馈。,信号以电流出现, if与ii相并联,为并联反馈；,+,_,id,id = ii if ii ，为负反馈。,净输入信号,该例为电压并联负反馈电路,第4章,上页,下页,返回,翻页,瞬时极性法,AO,=,3. 电流串联负反馈,在输入端,信号以电压形式出现,uf与ui相串联,为串联反馈；,在输出端， uf与 io成正比，为电流反馈；,i0,b,L,第4章,上页,下页,返回,翻页,ud,ui,+,+,uL,uf
11、,+,AO,在放大器输入端, 信号以电流出现, if与id相并联,为并联反馈；,在放大器输出端， if与 io成正比，为电流反馈；,4.电流并联负反馈,第4章,上页,下页,返回,翻页,第4章,上页,下页,返回,翻页,RL,+,+,i0,uL,Rf,R2,R1,i,i,i,d,ui,+,+,-,-,iL,运用瞬时极性法判别正、负反馈？,u0,电压还是电流反馈？,判断是串联还是并联反馈？,该例为电流并联负反馈电路,AO,第4章,上页,下页,返回,翻页,负反馈类型的分析方法小结,第一步 ：找出电路各点的瞬时极性,id = ii if ii,反馈信号与输入信号相串联加到输入端,（以电压形式出现）,第4
12、章,上页,下页,返回,翻页,Rf,+,_,R2,u0,ui,ii,if,F,+,-,+,-,U,AO,AO,例题4.3.1反馈类型的判别,u,i,A1,A2,uo,RF,RL,在输入端：ud =ui- uf ui 为负为反馈,瞬时极性法,u01,第4章,上页,下页,返回,翻页,AO,AO,串联、并联反馈判别,在输入回路中分析,u,i,A1,A2,uo,RF,uf以电压形式出现且与ui相串联接在输入端，故为串联反馈,u01,第4章,上页,下页,返回,翻页,AO,AO,电压、电流反馈判别,在输出回路中分析,u,i,A1,A2,uo,RF,反馈电路直接从输出端引出， uf与uo成正比为电压反馈,u0
13、1,Rf引入电压串联负反馈,第4章,上页,下页,返回,翻页,AO,AO,试判别图示电路中反馈的类型和极性,u,i,A1,A2,uo,RF,u01,RL,利用瞬时极性法判别正、负反馈,为负反馈,在输入回路中分析串联、并联反馈,并联反馈,在输出回路中分析电压、电流反馈,电流反馈,第4章,上页,下页,返回,翻页,所以，RF引入了电流并联负反馈,例题4.3.2,AO,AO,4.3.3 负反馈对放大器性能的影响,提高放大倍数的稳定性,设开环放大倍数的相对变化率为dA/A,第4章,上页,下页,返回,翻页,闭环放大倍数的相对变化率为 dAf/Af,A,F,xo,xi,xd,xf,0.707A0,Af,f,f
14、L,fH,2. 扩展通频带,A,Af,A0,0.707Af,fLf,fHf,BWf 1 AF BW,加入负反馈使放大器的通频带展宽,0,无负反馈,有负反馈,第4章,上页,下页,返回,翻页,BW,BWf,对于集成运放,则有：,fLf = fL =0,uo,负反馈改善了波形失真,3. 减小非线性失真,加入负反馈,无负反馈,第4章,上页,下页,返回,翻页,4. 对输入电阻输出电阻的影响,输入电阻,串联负反馈提高输入电阻 rifri,并联负反馈降低输入电阻 rifri,输出电阻,电压负反馈稳定输出电压，所以,电压负反馈降低输出电阻，rofro,电流负反馈稳定输出电流，所以,电流负反馈增加输出电阻，ro
15、fro,第4章,上页,下页,返回,本节结束,第4章,上页,下页,返回,4.4 集成运放在模拟信号运算方面的应用,4.4.1 比例运算电路,4.4.2 加、减运算电路,4.4.3 积分、微分运算电路,4.4.1 比例运算电路,1、反相输入比例运算电路,u,i,u,o,i1,if,i,Rf,R1,R2,Rf引入深度负反馈,并联电压负反馈,R1输入电阻,Rf反馈电阻,R2平衡电阻,R2= R1/ R1,第4章,上页,下页,返回,i,翻页,反相输入运算关系,u,i,u,o,i1,if,i-,Rf,R1,R2,反相比例,当Rf=R1=R时,反相器,第4章,上页,下页,返回,翻页,输入电阻低,反相比例器引
16、入并联电压负反馈,输出电阻低,反相比例器的特点,第4章,上页,下页,返回,翻页,if,2、同相输入比例运算电路,Rf,R1,R2,u,i1,if,同相比例运算电路,故有：,同相输入比例器,u,第4章,上页,下页,id,u+,u_,返回,翻页,id 0,同相输入比例器的特点,同相输入比例器属于电压串联负反馈电路。,输入电阻高,在理想运放的情况下，输入电阻：ri,输出电阻低,在理想运放的情况下，ro0,第4章,上页,下页,返回,翻页,电压跟随器,当R1=或 Rf=0时,uo = ui,第4章,上页,下页,返回,翻页,4.4.2 加、减 运算电路,1、加法运算电路,f,u,o,b,ui1,ui3,u
17、i2,i1,i2,i3,if,第4章,上页,下页,返回,翻页,i-,即,u_,第4章,上页,下页,返回,翻页,运算关系,第4章,上页,下页,返回,翻页,第4章,上页,下页,2、减法运算电路,返回,翻页,ui1,ui2,u,o,R1,R2,R3,ui2,ui1,Rf,当R1=Rf=R2=R3时,u0 = ui2ui1,减法运算电路,第4章,上页,下页,返回,翻页,R,11,u,i1,21,13,22,N2,N1,u,o,f1,u,R,R,R,R,R,R,i2,f2,第4章,上页,下页,返回,翻页,R,1,i1,u,i,C,if,依据 u-=u+ 虚地,R2,i1=if ，,第4章,上页,下页,4
18、.4.3 积分、微分 运算电路,返回,翻页,输入为阶跃电压时积分器的输入输出波形,第4章,上页,下页,返回,翻页,R,1,i1,u,i,C,R2,u,uO,i,C,uo,ui,2,f,输入与输出的关系式为,若输入为方波,则输出波形为,第4章,上页,下页,返回,翻页,应用举例：PID调节器,Cf,2,1,u,o,C1,f,依据虚断和虚短原则,if = i1+ic,第4章,上页,下页,返回,本节结束,4.5 集成运放在幅值比较方面的应用,4.5.1 开环工作的比较器,*4.5.2 滞回比较器,第4章,上页,下页,返回,4.5.1 开环工作的比较器,UOH,-UOL,UD,UR,UZ,UR,第4章,
19、上页,下页,返回,翻页,R1,R2,UOH,-UOL,t,t,UOH,UOL,0,0,0,ui,uo,uO,ui,uo,反相输入过零比较器,第4章,上页,下页,返回,翻页,ui,UZ,UZ,R2,R3,R1,UR,Dz,UZ,0,ui,uo,uO,ui,第4章,上页,下页,返回,翻页,因为 u+,= 0,u-,= ,ui -,UR,R1+R2,R2+,UR,设 u-,= 0，则有：,ui,R2+ UR R1=0,转折电压：,ui=, UR,R2,R1,R1,R2,R3,Rf,Dz,uO,ui,UZ,UZ,-UZ,UTL,UTH,0,ui,uo,第4章,上页,下页,*4.5.2 滞回比较器,返回
20、,翻页,R1,R2,uO,ui,R3,Rf,Dz,UZ,t,UTH,UTL,0,t,UZ,-UZ,0,ui,uo,ui,第4章,上页,下页,返回,翻页,R1,R2,uO,ui,R3,Rf,Dz,UZ,ui,UZ,-UZ,0,UTL,UTH,UR,第4章,上页,uR,返回,uO,下页,本节结束,上页,下页,返回,翻页,*4.6 应用举例,应用集成运放构成的温度监测控制电路结构框架如下：,温度传感器将温度变化转化为电压，将此电压与限定温度范围内的电压上限和下限值比较，以控制加热器加热或停止加热，使被控温度保持在一定的范围内。,第4章,监测温度下限值为0 ，要求对应显示的输出电压为0V；上限值为10
21、0 ，要求对应显示的输出电压为10V。,上页,下页,翻页,以自动控制温度在0100内变化为例。,第4章,返回,上页,下页,翻页,温度传感器,跟随器（隔离，以避免后级的影响）,A1,第4章,返回,上页,下页,翻页,UCC(15V),V,R5,R4,RP1,RP2,R64.7 k,R710 k,R8 10 k,10 k,220 k,10 k,UO1,UO2,UO3,反相加法器,跟随器（隔离）,温度为下限值时，UO1=UO1L0.97V,令UO2=UO2L=0,则应满足：,温度为上限值时， UO1=UO1H11.54V令UO2=UO2H=10V,则应满足：电压放大倍数,=,按温度标定后电压表可直接指
22、示被监测温度,A2,A3,第4章,返回,上页,下页,翻页,R12,RP3,R10,UCC(15V),R9,U-4,U+4,R11,UO4,UO3,滞回比较器,设RP=RP3/RP3,则：,RP3,RP3,UR,调节RP3可改变UR，从而调节U+4,达到调节控温范围的目的。R9R12的阻值由控温要求确定。,第4章,返回,上页,下页,翻页,UO4,R15,R13,10 k,R14 10 k,UCC(15V),R16,T1,D,E,K,T2,R17,加热器,FU,FU,反相器,光电耦合器,UO5,当UO5为低电平时，T1和T2导通，继电器线圈通电，其触点闭合，加热器通电加热，使被监控点的温度上升；反之，则温度下降。,第4章,返回,下页,上页,翻页,被控点的温度较低时，RT大，UT、UO1小，UO2、UO3小，使得U-4U+4, A4输出正饱和电压（此时U+4=U+4H),UO5输出低电平，加热器加热，被控点升温。,第4章,整个电路的工作原理：,当温度升高至上限值，使得U-4U+4H, A4输出负饱和电压（此时U+4=U+4L), UO5输出高电平，加热器停止加热，温度下降。降至下限值则重新加热。,返回,下页,电位器RP1、RP2的作用决定了输出电压按温度标定的比例关系，即如何使得电压表直接指示温度值。,上页,返回,本章结束,第4章,注意：,