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1、运算放大器第1页，共49页，编辑于2022年，星期三第第 11 章章运算放大器运算放大器第2页，共49页，编辑于2022年，星期三11.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍11.2 运算放大电路中的负反馈运算放大电路中的负反馈11.3 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用 第第1 11章运算放大器章运算放大器第3页，共49页，编辑于2022年，星期三11.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成耦合放大电
2、路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。电路。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo 高高:80dB140dBrid 高高:105 1011 ro 低低:几十几十 几百几百 KCMR高高:70dB130dB集成运放的符号：集成运放的符号：uo+Auou+u。+UCCUEE 11.1 集成运算放大器的集成运算放大器的简单简单介介绍绍第4页，共49页，编辑于2022年，星期三+UCCUEEuouu+11.1.2 电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级中间级中间级输出级输出
3、级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放都采用带恒流源的差放。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。射极放大电路构成。输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。第5页，共49页，编辑于2022年，星期三11.1.3 主要参数主要参数1.最大输出电压最大输出电
4、压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好愈小愈好愈小愈好3.输入失调电压输入失
5、调电压 UIO4.输入失调电流输入失调电流 IIO5.输入偏置电流输入偏置电流 IIB第6页，共49页，编辑于2022年，星期三11.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器理想运算放大器Auo ，rid ，ro 0，KCMR 2.电压传输特性电压传输特性 uo=f(ui)线性区：线性区：uo=Auo(u+u)非线性区：非线性区：u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+u 时，时，uo=Uo(sat)不存在不存在不存在不存在 “虚短虚短虚短虚短”现象现象现象现象 u+u uoUo(sat)+Uo(sat)O饱和区饱和
6、区第9页，共49页，编辑于2022年，星期三凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为就称为反馈反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反负反馈馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反正反馈馈。11.2 放大放大电电路中的路中的负负反反馈馈第10页，共49页，编辑于2022年，星期三11.2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念放大器放大器输出输出输入输入取取+加强输入信号加强输入信号 正反馈正
7、反馈 用于振荡器用于振荡器取取-削弱输入信号削弱输入信号 负反馈负反馈 用于放大器用于放大器开环开环闭环闭环负反馈的作用：负反馈的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；扩稳定静态工作点；稳定放大倍数；扩展通频带展通频带反馈网络反馈网络叠加叠加反馈反馈信号信号实际被放大信号实际被放大信号第11页，共49页，编辑于2022年，星期三基本放大电路基本放大电路Ao反馈网络反馈网络F放大放大：叠加：叠加：负反馈框图：负反馈框图：AO称为开环放称为开环放大倍数大倍数+反馈反馈：AF称为闭环放大倍数称为闭环放大倍数AF=Xo/Xi输出信号输出信号输入信号输入信号反馈信号反馈信号差值信号差值信号负反馈放大器负反
8、馈放大器F称为反馈系数称为反馈系数设设Xf与与Xi同相同相第12页，共49页，编辑于2022年，星期三负反馈放大器的一般关系负反馈放大器的一般关系闭环放大倍数：闭环放大倍数：放大放大：反馈反馈：叠加：叠加：AF=Xo/Xi=Xo /(Xd+Xf)=Xo /(+XoF)=XoAo11Ao+F=Ao1+AoF第13页，共49页，编辑于2022年，星期三AF=Ao1+AoF负反馈放大器的闭环放大倍数负反馈放大器的闭环放大倍数当当Ao很大时很大时,AoF 1,AF 1 F结论结论:当当Ao很大时很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关与晶体管无关,只与反馈网络有关。即负
9、反馈可以只与反馈网络有关。即负反馈可以稳定放大倍数。稳定放大倍数。第14页，共49页，编辑于2022年，星期三11.2.2 负反馈的四种类型负反馈的四种类型反馈量反馈量 Xo输入信号的连接方式输入信号的连接方式Uo电压电压Ic电流电流Ie串联串联并联并联(将反馈信号变为电压信号将反馈信号变为电压信号,与输入与输入电压电压ui相减相减,得到被放大的电压信号得到被放大的电压信号ube)(将反馈信号变为电流信号将反馈信号变为电流信号,与输入与输入电流电流ii相减相减,得到被放大的电流信号得到被放大的电流信号ib)四种连接方式四种连接方式:(1)电流串联负反馈电流串联负反馈 (2)电压串联负反馈电压串
10、联负反馈 (3)电流并联负反馈电流并联负反馈 (4)电压并联负反馈电压并联负反馈第15页，共49页，编辑于2022年，星期三1.串联电压负反馈串联电压负反馈+uf+uduoRFuiR2R1+RL设输入电压设输入电压设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，为正，为正，差值电压差值电压差值电压差值电压 u ud d=u ui i u uf f各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图u uf f 削弱了净输入电压削弱了净输入电压削弱了净输入电压削弱了净输入电压(差差差差值电压值电压值电压值电压)负反馈负反馈负反馈负反馈反馈电压反馈电压反馈电压反馈电压取
11、自输出电压取自输出电压取自输出电压取自输出电压电压反馈电压反馈电压反馈电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈串联反馈串联反馈串联反馈 特点：特点：特点：特点：输入电阻高、输出电阻低输入电阻高、输出电阻低输入电阻高、输出电阻低输入电阻高、输出电阻低 第16页，共49页，编辑于2022年，星期三2.并联电压负反馈并联电压负反馈i1if iduoRFuiR2R1+RL 设输入电压设输入电压设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，为正，为正，差值
12、电流差值电流差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i if f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差值差值差值差值电流电流电流电流)负反馈负反馈负反馈负反馈反馈电流反馈电流反馈电流反馈电流取自输出电压取自输出电压取自输出电压取自输出电压电压反馈电压反馈电压反馈电压反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较并联并联并联并联反馈反馈反馈反
13、馈 特点：特点：特点：特点：输入电阻低、输出电阻低输入电阻低、输出电阻低输入电阻低、输出电阻低输入电阻低、输出电阻低第17页，共49页，编辑于2022年，星期三3.串联电流负反馈串联电流负反馈uouiR2RL+ioR+uf+ud设输入电压设输入电压设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，为正，为正，差值电压差值电压差值电压差值电压 u ud d=u ui i u uf f各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图u uf f 削弱了净输入电压削弱了净输入电压削弱了净输入电压削弱了净输入电压(差值差值差值差值电压电压电压电压)负反馈负反馈负反馈负反馈
14、反馈电压反馈电压反馈电压反馈电压取自输出电流取自输出电流取自输出电流取自输出电流 电流反馈电流反馈电流反馈电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈串联反馈串联反馈串联反馈 u uf f=RiRio o 特点：特点：特点：特点：输出电流输出电流输出电流输出电流 i io o 与负载电阻与负载电阻与负载电阻与负载电阻R RL L无关无关无关无关 同相输入恒流源电路或电压同相输入恒流源电路或电压同相输入恒流源电路或电压同相输入恒流源电路或电压-电流变换电
15、路电流变换电路电流变换电路电流变换电路第18页，共49页，编辑于2022年，星期三4.并联电流负反馈并联电流负反馈RFR1uiR2RL+ioRi1ifid设输入电压设输入电压设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，为正，为正，差值电流差值电流差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i if f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差值差值差值差值电流电流电流电流)负反馈负反馈负反馈负反馈反馈电流反馈电流反馈电流反馈电流取取取取自输出电流自输出电流自输出电流自输
16、出电流电流反馈电流反馈电流反馈电流反馈 反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较 并联反馈并联反馈并联反馈并联反馈 第19页，共49页，编辑于2022年，星期三4.并联电流负反馈并联电流负反馈RFR1uiR2RL+ioRi1ifid设输入电压设输入电压设输入电压设输入电压 u ui i 为正，为正，为正，为正，差值电流差值电流差值电流差值电流 i id d=i i1 1 i if f各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图各电流的实际方向如图i i
17、f f 削弱了净输入电流削弱了净输入电流削弱了净输入电流削弱了净输入电流(差差差差值电流值电流值电流值电流)负反馈负反馈负反馈负反馈反馈电流反馈电流反馈电流反馈电流取取取取自输出电流自输出电流自输出电流自输出电流电流反馈电流反馈电流反馈电流反馈 特点：特点：特点：特点：输出电流输出电流输出电流输出电流 i io o 与负载电阻与负载电阻与负载电阻与负载电阻R RL L无关无关无关无关 反相输入恒流源电路反相输入恒流源电路反相输入恒流源电路反相输入恒流源电路第20页，共49页，编辑于2022年，星期三运算放大器电路反馈类型的判别方法：运算放大器电路反馈类型的判别方法：运算放大器电路反馈类型的判别
18、方法：运算放大器电路反馈类型的判别方法：1.1.反馈电路直接从输出端引出的，反馈电路直接从输出端引出的，反馈电路直接从输出端引出的，反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；是电压反馈；是电压反馈；是电压反馈；从负载电阻从负载电阻从负载电阻从负载电阻R RL L的靠近的靠近的靠近的靠近“地地地地”端引出的，端引出的，端引出的，端引出的，是电流反馈；是电流反馈；是电流反馈；是电流反馈；2.2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，上
19、的，上的，上的，是串联反馈是串联反馈是串联反馈是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）上；加在同一个输入端（同相或反相）上；加在同一个输入端（同相或反相）上；加在同一个输入端（同相或反相）上的，的，的，的，是并联反馈是并联反馈是并联反馈是并联反馈；3.3.对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负是负是负是负反馈；反馈；反馈；反馈；极性相反时，极性相反时，极性相反时，极性相反时，是正反馈是正反馈是正反馈是正反馈；4.4.对并联反馈，净输入电流等于输入电流和
20、反馈电流之差对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，时，时，时，是负反馈；是负反馈；是负反馈；是负反馈；否则否则否则否则是正反馈。是正反馈。是正反馈。是正反馈。第21页，共49页，编辑于2022年，星期三例例例例1 1：试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器A2A2输出端引至输出端引至输出端引至输出端引至A1A1输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路
21、。输入端的是何种类型的反馈电路。uf+uo1uiR+uo+RLA1A1A2A2解：解：解：解：因反馈电路直接从运算放大器因反馈电路直接从运算放大器因反馈电路直接从运算放大器因反馈电路直接从运算放大器A2A2的输出端引出，所以的输出端引出，所以的输出端引出，所以的输出端引出，所以是电压反馈；是电压反馈；是电压反馈；是电压反馈；因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以以以以是串联反馈；是串联反馈；是串联反馈；是串联
22、反馈；因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈。负反馈。负反馈。负反馈。串联电压负反馈串联电压负反馈串联电压负反馈串联电压负反馈 先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；第22页，共49页，编辑于2022年，星期三例例例例2 2：试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器试判别下图放大电路中从运算放大器A2A2输出
23、端引至输出端引至输出端引至输出端引至A1A1输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。输入端的是何种类型的反馈电路。解：解：解：解：因反馈电路是从运算放大器因反馈电路是从运算放大器因反馈电路是从运算放大器因反馈电路是从运算放大器A2A2的负载电阻的负载电阻的负载电阻的负载电阻R RL L的靠的靠的靠的靠近近近近“地地地地”端引出的，所以端引出的，所以端引出的，所以端引出的，所以是电流反馈；是电流反馈；是电流反馈；是电流反馈；因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以因输入信号和反馈信号均加在同相输入端
24、上，所以因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是是是是并联反馈并联反馈并联反馈并联反馈;因净输入电流因净输入电流因净输入电流因净输入电流 i id d 等于输入电流和反馈电流之差，所以是等于输入电流和反馈电流之差，所以是等于输入电流和反馈电流之差，所以是等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。负反馈。负反馈。负反馈。并联电流负反馈并联电流负反馈并联电流负反馈并联电流负反馈uo1uiR+uo+RLA1A1A2A2 i1ifid第23页，共49页，编辑于2022年，星期三11.2.3 负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响反馈电路的反馈电路的基本基本 方程方程基本放大电路基本放大电路
25、Ao反馈网络反馈网络F+FAo开环放大倍数开环放大倍数AF闭环放大倍数闭环放大倍数Xf与与Xi同相同相第24页，共49页，编辑于2022年，星期三负反馈使放大倍数下降。负反馈使放大倍数下降。1.引入负反馈使电路的稳定性提高。引入负反馈使电路的稳定性提高。同相，所以同相，所以 AFAF AO1+AOFAO1=AF=Ao1+AoF则有：则有：|AF|0 ui=Ui 0 采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故本上是恒定的，故 uo 是时间是时间 t 的一次函数，从而提高了它的一次函数，从而提高了它的线性度。的线性度。输出电压随
26、时输出电压随时间线性变化间线性变化U Ui i U Ui i第46页，共49页，编辑于2022年，星期三 将比例运算和积分运算结合在一起，就组成将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例比例比例比例-积分运算电路。积分运算电路。积分运算电路。积分运算电路。uoCFuiR2R1+RFifi1电路的输出电压电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分积分 这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器,常用于控制系统中常用于控制系统中,以保证自以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调整比例系，可调
27、整比例系数和积分时间常数数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。第47页，共49页，编辑于2022年，星期三11.3.5 微分运算电路微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1=ifuoC1uiR2RF+uitOuotOU Ui i U Ui i第48页，共49页，编辑于2022年，星期三比例比例比例比例-微分运算电路微分运算电路微分运算电路微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中，控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。PDPD调节器调节器调节器调节器uoC1uiR2RF+R1ifiRiC第49页，共49页，编辑于2022年，星期三