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1、第第1111章章 运算放大器运算放大器电工学简明教程-第-11-章-运算放大器资料第第1111章章 运算放大器运算放大器第第 11 章运算放大器章运算放大器分立电路分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。是由各种单个元件连接起来的电子电路。集集成成电电路路特特点点：体体积积小小、重重量量轻轻、功功耗耗低低、可可靠靠性性高高、价格低。价格低。集成电路分类集成电路分类集集成成电电路路是是把把整整个个电电路路的的各各个个元元件件以以及及相相互互之之间间的的连连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。按集成度按集成度按导电类型按导电类
2、型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟第第1111章章 运算放大器运算放大器第第 11 章运算放大器章运算放大器集集成成运运放放是是具具有有很很高高开开环环电电压压放放大大倍倍数数的的直直接接耦耦合放大器。合放大器。用用于于模模拟拟运运算算、信信号号处处理理、信信号号测测量量、波波形形转转换换、自动控制等领域。自动控制等领域。本本章章主主要要讨讨论论分分析析运运算算放放大大器器的的依依据据及及其其在在信信号号运运算算、信信号号处处理理、波波形形产产生生方方面面的的应应用用，并并介介绍绍放放大大电路中的负反馈。电路中的负
3、反馈。第第1111章章 运算放大器运算放大器11.1运算放大器的简单介绍运算放大器的简单介绍11.1.1集成运放的组成集成运放的组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级输入端输入端输出端输出端偏置偏置电路电路输入级输入级 差分放大器差分放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路偏置电路 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成第第1111章章 运算放大器运算放大器运算放大器的符号运算放大器的符号反相反相输入端输入端uO+uu+同相同相输入端输入端信号传信号传输方向输方向输出端输出端+Auo理想理想运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数实际运放
4、开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数第第1111章章 运算放大器运算放大器11.1.2主要参数主要参数1最大输出电压最大输出电压 UOPP2开环电压开环电压 Auo3输入失调电压输入失调电压 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 IIB6共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM第第1111章章 运算放大器运算放大器11.1.3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在在分分析析运运算算放放大大器器的的电电路路时时，一一般般将将它它看看成成是是理理想想的的运算放大器。理想化的主要条件：运算放大器。理想化的主要条件：1开环电压放大倍数开环电压放大倍数
5、Auo 2开环输入电阻开环输入电阻rid 3开环输出电阻开环输出电阻ro 04共模抑制比共模抑制比KCMR 由由于于实实际际运运算算放放大大器器的的技技术术指指标标接接近近理理想想化化条条件件，而而用用理理想想运运算算放放大大器器分分析析电电路路可可使使问问题题大大大大简简化化，因因此此后后面面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。第第1111章章 运算放大器运算放大器11.1.3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实际运放电压传输特性实际运放电压传输特性表表示示运运算算放放大大器器输输出出电电压压与与输输入入电电压压之之间间关
6、关系系的的曲曲线线称为称为传输特性传输特性。uOOUo(sat)Uo(sat)UimUim线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 若若Auo=106 Uo(sat)=15 V则则 UIM=0.015 mV运放要工作在线性运放要工作在线性区必须有负反馈。区必须有负反馈。uOu+uuO=Auo(u+u)第第1111章章 运算放大器运算放大器理想运放电压传输特性理想运放电压传输特性11.1.3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uOOUo(sat)Uo(sat)UimUim线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 因为理想运放因为理想运放Auo 开环电压放大倍数开环电压
7、放大倍数 所以，当所以，当 u+u 时，时，uO=+Uo(sat)u+u 时，时，uO=+Uo(sat)u+u uO=Uo(sat)依然成立依然成立u+=uuO 发生跃变发生跃变第第1111章章 运算放大器运算放大器11.2放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈凡凡是是将将放放大大电电路路(或或某某个个系系统统)输输出出信信号号的的一一部部分分或或全部经某种电路全部经某种电路(反馈网络反馈网络)引回到输入端，称为反馈。引回到输入端，称为反馈。11.2.1反馈的基本概念反馈的基本概念如如果果反反馈馈信信号号使使净净输输入入信信号号增增加加，称称为为正正反反馈馈。如如果反馈信号使净输入信号减小，称为
8、果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈负反馈。无负反馈放大无负反馈放大电路方框图电路方框图AxIxO第第1111章章 运算放大器运算放大器11.2.1反馈的基本概念反馈的基本概念带有负反馈放大带有负反馈放大电路的方框图电路的方框图AxIxOFxF+xD基本放大电路基本放大电路反馈电路反馈电路比较环节比较环节xI 输入信号输入信号xO 输出信号输出信号xF 反馈信号反馈信号xD 净输入信号净输入信号净输入信号净输入信号 xD=xI xF反馈信号使净输入信号减小，则为反馈信号使净输入信号减小，则为负负反馈。反馈。反馈信号使净输入信号增大，则为反馈信号使净输入信号增大，则为正正反馈。反馈。第第111
9、1章章 运算放大器运算放大器11.2.2负反馈与正反馈的判别负反馈与正反馈的判别瞬时极性法瞬时极性法是判别正、负反馈的基本方法：是判别正、负反馈的基本方法：设设接接地地参参考考点点的的电电位位为为零零。某某点点在在某某瞬瞬时时的的电电位位高高于于零零电电位位者者，则则其其瞬瞬时时极极性性为为正正(用用“”表表示示)；反反之为负之为负(用用“”表示表示)。第第1111章章 运算放大器运算放大器11.2.3负反馈的类型负反馈的类型AF+xIxOxFxD根根据据反反馈馈电电路路与与基基本本放放大大电电路路在在输输入入、输输出出端端的的连连接接方式不同，负反馈有以下四种类型。方式不同，负反馈有以下四种
10、类型。在输出端在输出端反馈量取自输出电压为电压反馈，反馈量取自输出电压为电压反馈，取自输出电流为电流反馈；取自输出电流为电流反馈；在输入端在输入端反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。负反馈的类型有：负反馈的类型有：电压串联负反馈电压串联负反馈；电压并联负反馈电压并联负反馈；电流串联负反馈电流串联负反馈；电流并联负反馈电流并联负反馈。第第1111章章 运算放大器运算放大器11.2.3负反馈的类型负反馈的类型ui+R1R
11、2uORF+RLuD+uF+设某一瞬时设某一瞬时 uI 为正，则此时为正，则此时 uO也为正，同时反馈电压也为正，同时反馈电压 uF 也为正。也为正。净输入信号净输入信号ud=ui uf小小于于输输入入信信号号，即即 uF 的的存存在在使使净净输入信号减小，所以为输入信号减小，所以为负负反馈。反馈。反馈电压反馈电压取自输出电压，并与之成取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。正比，故为电压反馈。uF 与与 uI 在在输输入入端端以以电电压压形形式式作作比比较较，两两者者串串联联，故故为为串串联反馈。联反馈。判别图示电路的反馈类型判别图示电路的反馈类型1串联电压负反馈串联电压负反馈 首首先先用
12、用电电位位的的瞬瞬时时极极性性判判别别反反馈的正、负。馈的正、负。第第1111章章 运算放大器运算放大器1串联电压负反馈串联电压负反馈AF+uFuDuIuO 串联电压负反馈方框图串联电压负反馈方框图uI+R1R2uORF+RLuD+uF+反馈电压反馈电压第第1111章章 运算放大器运算放大器uOR1R2RF+uI+RL iIiDiF-设设某某一一瞬瞬时时 uO 为为正正，则则此此时时 uO 为为负负，各各电电流流实实际际方方向向如如图图所所示。示。净输入电流净输入电流iD=iI iF小小于于输输入入电电流流，即即 iF 的的存存在在使使净净输入电流减小，所以为负反馈。输入电流减小，所以为负反馈
13、。反馈电流反馈电流取取自自输输出出电电压压，并并与与之之成正比，故为电压反馈。成正比，故为电压反馈。iF 与与 iI 在在输输入入端端以以电电流流形形式式作作比比较较，两两者者并并联联，故故为为并并联反馈。联反馈。判别图示电路的反馈类型判别图示电路的反馈类型 2并联电压负反馈并联电压负反馈 首首先先用用电电位位的的瞬瞬时时极极性性判判别别反馈的正、负。反馈的正、负。第第1111章章 运算放大器运算放大器2并联电压负反馈并联电压负反馈AF+uIuOiFiDiI 并联电压负反馈方框图并联电压负反馈方框图uOR1R2RF+uI+RLiDiF iI-反馈电流反馈电流第第1111章章 运算放大器运算放大
14、器 iD=iI iF为负反馈；为负反馈；反馈电压反馈电压uF=RiO与输出电流成比，故为电流反馈；与输出电流成比，故为电流反馈；判别图示电路的反馈类型判别图示电路的反馈类型 3串联电流负反馈串联电流负反馈 AF+uFuDuIiO 串联电流负反馈方框图串联电流负反馈方框图uF 与与 uI 在在输输入入端端以以电电压压形形式式作作比比较较，两两者者串串联联，故故为为串串联联反馈。反馈。R2uOR+RLuD+uF+iOuI+第第1111章章 运算放大器运算放大器图中图中iD=iI iF判别图示电路的反馈类型判别图示电路的反馈类型 4并联电流负反馈并联电流负反馈 并联电流负反馈方框图并联电流负反馈方框
15、图AF+uIiOiDiIiFiFRFiRuRRuI+RL iOR1iIiDR2-第第1111章章 运算放大器运算放大器如何判别电路中反馈类型小结如何判别电路中反馈类型小结(1)反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻靠近从负载电阻靠近“地地”端引出的，是电流反馈；端引出的，是电流反馈；(2)输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；(3)反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。(也也可可将将输输出
16、出端端短短路路，若若反反馈馈量量为为零零，则则为为电电压压反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。)第第1111章章 运算放大器运算放大器 例例 1 判判别别图图示示电电路路从从 A2 输输出出端端引引入入 A1 输输入入端端的的反反馈馈类类型。型。uOuI+uO1uD+RL RuF+A1A2 解解 反馈电路从反馈电路从 A2 的输出端引出，故为电压反馈；的输出端引出，故为电压反馈；反反馈馈电电压压 uF 和和 uI 输输入入电电压压分分别别加加在在的的 同同相相和和反反相相两两个个输输入端，故为串联反馈；入端，故为串联反馈；设为设为 uI 正，则正，则 uO1
17、 为负，为负，uO 为正。为正。反馈电压反馈电压 uF 使净输入电压使净输入电压 uD=uI uF 减小，故为负反馈；减小，故为负反馈；串联电压负反馈。串联电压负反馈。第第1111章章 运算放大器运算放大器uOuI+RuO1iI+RL-A1A2iDiF a 例例 2 判别图示电路从判别图示电路从 A2 输出端引入输出端引入 A1 输入端的反馈类型。输入端的反馈类型。解解 反馈电路从反馈电路从 RL 靠近靠近“地地”端引出，为电流反馈；端引出，为电流反馈；反反馈馈电电流流 iF 和和 iI 输输入入电电流流加加在在 A1 的的同同一一个个输输入入端端，故故为为并联反馈；并联反馈；设设为为 uI
18、正正，则则 uO1 为为正正，uO 为为负负。反反馈馈电电流流实实际际方方向向如如图所示，净输入电流图所示，净输入电流 iD=iI iF减小，故为负反馈；减小，故为负反馈；并联电流负反馈。并联电流负反馈。第第1111章章 运算放大器运算放大器11.2.4负反馈对放大电路工作的影响负反馈对放大电路工作的影响1 1提高放大电路的稳定性提高放大电路的稳定性 AF+xIxDxOxF开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数引入负反馈后净输入信号引入负反馈后净输入信号xD=xI xF引入负反馈后闭环放大倍数引入负反馈后闭环放大倍数对上式求导对上式求导可可见见，引引入入负负反反馈馈后后，放放大大倍倍数数降降
19、低低了了，而而放放大大倍倍数数的的稳定性却提高了。稳定性却提高了。第第1111章章 运算放大器运算放大器uF负反馈负反馈改善了波形失真改善了波形失真2改善非线性失真改善非线性失真加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FufAuuIuO+uDuO大大小小略大略大略小略小略小略小略大略大uIAu接近正弦波接近正弦波第第1111章章 运算放大器运算放大器3对放大电路输入电阻和输出电阻的影响对放大电路输入电阻和输出电阻的影响四种负反馈对四种负反馈对 ri 和和 ro 的影响的影响串联电压串联电压串联电流串联电流并联电压并联电压并联电流并联电流riro减低减低增高增高增高增高增高增高增高增高减低减低减低减
20、低减低减低思考题：为了分别实现：思考题：为了分别实现：(a)稳定输出电压；稳定输出电压；(b)稳定输出电流；稳定输出电流；(c)提高输入电阻；提高输入电阻；(d)降低输出电阻。降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？应引入哪种类型的负反馈？第第1111章章 运算放大器运算放大器*11.2.5分立元件放大电路中的负反馈分立元件放大电路中的负反馈RE 电阻无旁路电容的电阻无旁路电容的分压式偏置放大电路分压式偏置放大电路交流通道交流通道RE 为为反反馈馈元元件件，由由瞬瞬时时极极性性法法知知 ube、ui、uf 三者同相三者同相ube=ui uf 其有效值其有效值 Ube UR 时，时，uO=Uo(s
21、at)uI UR 时，时，uO=+Uo(sat)uI=UR 时，时，uO 发生跃变发生跃变uOR1R2uI+UR+uOoUo(sat)Uo(sat)uRuI第第1111章章 运算放大器运算放大器+当当 UR=0 时时，即即输输入入电电压压和和零零电电平平比比较较，称称为为过过零零比较器。比较器。电压传电压传输特性输特性 11.4.2电压比较器电压比较器uOOUo(sat)Uo(sat)uO若图中若图中 ui 为正弦波，为正弦波，画出画出 uO 的波形。的波形。OtR1R2ui+UR+uOOtUo(sat)Uo(sat)uI第第1111章章 运算放大器运算放大器在在输输出出端端与与地地之之间间接
22、接一一个个双双向向稳稳压压管管，即即可可把把输输出出电电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。电压传输特性电压传输特性11.4.2电压比较器电压比较器Uo(sat)Uo(sat)UZUZuORR1R2+DZuI+uO限幅电压比较器限幅电压比较器OuI第第1111章章 运算放大器运算放大器 例例 1 图图中中所所示示为为运运放放组组成成的的过过温温保保护护电电路路，R 是是热热敏敏电电阻阻，温温度度升升高高阻阻值值变变小小。KA 是是继继电电器器，温温度度升升高高，超超过过规规定值，定值，KA 动作，自动切断电源。分析其工作原理。动作，自
23、动切断电源。分析其工作原理。温温度度超超过过规规定定值值，uI UR，uO=+UOM，T导导通通。KA 动动作作，切切断电源。断电源。温温度度未未超超过过规规定定值值，uI UR，uO=UOM，T 截止。截止。KA 不动作不动作。R1R2URRR4+UCCTR3+uIuO KA第第1111章章 运算放大器运算放大器电压传电压传输特性输特性uOOUo(sat)Uo(sat)例例 2 电路如图所示，电路如图所示，ui 是一正弦电压，画出是一正弦电压，画出 uO 的波形。的波形。OtUo(sat)Uo(sat)R1R2uiuO+CDRLR 解解 运放为同相输入过零电压比较器。运放为同相输入过零电压比
24、较器。uOOtOtOtUo(sat)Uo(sat)各电压波形如右图所示。各电压波形如右图所示。第第1111章章 运算放大器运算放大器11.5运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用1自激振荡的条件自激振荡的条件11.5.1RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路电电路路中中无无外外加加输输入入电电压压，而而在在输输出出端端有有一一定定频频率率和和幅幅度度的的信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。S当当 S 合于合于 1 时，时，开环电压放大倍数开环电压放大倍数则输出电压保持不变。则输出电压保持不变。反馈系数反馈系数又又所以自激振荡的条件是所以
25、自激振荡的条件是：2F+uf-若若当当 S 合于合于 2 时，时，Auduiuo1+-+-+-第第1111章章 运算放大器运算放大器11.5.1RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路(1)相位条件相位条件：即即(2)幅度条件：幅度条件：即即 =A+F=2n(n=0，1，2，)自激振荡的条件：自激振荡的条件：反馈电压反馈电压与输入电压的大小相等；与输入电压的大小相等；第第1111章章 运算放大器运算放大器幅度特性幅度特性Uom=f(Ufm)反馈特性反馈特性Ufm=FUomUimUom1Ufm1Uom2A自激振荡的建立过程自激振荡的建立过程2振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定振荡建立时应满足：振荡建立时
26、应满足：即即SAuduiuo12FUfmUomO微小的扰动起始信号微小的扰动起始信号不不断断通通过过放放大大 反反馈馈 再再放放大大 再再反反馈馈，使使 Uom 不不断断增增大大，一一直直到到达达交交点点 A 时，稳定下来。时，稳定下来。振荡稳定振荡稳定不能振荡不能振荡+-+-+-+uf-第第1111章章 运算放大器运算放大器(2)选频电路选频电路同相比例运算电路同相比例运算电路选频电路选频电路其电压放大倍数为其电压放大倍数为(1)放大电路放大电路由由集集成成运运放放构构成成的的同同相相比例运算电路。比例运算电路。由由 RC 串串并并联联电电路路组组成成，它也是正反馈电路。它也是正反馈电路。u
27、o+RFR1u+3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路ui+CRRC第第1111章章 运算放大器运算放大器3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路若要与同相，上式分母若要与同相，上式分母的虚部应为零的虚部应为零这时这时同相比例运算的电压放大倍数为同相比例运算的电压放大倍数为可见，当可见，当 RF=2R1 时，时，|Au|=3|AuF|=1即即uo+RFR1u+ui+CRRC第第1111章章 运算放大器运算放大器uo3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路在特定频率在特定频率ui 和和 uo 同同相相，即即 RC 串串并并联联电电路路具具有有正正反反馈馈和和选选频频作作用用，ui 和和 uo 为正弦波。为
28、正弦波。时，时，|AuF|=1电路将等幅振荡；电路将等幅振荡；若若RF 2R1 ，则，则|AuF|2R1，则，则|Au|3|AuF|1 电路起振后，振幅越来至饱和；电路起振后，振幅越来至饱和；所以，振荡时应满足所以，振荡时应满足 RF=2R1。起振时应满足起振时应满足|Au|3 即即 RF 2R1。若若 RF=2R1，则，则|Au|=3+RFR1u+ui+CRRC第第1111章章 运算放大器运算放大器uo+RFR1CRRCRT4RC 正弦波振荡电路稳幅措施正弦波振荡电路稳幅措施(1)用热敏电阻稳幅用热敏电阻稳幅起振时由于温度低，起振时由于温度低，RT 2R1。振振荡荡后后温温度度增增加加 RT
29、 减减少少到到等等于于 2R1。(2)用二极管稳幅用二极管稳幅用用具具有有负负温温度度系系数数的的热热敏敏电电阻阻 RT 代替代替 RF。5振荡频率的改变振荡频率的改变由由可知可知改改变变 R、C 或或同同时时改改变变 RC 都都可改变振荡频率。可改变振荡频率。RF1RF2D1D2第第1111章章 运算放大器运算放大器11.5.2矩形波发生器矩形波发生器图示电路中图示电路中uC 和和 uO 的波形的波形RFR1CuO+uC+.uRR2R3+uZDZuCuO+UR UR+UR URttOO第第1111章章 运算放大器运算放大器11.6使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题1
30、1.6.1选用元件选用元件11.6.2消振消振11.6.3调零调零11.6.4保护保护uORFR1uI+R2D1D21输入端保护输入端保护按技术指标选按技术指标选外接外接 RC 消振电路消振电路外接调零电路外接调零电路第第1111章章 运算放大器运算放大器11.6.4保护保护2输出端保护输出端保护+UURFR1uI+R2R3DZuO3电源保护电源保护第第1111章章 运算放大器运算放大器11.6.5扩大输出电流扩大输出电流uORFR1uI+R2RBD1UCC+UCCD2RBT1T2在输出端加接一级互补电路扩大输出电流。在输出端加接一级互补电路扩大输出电流。第第1111章章 运算放大器运算放大器此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢