《单元八 负反馈与集成运算放大器电子教案 电工与电子技术 .doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单元八 负反馈与集成运算放大器电子教案 电工与电子技术 .doc（18页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 单元八：负反馈与集成运算放大器教学目标知识目标：l 理解放大电路中反馈的概念；了解各类负反馈放大电路的基本特点；l 能识别负反馈放大电路类型；熟悉负反馈对放大电路性能的影响；l 了解集成运算放大器的基本概念；掌握其图形符号和文字符号；l 熟悉集成运算放大器的基本类型及主要技术指标、电压传输特性；l 能运用理想化条件分析线性集成运算放大电路。素质目标：能运用理想化条件分析线性集成运算放大电路，构成能够完成预定功能的实用放大器教学重点集成运算放大器的线性应用教学难点负反馈的类型及判别方法教学手段实物演示；教学板书；电子课件教学学时8H教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计注 释任务一 负反馈
2、放大器相关知识的学习（一）反馈的概念如果将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过某种电路（反馈电路）送回到放大电路的输入端，这一过程称为反馈。若反馈到输入端的信号削弱了外加输入信号的作用，使净输入信号减小，则为负反馈；反之，使净输入信号增强的是正反馈。图8-1反馈放大电路框图定义为开环放大倍数；为反馈系数；为闭环放大倍数。因为所以 （8-1）（二）负反馈的类型及判别 1.负反馈的类型 在负反馈放大器中，反馈信号可取自输出电流或输出电压，反馈信号在输入端可以串联或并联连接。因此根据输出端的反馈信号取样和与输入端的连接方式，负反馈有电压反馈和电流反馈；并联反馈和串联反馈。有四种组态：电
3、压串联负反馈、电压并联负反馈 、电流串联负反馈、电流并联负反馈。（a） (b) (c) (d) 图8-2负反馈电路的反馈形式 (a)电压串联负反馈 (b)电流串联负反馈 (c)电压并联负反馈 (d)电流并联负反馈（1）从基本放大电路的输出端看，可分为电压反馈和电流反馈 电压反馈如图 8-2(a)(c)所示，由图可知，将基本放大电路的的输出电压 送到反馈网络的输入端，反馈电压与输出电压 成正比，其数学表达式为式中为反馈系数。电流反馈如图8-2 (b)(d) 所示。基本放大电路的输出电流流经反馈网络。反馈网络的输出电压与输出电流成正比，即（2）从基本放大电路的输入端看，分为并联反馈和串联反馈 串联
4、反馈如图8-2(a) (b)所示，将反馈网络输出端与基本放大电路的输入端和信号源串联，此时，实际输入基本放大电路的电压为并联反馈如图8-2 (c) (d)所示，将反馈网络的输出端与基本放大电路的输入端并联，图中 为反馈电流，此时，实际输入基本放大电路的电流为2.负反馈放大电路的判别一个具有反馈环节的放大电路，为了判别反馈极性是正反馈还是负反馈，通常采用瞬时极性法。先假定输入端交流信号处于某一瞬时极性，然后根据放大电路的集电极与基极瞬时极性相反，发射极与基极瞬时极性相同的关系，逐级地推出有关节点电压的瞬时极性，并在图中用“+”、“-”表示出来，如图8-3所示。然后判断反馈到输入端的信号瞬时极性。
5、图8-3 瞬时极性 (a) (b)（三）负反馈对放大器性能的影响1. 降低了放大倍数由图8-1可见，设开环放大倍数（又称基本放大器放大倍数）为，反馈网络的反馈系数，则有，负反馈放大电路的放大倍数又称闭环放大倍数，为 ，整理后可得 (8-2) 从上式可见，1+1时，1+称为反馈深度，1+值越大，反馈越深。可见，引入负反馈以后，放大倍数下降了倍，负反馈作用越强，闭环放大倍数下降越多。 2.提高了放大倍数的稳定性负反馈虽然使放大器的放大倍数降低，但是却大大提高了放大倍数的稳定性。 （8-3）也就是说，引入负反馈后，放大电路的闭环放大倍数只取决于反馈系数，即引入负反馈后放大倍数比较稳定。放大倍数的相对
6、变化率为 （8-4）式（8-4）说明：放大电路闭环放大倍数的相对变化量只有开环放大倍数相对变化量的倍。3.减小非线性失真由于晶体管是非线性元件，在输入信号较大时，其工作范围可能会进入特性曲线的非线性部分，使输出波形产生非线性失真。图8-7 负反馈减小非线性失真（a）无负反馈放大电路 （ b）有负反馈放大电路4.改变输入、输出电阻负反馈信号引入输入端以后，输入电阻的变化规律取决于反馈信号加到输入端的方式。如果反馈信号 与输入信号 是串联，则输入电阻增加；反馈信号 与输入信号 是并联，则输入电阻减小。输出回路的反馈取样信号不同，将影响放大器的输出电阻的大小。放大器对输出端而言，可以看成一个有内阻的
7、电压源，这个内阻就是放大器的输出电阻，输出电阻越小，输出电压越稳定。而电压反馈可以稳定输出电压，说明采样是电压信号，则使输出电阻减小。同样，放大电路的输出端对负载而言，也可以看成是一个具有内阻的电流源，其内阻很表8-1 负反馈对输入、输出电阻的影响负反馈的类型稳定对象输入电阻输出电阻反馈取自输出端的反馈至输入端的形式电压串联增大减小电流串联（或）增大增大电压并联减小减小电流并联（或）减小增大任务二 差动放大器（一） 直接耦合放大器的分析前一级的集电极输出端与后一级的基极输入端直接相连。当输入信号为零时，输出信号电压并不为零，而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的、无规则的、持续的变动，这种现象称
8、为零点漂移，简称零漂。图8-8 直接耦合放大电路引起零点漂移的原因有很多，如环境温度的变化引起晶体管参数（）变化，电路中元件参数的变化，电源电压的波动等等，其中以温度变化的影响最为严重。解决零点漂移最有效的措施是采用差动放大电路。（二）基本差动放大器1.电路基本结构差分放大电路的基本结构如图8-9所示，它由两个完全相同的共发射极单管放大电路组成。电路的特点是：电路结构对称，元器件特性及参数值也对称。图8-9 基本差动放大电路2.差动放大器抑制零漂的原理差动放大器对零漂的抑制，一是利用电路的对称性，二是利用发射极电阻的深度负反馈。当输入信号时，若温度变化或电压波动，两管集电极电位同向变化，两边电
9、路的漂移在输出端互相抵消，相当于在两管的输入端同时加进一对大小相等、极性相同的信号、，称为共模输入信号，如图8-10所示。可见，对于共模信号，若采用双端输出方式，输出电压就没有零点漂移，这是差动放大器的重要特点。图8-10 差分放大电路对零漂的抑制（三）差动放大器的输入、输出方式信号的输入、输出方式有以下四种接法：1.双端输入双端输出这种接法的输入信号接在两管的基极之间，输出信号从两管集电极取出，如图8-10所示。这种接法零漂很小，故应用广泛，但信号源和负载都不能有接“地”端。2.双端输入单端输出这种接法的输出信号是从一管的集电极和“地”之间取出，常用于将差模信号转换为单端输出的信号，以便于负
10、载或后级放大器有公共接“地”端，如图8-11所示。由于是单端输出，因而无法利用电路的对称性抑制零漂，静态时输出直流电位也不为零。图8-11 双端输入-单端输出方式3.单端输入-双端输出输入信号接在一管的输入端（基极与“地”之间），并经发射极电阻耦合到另一管的输入端，如图8-12所示。这种接法的信号源可以有一端接“地”，并将单端输入信号转换为双端输出信号，作为下一级差动放大电路的差模输入信号。图8-12 单端输入-双端输出方式4.单端输入单端输出输入、输出信号都可以有一端接“地”。这种接法的差分放大器比单管放大器具有较强的抑制零漂的能力。任务三 集成运算放大器的分析与运用集成运算放大器是以晶体管
11、为基础的高增益差动放大器，由直流放大电路和深度电压负反馈网络组成。（一）集成运放的结构及符号1.集成运放的结构集成运放基本结构通常是由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。 图8-13集成运放的组成框图（1）输入级（2）中间级（3）输出级（4）偏置电路集成运放工作在线性区时，其外部常常接有偏置的反馈电路。偏置电路主要是为各级电路提供稳定的静态工作电流，并要求所提供的电流稳定。2.集成运放的符号目前国产集成运算放大器有多种型号，对于使用者来说，最重要的是知道集成运放的管脚用途及主要参数。集成运算放大器的封装方式有扁平封装式、陶瓷或塑料双列直插式、金属原壳式或棱形等几种，一般有814个管脚，
12、他们都按一定顺序用数字编号。图8-14 集成运放的管脚排列方式（a）双列直插式 （ b）金属圆壳式8个管脚的用途分别是： (a) (b) (c) （d）图8-15的管脚与图形符号（a） 实物图 （ b）管脚图 （c）外部接线符号 （d）图形符号1、5外接调零电位器；2反相输入端，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是反相的；3同相输入端，由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是同相的；6输出端，由此端对地引出输出信号；4负电源端，接-15V的稳压电源；7正电源端，接+15V的稳压电源；8空脚。（二）集成运放的主要参数1.开环电压放大倍数（差模电压放大倍数） 是指集成运放在没有外接反馈电路时，
13、输入端加一小信号，测得的差模电压放大倍数，即2.共模抑制比 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力。它定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值，若用分贝为单位，即 3.差模输入电阻 是指集成运放开环时，输入电压变化与由电压变化引起的电流变化之比。4.差模输出电阻 的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。5.最大输出电压 最大输出电压是指在额定的电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰-峰值，有时也称动态输出范围，其值不可能超出电源电压值。（三）理想集成运算放大器1理想集成运放及电压传输特性集成运放理想化的条件是：开环电压放大倍数 差模输入电阻 开环输出电阻 共模抑制
14、比 2理想运放的两个重要结论根据上述理想化的条件，可推出理想运放的两个重要结论。（1）虚短 在线性放大区，有。因，而为有限值，所以两个输入电压和必然近似相等。即 （8-5） 运放的两个输入端等电位，可看做他们“虚短”。（2）虚断在线性放大区，而理想运放的差模输入电阻，所以有 （8-6） 集成运放的输入电流为零，这种情况称为“虚断”。任务四 集成运放的基本应用电路 （一）反相输入比例运算电路输入信号电压经过外接电阻加到反相输入端，而同相输入端与地之间接平衡电阻，以保证运放输入级差分放大电路的对称性，的阻值应满足跨接于输出端和反相输入端之间，引入了并联电压负反馈。图8-17反相输入比例运算电路所以
15、反相输入运算放大器的闭环电压放大倍数 （8-7）输出电压输出电压与输入电压数值相等，相位相反，这时运算放大器仅作一次变号运算，或称反相器。（二）同相输入比例运算电路如果输入信号从同相端引入，这种运算放大电路称作同相输入运算电路。图8-18同相输入比例运算电路 所以 （8-8）（三）集成运放的线性应用1加法运算电路加法运算电路的功能是对若干输入信号求和。图8-20 加法运算电路= （8-9）2减法运算电路利用运放电路的双端输入可以进行减法运算。可得 图8-22 减法运算电路= = （8-11）当时，上式变为 （8-12）可见，输出电压为两个输入电压之差，实现了减法运算功能。 3积分运算电路在反相
16、输入运算电路中，用电容代替电阻作为反馈元件，就成为积分电路，如图8-24所示。图8-24 积分运算电路而 所以输出电压 = （8-13）当为阶跃电压时，则有(a) (b)图8-25 积分电路输出波形4微分电路在反相输入运算放大电路中，用电容代替电阻接在放大器的反相输入端时，则构成了微分电路。图8-26微分电路 （8-14）由式（8-14）可知，输出电压与输入电压之间呈微分关系，为微分常数，符号表明两者在相位上是反相的。5. 集成运放使用中的问题（1）消振由于运算放大器内部极间电容和其他寄生参数的影响，很容易产生自激振荡，即在运算放大器输入信号为零时，输出端存在近似正弦波的高频电压信号，在与人体
17、或金属物体接近时尤为显著，这将使运算放大器不能正常工作。为此，在使用时要注意消振。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。是否已消振，可将输入端接“地”，用示波器观察输出端有无高频振荡波形。如有自激振荡，需检查反馈极性是否接错，考虑外接元件参数是否合适或接线的杂散电感、电容是否过大等，而采取相应措施。必要时可外接消振电路或消振电容。（2）调零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，输出电压不等于零。为此，在使用时要外接调零电路。图8-33所示为CF741运算放大器的调零电路图，它的调零电路由-15V电源、1K电阻和调零电位器组成。先消振、再调
18、零，调零时应将电路接成闭环。在无输入下调零，即将两个输入端均接“地”，调节调零电位器，使输出电压为零。在一般情况下，接入规定的调零电位器后，都可使输出电压调节为零。但是如果因所用运算放大器质量欠佳，产生过大的失调电压不能调零时，可换用较大阻值的电位器，扩大调零范围是输出为零。如果运算放大器在闭环时不能调零，或其输出电压达到正或负的饱和电压，可能是由于负反馈作用不够强，电压放大倍数过大所致。此时，可将反馈电阻值减小，以加强负反馈。若仍不能调零，可能是接线点有错误，或有虚焊点，或者是器件内部损坏。图8-33 CF741调零电路本 章 小 结1.反馈是把输出信号反送到输入端，正反馈增强了净输入信号使
19、，负反馈减弱了净输入信号，使。反馈信号可取自输出电压或输出电流，反馈信号在输入端可以串联也可以并联，因此有四种反馈类型：电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈放大电路。正负反馈的判别采用瞬时极性法。即利用基极与集电极电位反相，基极与发射极电位同相的关系，用“+”、“-”号逐级标出各级对地的电位，最后确定电路的反馈类型。放大电路引入负反馈后改善了放大电路的性能，使下降了倍，电压放大倍数稳定性提高，减小了波形失真，改变了输入、输出电阻等。2差动放大电路有效地解决了直接耦合零点漂移问题。差动放大电路是从两个方面来抑制零漂的：（1）电路对称，双端输出使两边的漂移互相抵消；（2）
20、利用发射极公用电阻对两管总电流的负反馈作用抑制每管的漂移。3.差动放大电路放大差模信号，抑制共模信号，差动放大电路的差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比称为共模抑制比。愈大，抑制共模信号的能力愈强。4集成运算放大器是高放大倍数的直接耦合放大器，它主要由输入级、中间级、输出级和偏置电路几部分组成。在分析运算放大器的各种线性应用电路时，常把运算放大器理想化，并由此可得出两个重要结论：即和。5运算放大器通常与外接反馈电路组成各种放大器，按其信号输入的连接方式有反相比例运算放大电路；同相输入比例运算电路（与同相，闭环电压放大倍数）。后者具有输入电阻高和输出电阻低的特点。此外还有同相输入的特殊形式电压跟随器。电流实际方向与参考方向四种负反馈的类型，其判断方法是难点强调注意事项18第 页