单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,10,章 集成运算放大器,10.1,集成运算放大器概述,10.2,反馈的基本概念,10.4,基本运算电路,10.5,电压比较器,10.3,理想运算放大器,第10章 集成运算放大器10.1 集成运算放大器概述10,1,1. 了解集成运算放大器的基本组成及特点，理解集成运算放大器的电压传输特性，了解其主要参数的意义。,2. 理解反馈的概念，了解反馈的判断方法及对放大电路性能的影响。,3. 理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法，掌握集成运算放大器的反相输入、同相输入和差动输入三种输入方式。理解用集成运算放大器组成的比例、加减、积分、微分运算电路的工作原理。掌握分析电路的基本方法。,4. 了解电压比较器的外特性。了解电压比较器的工作原理和有关结论。,本章要求,1. 了解集成运算放大器的基本组成及特点，理解集成运算放大器,2,集成电路：,是利用氧化、光刻、扩散、外延等集成工艺，,将整个电路,的各个元件及导线,集中制做在,一小块,半导体芯片,上,，成为不可分割的整体。实现了材料，元件和电路的统一。与分立电路比较体积更小、重量更轻、功耗更低、工作更可靠。,分立电路：,是由各种单个元件联接起来的电子电路。,10.1,集成运算放大器概述,集成电路诞生于20世纪60年代，集成电路的问世，是电子技术的一个新的飞跃，到80年代已经进入了超大规模集成电路时代，进入了微电子学时代，从而促进了各个科学领域先进技术的发展。,集成电路：是利用氧化、光刻、扩散、外延等集成工艺，将整个电路,3,按集成度,分为小、中、大、超大规模集成电路（在几十平方毫米的芯片上制有上百万、千万个元件）, 。,集成电路的分类:,模拟集成电路：,集成运算放大器,集成功率放大器,集成稳压电源,集成数模和模数转换器,按功能分:,模拟集成电路、数字集成电路。,按导电类型分:,双极型：NPN、PNP,单极型：MOS管,应用已远远超出信号运算的界限，在信号处理、信号测量及波形产生等方面获得广泛应用,按集成度分为小、中、大、超大规模集成电路（在几十平方毫米的芯,4,高速运算放大器,5,双列直插式,圆壳式,集成电路成品外形,双列直插式圆壳式集成电路成品外形,6,集成运算放大器是一个高增益的直接耦合放大电路。,偏置电路,u,o,输入极,中间极,输出极,u,i,一、集成运算放大器的组成,采用差分放大电路，抑制零点漂移,r,i,很大,采用多极共射放大电路，获得较大的A,0,采用共集放大电路，r,0,小，提高带载能力。,特点：,r,i很大,几十K,几,M,A,0,很大万,几百万倍,r,0,很小,几十,几百,K,CMRR,很高,集成运算放大器是一个高增益的直接耦合放大电路。偏置电路u,7,u,u,+,u,o,集成运算放大器符号,A,0,u,u,+,u,o,国际符号,：,国内符号,：,反相输入端,同相输入端,输出端,信号输入方式,1、反相输入：,2、同相输入：,3、差分输入：,信号从两端输入,+,信号从反相输入，则输出信号与输入信号反相,信号从同相输入，则输出信号与输入信号同相,uu+ uo集成运算放大器符号A0u,8,u,d,u,o,u,d,u,o,A,o,越大，线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,_,+,+,A,0,二、电压传输特性,因此，,引入深度负反馈,是集成运放实现,线性应用,的必要条件。,1、线性区:,线性区,2、饱和区：,饱和区,+U,OM,-U,OM,uduouduoAo越大，线性范围越小，必须加负反馈才能使其,9,10.2,反馈的基本概念,一、反馈的概念,反馈回路,F,基本放大,电路,A,o,输出信号,输入信号,反馈信号,净值,信号,开环放大倍数,闭环放大倍数,反馈系数,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部通过一定的电路条件（反馈回路）以一定的方式（并联或串联）引回到输入端，与输入信号叠加，就称为,反馈,。,10.2 反馈的基本概念一、反馈的概念反馈回路F基本放大,10,放大器,输出,输入,取,+,加强净输入信号 正反馈 用于振荡器,取,-,削弱净输入信号 负反馈 用于放大器,闭环,反馈网络,叠加,反馈信号,实际被放大信号,二、反馈的类型,1、从反馈的极性分,放大器输出输入取+ 加强净输入信号 正反馈 用于,11,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为,串联反馈和并联反馈,。,串联反馈：,反馈信号与输入信号串联，即反馈电压信号与输入信号电压比较。,并联反馈：,反馈信号与输入信号并联，即反馈信号电流与输入信号电流比较。,2、从反馈的方式分,电压反馈：,反馈信号取自输出电压信号。,电流反馈：,反馈信号取自输出电流信号。,根据反馈所取样的信号不同，可以分为,电压反馈和电流反馈。,3、从反馈的取样量分,根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同,12,4、交流反馈与直流反馈,交流反馈：,反馈只对交流信号起作用。,直流反馈：,反馈只对直流起作用,。,若在反馈网络中,串接隔直电容,，则可以隔断直流，此时反馈只对交流起作用。,在起反馈作用的电阻两端,并联旁路电容,，可以使其只对直流起作用。,4、交流反馈与直流反馈交流反馈：反馈只对交流信号起作用。若在,13,负反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,负反馈的分类小结,负反馈电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,14,u,o,_,+,+,A,0,R,f,R,1,R,2,u,i,i,1,i,f,i,d,R,L,电压并联负反馈,电流串联负反馈,u,o,_,+,+,A,0,R,f,R,1,R,2,u,i,u,d,- u,f,+,+,-,uo_+A0RfR1R2uii1ifidRL电压并联负反,15,u,o,_,+,+,A,0,R,f,R,1,R,2,u,i,i,1,i,f,i,b,电流并联负反馈,电压串联负反馈,_,+,+,A,0,R,f,R,1,R,2,u,i,u,o,u,d,- u,f,+,+,-,uo_+A0RfR1R2uii1ifib电流并联负反馈电,16,+,u,f,+,u,d,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,Ao,+,R,L,设输入电压,u,i,为正，,差值电压,u,d,=,u,i,u,f,各电压的实际方向如图,u,f,削弱了净输入电压(差值电压),负反馈,反馈电压,取自输出电压,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,串联反馈,特点：,输入电阻高、输出电阻低,1,.,串联电压负反馈,+uf+uduoRFuiR2R1+Ao+RL,17,2.并联电压负反馈,i,1,i,f,i,d,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,Ao,R,L,设输入电压,u,i,为正，,差值电流,i,d,=,i,1,i,f,各电流的实际方向如图,i,f,削弱了净输入电流(差值电流),负反馈,反馈电流,取自输出电压,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,并联反馈,特点：,输入电阻低、输出电阻低,2.并联电压负反馈i1if iduoRFuiR2R1+,18,3.串联电流负反馈,+,u,f,+,u,d,设输入电压,u,i,为正，,差值电压,u,d,=,u,i,u,f,各电压的实际方向如图,u,f,削弱了净输入电压(差值电压),负反馈,反馈电压,取自输出电流,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,串联反馈,u,f,=,Ri,o,u,i,R,2,R,L,+,+,+,Ao,i,o,R,u,o,+,3.串联电流负反馈+uf+ud设输入电压 ui 为正，差,19,4.并联电流负反馈,i,1,i,f,i,d,设输入电压,u,i,为正，,差值电流,i,d,=,i,1,i,f,各电流的实际方向如图,i,f,削弱了净输入电流(差值电流),负反馈,反馈电流,取,自输出电流,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,并联反馈,R,F,R,1,u,i,R,2,R,L,+,+,+,Ao,i,o,R,u,o,+,4.并联电流负反馈i1ifid设输入电压 ui 为正，差值电,20,三、运算放大器电路反馈类型的判别方法：,1.,判断串、并联反馈方法,：,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，,是串联反馈,；加在同一个输入端（同相或反相）上的，,是并联反馈,。,2.,利用瞬时极性法判断正、负反馈方法：,对,串联反馈,，输入信号和反馈信号的极性相同时，,是负反馈；,极性相反时，,是正反馈,；,对,并联反馈,，输入信号和反馈信号的极性相同时，,是正反馈,；极性相反时，,是负反馈。,3. 判断电压、电流反馈方法：,令输出电压,u,o,=0，若反馈信号也等于零的,是电压反馈,；若反馈信号不等于零的,是电流反馈,。,另：简便判断方法：,反馈电路直接从输出端引出的，,是电压反馈；,从负载电阻,R,L,的靠近“地”端引出的，,是电流反馈,。,三、运算放大器电路反馈类型的判别方法：1. 判断串、并联反馈,21,例1：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,u,f,+,u,o1,u,i,R,+,+,+,u,o,+,+,R,L,A1,A2,解：,令输出电压,u,o,=0，则反馈信号,u,f,=0，所以,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，所以,是串联反馈；,串联电压负反馈,在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,可见：输入信号和反馈信号的极性相同，所以,是负反馈；,例1：试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入,22,例2：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,令输出电压,u,o,=0，而反馈信号,i,f,不等于零，所以,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,是并联反馈;,在图中标出输入、输出和反馈信号的瞬时极性,并联电流负反馈,u,o1,u,i,R,+,+,u,o,+,+,R,L,A1,A2,i,1,i,f,i,d,+,-,因输入信号和反馈信号的极性相反，所以,是负反馈；,例2：试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入,23,例 10.2.1,试判断图示电路中,R,f,所形成的反馈。,u,o1,+,+,R,11,R,f1,R,12,u,i,+,+,R,21,R,f2,R,22,u,o,R,f,解,u,f,+,u,d,+,用瞬时极性法判断正、负反馈：,u,d,=,u,i,u,f,=,u,i,+,|,u,f,|,u,i,为正反馈；,输出端短路时，,u,f,=0,为电压反馈；,为电压串联正反馈。,例 10.2.1 试判断图示电路中 Rf 所形成的反,24,四、负反馈对放大电路性能的改善,基本放大,电路,A,o,反馈电路,F,+,四、负反馈对放大电路性能的改善基本放大反馈电路F+,25,基本放大,电路,A,o,反馈回路,F,+,反馈深度,称,则有,：,负反馈使放大倍数下降。,若,称为深度负反馈，此时,基本放大反馈回路F+反馈深度 称则有：负反馈使,26,（1）提高了放大倍数的稳定性,则：,负反馈对放大电路性能的改善,（1）提高了放大倍数的稳定性则：负反馈对放大电路性能的改善,27,（2）加宽了通频带,f,A,B,o,A,o,A,F,B,F,（2）加宽了通频带fABoAoAFBF,28,(3) 改善了非线性失真：,A,o,u,i,u,o,u,d,A,o,F,u,i,u,f,u,o,u,o,(a) 无负反馈时,(b) 有负反馈时,(3) 改善了非线性失真：AouiuoudAoFuiufuo,29,（4）稳定了输出电压或输出电流,例如:射极输出器,理解：,电压负反馈目的是阻止,u,o,的变化，稳定输出电压,。,（5）改变了输入电阻和输出电阻,串联负反馈使电路的输入电阻增加,并联负反馈使电路的输入电阻减小,理解：,串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻，故输入电阻增加。,理解：,并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路，故输入电阻减小。,理解：,电流负反馈目的是阻止,i,o,的变化，稳定输出电流,。,（4）稳定了输出电压或输出电流例如:射极输出器理解：电压负反,30,由于实际运放的开环放大倍数很大，输入电阻极高，输出电阻极低。故在分析时常采用将其近似理想化。,一、理想运放的条件,10.3,理想运算放大器,1、,2、,3、,u,o,u,u,+,u,d,反馈电路,r,o,r,i,4、,由于实际运放的开环放大倍数很大，输入电阻极高，输出电阻极低。,31,二、电压传输特性,u,o,=,f,(,u,i,),线性区,：,u,o,=,A,o,(,u,+,u,),非线性区,：,u,+, u,时，,u,o,=,+,U,OM,u,+, u,时，,u,o,=,+,U,OM,u,+, 0,u,i,=,U,i, u,时，,u,o,= +,U,OM,u,+,u,时，,u,o,= +,U,OM,u,+,u,时，,u,o,=,U,OM,即,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,OM,可见，在,u,i,=,U,R,处输出电压,u,o,发生跃变,。,参考电压,电压传输特性 UOM +UOM运放处于开环状态1. 基本,62,u,i,t,O,U,R,O,u,o,t,+,U,OM,U,OM,t,1,t,2,单限电压比较器,：,当,u,i,单方向变化时,，,u,o,只变化一次,。,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,电压传输特性,U,OM,+,U,OM,u,i,u,o,O,U,R,uitOUROuot +UOM UOMt1t2单限电压比,63,u,i,U,R,，,u,o,=+ U,OM,u,i,UR，uo=+ UOMURuouiR2+R1,64,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,u,i,u,o,U,R,R,2,+,+,R,1,+,+,+,O,t,+,U,OM,U,OM,u,o,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,u,i,t,O,U,R,O,u,o,t,+,U,OM,U,OM,t,1,t,2,URuouiR2+R1+uiuoURR2+,65,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为,U,Z,，,忽略稳压管的正向导通压降,则,u,i,U,R,，,u,o,= ,U,Z,U,Z,U,Z,u,o,R,D,Z,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,电压传输特性,U,OM,+,U,OM,u,i,u,o,O,U,R,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,OM,输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，UZ UZ,66,过零电压比较器,利用电压比较器,将正弦波变为方波,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,电压传输特性,U,OM,+,U,OM,u,i,u,o,O,U,R,= 0,t,u,i,O,t,u,o,+,U,OM,U,OM,O,过零电压比较器利用电压比较器URuouiR2+R1+,67,例10.5.1,分析电路的功能和工作原理。,解,当温度低于某值时，,R,3,的阻值大：,u,i,U,R,_,+,+,+,U,CC,R,1,R,2,R,3,R,4,KA,T,u,i,U,R,u,o,热敏电阻,u,o,=,U,OM,T 截止，,KA 不通电；,当温度高于某值时，,R,3,的阻值小：,u,i,U,R,u,o,= +,U,OM,T 饱和导通，,KA 通电，触点动作。,图 10.5.3 过温度保护电路,例10.5.1 分析电路的功能和工作原理。 解,68,