第8章集成运算放大器电工电子技术

电工电子技术基础第8章集成运算放大器•集成运算放大器在线性和非线性应用时的基本概念和分析依据•集成运算放大器应用电路的分析方法•负反馈的概念、反馈极性及类型的判别，负反馈对放大电路性能的影响。•集成运算放大器在线性和非线性应用方面常用电路的组成、工作原理和电路功能学习要点•8.1集成运算放大器简介•8.2模拟运算电路•8.3放大电路中的负反馈•8.4信号处理电路•8.5正弦波振荡器第8章集成运算放大器8.1集成运算放大器简介8.1.1集成运算放大器的组成输入级中间级输出级偏置电路通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。A－+Δ+同相输入端反相输入端uou－u+集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，标“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“－”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。8.1.2集成运算放大器的主要参数及种类（1）差模开环电压放大倍数Ado。指集成运放本身（无外加反馈回路）的差模电压放大倍数，即uuuAodo。它体现了集成运放的电压放大能力，一般在104～107之间。Ado越大，电路越稳定，运算精度也越高。（2）共模开环电压放大倍数Aco。指集成运放本身的共模电压放大倍数，它反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放Aco应接近于零。（3）共模抑制比KCMR。用来综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于80dB。（4）差模输入电阻rid。指差模信号作用下集成运放的输入电阻。（5）输入失调电压Uio。指为使输出电压为零，在输入级所加的补偿电压值。它反映差动放大部分参数的不对称程度，显然越小越好，一般为毫伏级。（6）失调电压温度系数ΔUio／ΔT。是指温度变化ΔT时所产生的失调电压变化ΔUio的大小，它直接影响集成运放的精确度，一般为几十μV／℃。（7）转换速率SR。衡量集成运放对高速变化信号的适应能力，一般为几V／μs，若输入信号变化速率大于此值，输出波形会严重失真。1、集成运放的主要参数2、集成运放的种类（1）通用型。性能指标适合一般性使用，其特点是电源电压适应范围广，允许有较大的输入电压等，如CF741等。（2）低功耗型。静态功耗≤2mW，如XF253等。（3）高精度型。失调电压温度系数在1μV／℃左右，能保证组成的电路对微弱信号检测的准确性，如CF75、CF7650等。（4）高阻型。输入电阻可达1012Ω，如F55系列等。还有宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。8.1.3集成运算放大器的理想模型集成运放的理想化参数：Ado=∞、rid=∞、ro=0、KCMR=∞、等uou－u+∞－+Δ+实际特性理想运放符号运放电压传输特性理想特性uou+－u－－UOMUOM0非线性区（饱和区）非线性区分析依据：当ｕi0，即ｕ＋ｕ－时，ｕo＝＋ｕOM当ｕi0，即ｕ＋ｕ－时，ｕo＝－ｕOM集成运放的理想化参数：Ado=∞、rid=∞、ro=0、KCMR=∞、等uou－u+∞－+Δ+实际特性理想运放符号运放电压传输特性理想特性uou+－u－－UOMUOM0线性区（放大区）线性区分析依据：（1）虚断。由rid=∞，得i＋＝i－＝0，即理想运放两个输入端的输入电流为零。（2）虚短。由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想运放两个输入端的电位相等。若信号从反相输入端输入，而同相输入端接地，则u－＝u＋=0，即反相输入端的电位为地电位，通常称为虚地。8.2模拟运算电路8.2.1比例运算电路1、反相输入比例运算电路Rp∞－+Δ+uouiRFR1i1if根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：f1ii，0uu而FoFof111RuRuuiRuRuuiii由此可得：iuRRu1Fo式中的负号表示输出电压与输入电压的相位相反。Rp∞－+Δ+uouiRFR1i1if闭环电压放大倍数为：1FoRRuuAiuf当1FRR时，iuuo，即1ufA，该电路就成了反相器。图中电阻Rp称为平衡电阻，通常取F1p//RRR，以保证其输入端的电阻平衡，从而提高差动电路的对称性。Rpui∞－+Δ+uoRFR1i1if2、同相输入比例运算电路根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：f1ii，iuuu而FoFof1110RuuRuuiRuRuiii由此可得：iuRRu1Fo1输出电压与输入电压的相位相同。同反相输入比例运算电路一样，为了提高差动电路的对称性，平衡电阻F1p//RRR。闭环电压放大倍数为：1Fo1RRuuAiuf可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于1。当0fR或1R时，iuuo，即1ufA，这时输出电压跟随输入电压作相同的变化，称为电压跟随器。ui∞－+Δ+uo电压跟随器8.2.2加法和减法运算电路1、加法运算电路i2ui2Rp∞－+Δ+uoui1RFifR1i1R2根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：21fiii111Ruii，222Ruii，FofRui由此可得：)(22F11FoiiuRRuRRu若F21RRR，则：)(21oiiuuu可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法运算关系。这一运算关系可推广到有更多个信号输入的情况。平衡电阻F21p////RRRR。R2∞－+Δ+uoRFR1ui1ui2R32、减法运算电路由叠加定理：ui1单独作用时为反相输入比例运算电路，其输出电压为：11FoiuRRuui2单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为：23231Fo1iuRRRRRuui1和ui2共同作用时，输出电压为：23231F11Fooo1iiuRRRRRuRRuuuR2∞－+Δ+uoRFR1ui1ui2R3若3R（断开），则：21F11Fo1iiuRRuRRu若21RR，且F3RR，则：)(121FoiiuuRRu若F321RRRR，则：12oiiuuu由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。Rp2RP1∞－+Δ+uoui1RF∞－+Δ+uo1RRR1R2ui2例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。11F22Fo12F11Fo2o1)(iiiiuRRuRRuRRuRRuuu例：求图示电路中uo与ui的关系。R3∞－+Δ+uoui1R4∞+－Δ+uo1R3ui2∞－+Δ+R1R2R2R4uo2A1A2A3解：电路由两级放大电路组成。第一级由运放A1、A2组成，它们都是同相输入，输入电阻很高，并且由于电路结构对称，可抑制零点漂移。根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：)(2o2o12112121222111uuRRRuuuuuuuuuuiiii故：)(212112o2o1iiuuRRuu第二级是由运放A3构成的差动放大电路，其输出电压为：)(21)(2112341o2o34oiiuuRRRRuuRRu电压放大倍数为：123421o21RRRRuuuAiiuf8.2.3积分和微分运算电路1、积分运算电路uiRP∞－+Δ+CRiCiRuo由于反相输入端虚地，且ii，由图可得：CRiiRuiiR，dtduCdtduCiCoC由此可得：dtuRCui1o输出电压与输入电压对时间的积分成正比。若ui为恒定电压U，则输出电压uo为：tRCUuououiU－UOMtt00ui为恒定电压时积分电路uo的波形iCuiRP∞－+Δ+CRiRuououiUtt00由于反相输入端虚地，且ii，由图可得：CRiiRuiRo，dtduCdtduCiiCC由此可得：dtduRCuio输出电压与输入电压对时间的微分成正比。若ui为恒定电压U，则在ui作用于电路的瞬间，微分电路输出一个尖脉冲电压，波形如图所示。2、微分运算电路8.3放大电路中的负反馈8.3.1反馈的基本概念反馈：将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过某种电路（反馈电路）送回到输入回路，从而影响输入信号的过程。反馈到输入回路的信号称为反馈信号。根据反馈信号对输入信号作用的不同，反馈可分为正反馈和负反馈两大类型。反馈信号增强输入信号的叫做正反馈；反馈信号削弱输入信号的叫做负反馈。xi+xd基本放大电路A反馈网络F－　xfxo负反馈放大电路的原理框图ooFxxAxxxxxfdfid若xi、xf和xd三者同相，则xdxi，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用，引入的是负反馈。反馈放大电路的放大倍数为：AFAxxxxxAfdif1oo通常称fA为反馈放大器的闭环放大倍数，A为开环放大倍数，|1|AF为反馈深度。从上式可知，若1|1|AF，则AAf，说明引入反馈后，由于净输入信号的减小，使放大倍数降低了，引入的是负反馈，且反馈深度的值越大（即反馈深度越深），负反馈的作用越强，fA也越小。若1|1|AF，则AAf，说明引入反馈后，由于净输入信号的增强，使放大倍数增大了，引入的是正反馈。反馈的正、负极性通常采用瞬时极性法判别。晶体管、场效应管及集成运算放大器的瞬时极性如图所示。晶体管的基极（或栅极）和发射极（或源极）瞬时极性相同，而与集电极（或漏极）瞬时极性相反。集成运算放大器的同相输入端与输出端瞬时极性相同，而反相输入端与输出端瞬时极性相反。A－+Δ+(a)晶体管(b)场效应管(c)集成运算放大器++++－－+ui－RL+uo－+UCCRCC1C2VRB1RB2RE+uf－+ube－++例：判断图示电路的反馈极性。解：设基极输入信号ui的瞬时极性为正，则发射极反馈信号uf的瞬时极性亦为正，发射结上实际得到的信号ube（净输入信号）与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。Rpui∞－+Δ+uoR1RF+uf－+ud－例：判断图示电路的反馈极性。解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为负，经RF返送回同相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为负，净输入信号ud与没有反馈时相比增大了，即反馈信号增强了输入信号的作用，故可确定为正反馈。Rpui∞+－Δ+uoR1RF+uf－+ud－例：判断图示电路的反馈极性。解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为正，净输入信号ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。8.3.2反馈的类型及其判别根据反馈信号是取自输出电压还是取自输出电流，可分为电压反馈和电流反馈。电压反馈的反馈信号xf取自输出电压uo，xf与uo成正比。电流反馈的反馈信号xf取自输出电流io，xf与io成正比。电压反馈和电流反馈的判别，通常是将放大电路的输出端交流短路（即令uo=0），若反馈信号消失，则为电压反馈，否则为电流反馈。根据反馈网络与基本放大电路在输入端的连接方式，可分为串联反馈和并联反馈。串联反馈的反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加，ud=ui－uf，以得到基本放大电路的输入电压ud。并联反馈的反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加，id=ii－if，以得到基本放大电路的输入电流ii。串