第11章运算放大器.

第11章运算放大器分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。集成运放常用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。第11章运算放大器11.1运算放大器简单介绍11.3运算放大器在信号运算方面的应用11.2放大电路中的负反馈11.4运算放大器在信号处理方面的应用11.1.1集成运放的组成11.1运算放大器简单介绍输入级偏置电路输出级中间级输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器中间级—电压放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成1.集成运放的内部电路结构框图集成运放外形图输入级偏置电路中间级输出级输出2.集成运放741的原理电路图反相输入同相输入+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12Cuiuou++u––++–12345678A741+UCC空脚输出端调零电位器集成运放的电路符号反相输入同相输入-UEE调零电位器A741的引脚排列输出端反相输入端同相输入端信号传输方向理想运放开环电压放大倍数ui=u––u+或ui=u+–u–A实际运放开环电压放大倍数rid=2Mro=75Auo=210511.1.2主要参数1.最大输出电压UOPP2.开环电压Auo3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压没有外接反馈电路时所测出的电压放大倍数一般为104107为使uo=0，在输入端加的补偿电压一般为几mV输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差。一般为零点零几微安理想的运算放大器。理想化的主要条件：1.开环电压放大倍数2.开环差模输入电阻3.开环输出电阻由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，11.1.2理想运算放大器及其分析依据uoAidr0or在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是而用理想运放分析电路可使问题大大简化，因此本章对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。一般为104107数百千欧～数千兆欧几十实际运放电压传输特性11.1.2理想运算放大器及其分析依据)(uoouuAu表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为电压传输特性。uouuoUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区若Auo=106±UO(sat)=±15V则±Uim=±0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈。uou++–+u–理想运放电压传输特性uouuoUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区理想运放：开环电压放大倍数uoAuou++–+u–)(uoouuAu11.1.2理想运算放大器及其分析依据)(uoouuAu0)(uooAuuu运放工作在线性区的依据相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短路”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”。2.id01.u+u–,而uo是有限值运放开环输入电阻uoAidrid由于运放故从式,可知uou++–+u–rid11.1.2理想运算放大器及其分析依据1.反相比例运算fiii0uu1i1iiRuRuuiFoFofRuRuuii1FouRRu1FioufRRuuA11.3.1比例运算11.3运算放大器在信号运算方面的应用由运放工作在线性区的依据可列出由此得出闭环电压放大倍数平衡电阻iouu1ioufuuAF1RR若则ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+F12//RRR练习1：求输出与输入之间的关系式。R12RF2R23++RLR11uo1RF1R22++ui+–uO+–i111F1o1uRRui212F211F1o112F2ouRRRRuRRu练习2：求输出与输入之间的关系式。i11F1o1uRRui11F112F2o1o112F2o1uRRRRuuRRuR12RF2R23++RLR11uo1RF1R22++ui+–uO+–2.同相比例运算fiiiiuuu1i1iRuRuiFoiFofRuuRuuii1Fo)1(uRRu1Fiouf1RRuuA11.3.1比例运算由虚断路、虚短路，可得可列出由此得出闭环电压放大倍数ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+3.同相跟随器11.3.1比例运算0FR1ioufuuA1R若则或iouuuiuo+–+ifR1R2uoRFiiui+–+–+–+i1Fo)1(uRRu2.同相比例运算同相跟随器的特点1.输出uo与输入ui同相且相等；2.输入电阻很高；3.输出电阻很低，带负载能力强。11i1i1RuiFo2i1ifRuiii)(i212Fi111FouRRuRRu11.3.2加法运算由图可列出由上列各式可得当12i2i2Rui11211RRR时，则上式为)(i2i11FouuRRuF12112////RRRR平衡电阻uoifR12R2RFii2ui2+–R11ii1ui1+–+i2uu11.3.3减法运算两个输入端都有信号输入uui11Fi21Fo)1(uRRuRRuuuiRi1i1ifR1R2uoRFiiui1+–+–ui2+–+–+)(oi1F11i1uuRRRui1i1iRuuF12//RRR平衡电阻两级反相输入减法运算电路i111F1o1uRRui212F2o113F2ouRRuRRui212F2i111F113F2ouRRuRRRRu代入uo1的表达式R13uoR23RLR12ui2R11ui1uo1R22++RF2RF1++电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。电压比较器用于自动控制、波形变换、模数转换及越限报警等。11.4.2电压比较器集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正反馈的工作状态，即工作在非线性区。)(uoouuAuuo+–+u–u+运放工作在非线性区的依据2.id01.u+u–由于运放工作在非线性区rididuouuoUO(sat)–UO(sat)虚短不再成立非线性区非线性区所以当uuuuo(sat)oUu(sat)ooUu时，uuuo发生跃变虚断依然成立运放工作在开环状态将运放任一输入端加上输入信号ui，而另一输入端加入参考电压UR，即可构成电压比较器，如图示。电压传输特性ui为输入电压，UR为参考电压当uiUR时，uo=–Uo(sat)uiUR时，uo=+Uo(sat)ui=UR时，uo发生跃变uoiuoUO(sat)–UO(sat)uoR1R2ui+–+–UR+–+–+uR11.4.2电压比较器当uuuu时，o(sat)oUu(sat)ooUu+当UR=0时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。11.4.2电压比较器uoiuoUO(sat)–UO(sat)uooiutR1R2ui–+–UR–+–++uootUO(sat)–UO(sat)电压传输特性若图中ui=4sint，画出uo的波形。+当UR=2V时11.4.2电压比较器uoR1R2ui–+–UR–+–++uoiuoUO(sat)–UO(sat)2V若图中ui=4sint，画出uo的波形。电压传输特性2otiu/V4-4UO(sat)uoot–UO(sat)+当UR=–2V时uoR1R2ui–+–UR–+–++uootUO(sat)–UO(sat)uoiuoUO(sat)–UO(sat)–2V11.4.2电压比较器若图中ui=4sint，画出uo的波形。-2otiu/V4-4电压传输特性在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把输出电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UO(sat)–UO(sat)UZ–UZuoiuouoRR1R2+–+DZui+–+–限幅电压比较器11.4.2电压比较器[例]图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。分析其工作原理。温度超过规定值，uiUR，uo=+UOM，T导通。KA动作，切断电源。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo温度未超过规定值，uiUR，uo=–UOM，T截止。KA不动作7.37.3放大电路中的负反馈7.3.1反馈的基本概念AFxoxixdxfxi—总输入信号xd—净输入信号1.什么是反馈将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。反馈框图放大电路反馈网络2.开环和闭环开环：信号只有正向传输闭环：信号既有正向传输，也有反向传输，即存在反馈。xo—输出信号xf—反馈信号x—既可以是电压，也可以是电流。7.3闭环放大倍数的一般表达式1+AF—称为反馈深度AF—称为环路增益AFxoxixdxfAFAxxxxxx1///dfdddofdoiofxxxxxA4.负反馈放大器的一般分析正反馈xd=xi+xf负反馈xd=xi–xf3.正反馈和负反馈加强了输入信号削弱了输入信号开环放大倍数doxxA反馈系数ofxxF7.3当1+AF1时，（即深度负反馈）FAFAAFAA11f—用来估算放大倍数深度负反馈时的闭环放大倍数闭环放大倍数的一般表达式1+AF—称为反馈深度AF—称为环路增益AFxoxixdxfAFAxxA1iof4.负反馈放大器的一般分析开环放大倍数doxxA反馈系数ofxxF7.31.电压串联负反馈7.3.2负反馈的四种典型组态电压反馈输出端电流反馈输入端串联反馈并联反馈四种类型主要分析交流负反馈的类型及其判别。+–AFRLuo+–uS+ui–+–udufRS+–12342134在2-2，反馈网络F与放大电路A相并联，即输出电压uo加在F的输入端3-3，故必有反馈网络的输出信号ufuo，uf的变化也必然反映uo的变化。将这种对输出电压进行采样的反馈方式称为电压反馈。电压负反馈稳定输出电压。7.31.电压串联负反馈+–AFRLuo+–uS+ui–+–udufRS+–12342134在放大电路的输入端，反馈信号与输入信号相串联，并均以电压形式出现进行比较,故为串联反馈。ud=ui–uf当三个电压极性相同时，有udui。串联负反馈的反馈效果与RS有关，RS越小，uS越接近恒压源，输入电压ui越稳定，uf的变化对ud的影响越大，反馈效果就越明显。特别是当RS=0时，uf的变化全部转化成ud的变化，反馈效果最好。反馈的加入使净输入信号减小，故为负反馈。7.3反馈电路举例：同相比例运算电路将电路与负反馈框图对比可见：ud–uf+RL++–R1R2RF+uo–A+ui–+–Fud+–+uf–RLR1R2RF+uo–A+ui–++–+–AFRLuo+–uS+ui–+–udufRS+–12342134运放为基本放大电路A，反馈网络F由电阻RF和R1串联组成。总输入电压ui、反馈电压uf、和净输入电压ud，三者均以电压形式出现—故为串联反馈；uf与uo成正比—为电压反馈;7.3Fud+–+uf–RLR1R2RF+uo–A+ui–++–+–AFRLuo+–uS+ui–+–udufRS+–12342134oF11fuRRRu反馈电压将输出电压的一部分送回到输入端。在输入回路，三个电压均为真实极性，有ud=ui–ufui—为负反馈反