电工电子技术第十二章

12.1集成运算放大器12.2放大电路中的反馈12.3理想集成运算放大器的分析方法*12.4集成运算放大器使用中应注意的问题集成运算放大器第12章第12章小结12.1集成运算放大器12.1.1集成运算放大器的基本组成12.1.2集成运算放大器的主要参数集成电路: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，组成一个不可分的整体。集成电路特点：体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。集成运算放大器：具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。引言12.1.1集成运算放大器的基本组成输入级：差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。输出级：射极输出器或互补对称功率放大器，提高带载能力。偏置电路：为各级提供稳定、合适的静态工作点。输出端偏置电路输入级中间级输出级输入端中间级：电压放大。运算放大器的符号反相输入端同相输入端输出端+–++–+u+u–uoLM741运放外型和管脚反相输入端同相输入端输出端+–+6237415+15V-15V10k1k调零：当输入信号为零时，输出为零。8为空脚12.1.2集成运算放大器的主要参数2.输入失调电压UIO使UO=0，输入端施加的补偿电压几毫伏3.输入失调电流IIOUO=0时，输入级两输入端的静态电流之差。1nA0.1A1.开环差模电压增益Aud1041074.差模输入电阻rid输出电阻ro几百千欧几兆欧几十欧几百欧)dB(lg20cdCMRuuAAK5.共模抑制比KCMR80dB6.最大差模输入电压UIdmax共模输入UIC过大，KCMR下降。当UId过大时，反偏的PN结可能因反压过大而被击穿。LM741为36V7.最大共模输入电压UICmax9.最大输出电压幅度UOPP如电源电压15V，UOPP为1314VLM741为16V两输入端间允许加的最大差模输入电压。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。8.静态功耗PCO几十毫瓦12.2放大电路中的负反馈12.2.1反馈的基本概念12.2.2负反馈的基本类型12.2.3反馈类型的判别12.2.4负反馈对放大器性能的影响1.反馈—将电路的输出量(电压或电流)的部分或全部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回路，以改善放大电路的某些性能。2.信号的两种流向正向传输：输入输出反向传输：输出输入—开环—闭环输入输出放大电路反馈网络12.2.1反馈的基本概念正反馈：反馈信号消弱原输入信号，使输出量减小。负反馈：反馈信号增强原输入信号，使输出量增大。+–比较环节基本放大电路F反馈网络负反馈的组成框图fXAdXoXiX—输入信号—净输入信号—反馈信号—输出信号dXiXfXoXfidXXX净输入信号反馈信号消弱了净输入信号，为负反馈。idXX则若同相，fiXX与12.2.2负反馈的基本类型电压反馈—反馈信号取自输出电压的部分或全部。电流反馈—反馈信号取自输出电流。据反馈电路从输出端的取样方式不同分为：AF电压反馈OULR电流反馈FALROUOIOI据反馈信号与放大器输入信号连接方式不同分为：串联反馈和并联反馈。串联反馈：反馈信号与输入信号以电压相加减的形式在输入端出现。并联反馈：反馈信号与输入信号以电流相加减的形式在输入端出现。AFiIfIidIAFiUidUfU负反馈的类型有四种：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。[使uo=0(RL短路)，若反馈消失则为电压反馈否则为电流反馈。]12.2.3反馈类型的判别1.找出反馈元件（或电路），即在输入和输出回路间起联系作用的元件。2.判断电压、电流反馈电压反馈—反馈信号取自输出电压的部分或全部。电流反馈—反馈信号取自输出电流。判别法：反馈取自输出端或输出分压端为电压反馈，反馈取自非输出端为电流反馈。3.判断串联、并联反馈4.判断正、负反馈反馈信号与输入信号在不同输入端为串联反馈，在同一个输入端为并联反馈。采用瞬时极性法判断:反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。设某一瞬时ui为正，根据电路情况推出此时反馈信号的正负。例12.1输入回路输出回路判断电路是否存在反馈，并判断反馈类型。+C1RS+ui–RERB+VCCC2RL+us–+uo–++uBE–RE介于输入输出回路，有反馈。反馈使uBE减小，为负反馈;+uf–反馈取自输出端为电压反馈;反馈信号与输入信号在不同输入端,为串联反馈。电压串联负反馈电流串联负反馈例12.2判断反馈类型。RE介于输入输出回路，有反馈。反馈使uBE减小，为负反馈;反馈不是取自输出端，为电流反馈;反馈信号与输入信号在不同输入端,为串联反馈。+us+VCCRCC1C2RLRERB1RB2RS+uo+uiuBE++ufiE例12.3判断反馈类型。Rf为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。RL=0，无反馈，故为电压反馈。反馈信号与输入信号都加在了反相输入端，故为并联反馈。电压并联负反馈反馈使净输入电流减小，为负反馈。fi-IIIR1RfR+–+–++–+RLIU+–OUiIfI-I12.2.4负反馈对放大器性能的影响1.降低放大倍数由于负反馈的存在，使放大器的净输入信号减小，输出电压减小，所以包含反馈回路后的电压放大倍数降低。2.提高放大倍数的稳定性放大器在工作过程中，由于环境温度变化、晶体管老化、电源电压波动等情况，都会引起输出电压变化，使电压放大倍数不稳定。加入负反馈，在同样的外界条件变化时，电流负反馈可以稳定输出电流，电压负反馈可以稳定输出电压，电压放大倍数变化较小，即比较稳定。3.减少非线性失真uf加入负反馈无负反馈FufAuiuo+–uiduo大小略大略小略小略大uiA产生了失真接近正弦波，失真得到改善4.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响输入电阻增大串联负反馈电流负反馈电压负反馈并联负反馈输入电阻减小输出电阻增大，稳定输出电流。输出电阻减小，稳定输出电压。12.3理想集成运算放大器的分析方法12.3.1理想运算放大器12.3.2反相输入运算电路的分析方法12.3.3同相输入运算电路的分析方法12.3.4差分输入运算电路的分析方法12.3.5非线性电路的分析方法理想化的主要条件：开环差模电压增益开环差模输入电阻开环输出电阻共模抑制比udAidr0orCMRK在分析运算放大器的电路时，一般把运算放大器看成理想元件。12.3.1理想运算放大器+–++–+u+u–uo开环共模输入电阻icr运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线称为传输特性。实际运放电压传输特性uouuuioUO+UO-线性工作区正饱和区负饱和区)(didOuuAuAuuu+–++–+u+u–uoduA很大UO-、UO+为负、正饱和电压。iu当很小时，运放工作在线性区。理想运放传输特性uouuuioUO+UO-正饱和区负饱和区)(didOuuAuAuuu+–++–+u+u–uoduA理想运放uuuuOOUuOOUu时，当为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，限制其闭环电压放大倍数。注意：工作在饱和区的理想运放)(dOuuAuuuuuuOOUuOOUu时，当时，0)(uu工作在线性区的理想运放相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断”。2.i+=i–=01.u+=u–,而uo是有限值,运放开环输入电阻idr由于故从式,可知duA)(dOuuAuu+–++–+u+u–uo（虚短）（虚断）i–i+12.3.2反相输入运算电路的分析方法1.反相比例运算电路0ii虚断F1ii-0uu虚地fFORiu1I1I1RuRuuifOfOFRuRuuiI1fouRRu平衡电阻f1//RRR输入电阻:ri11IiRiurIOuuf1RR若则iFR1Rfi1uIR+–+–++–+uou+u-例12.4有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500，测量范围是（0~10）Mpa,其灵敏度是+1mV/0.1Mpa,现在要用一个输入0V~5V的标准表来显示这个传感器测量的压力变化，需要一个放大器把传感器输出的信号放大到标准表输入需要的状态，设计放大器并确定各元件参数。解：采用反相比例构成放大器，放大器的最高输入电压为：（10Mpa/0.1Mpa）1mV=100mV放大器的最高输出电压（标准表的最高输入）为5V。放大倍数：5/0.1=50第一级放大后再接一级反相器，使相位符合要求。（1）取kΩ101R为信号源内阻的20倍。（2）kΩ500501fRRkΩ8.9//f1RRR（3）（4）运放采用LM741，10V对称电源供电。kΩ5012f2RR（5）kΩ25//f2122RRR（6）R1RfR+–++–+R12Rf2R2+–++–+2.反相加法运算电路iF=i1+i22I21I1fORuRuRu)(2I21I1fORuRuRu若Rf=R1=R2则uO=(uI1+uI2)R'=R1//R2//Rf平衡电阻iFR1Rfi1uI1RuI2+–+–++–+uou+u-i23.反相积分电路1I1RuituCiddOF=tuCRud1oIf1R1Cf称为积分时间常数。OMU当uI为阶跃电压时，则uo0tuI0tf1IoCRtuuUuo随时间线性下降，最后达到负饱和值。iFR1Cfi1uIR+–+–++–+uou+u-*例12.5利用积分电路将方波变成三角波。10k10nF时间常数=R1Cf=0.1ms)(d1o1If121tutuCRuCtt设uC(0)=0tutd51.01o1.00ms1.0=5VuI/Vt/ms0.10.30.555uO/vt/ms5d)5(1.01o3.01.0ms3.0tut=5V55R1CfuIR+–+–++–+uo4.反相微分电路tuCiddI11-0u虚地fOFRuiF1ii虚断tuCRRiuddI1ffFORfC1称为微分时间常数当uI为阶跃电压时，uo为尖脉冲电压。uI0Uuo0tiFRfC1i1uIR+–+–++–+uou+u-–+12.3.3同相输入运算电路的分析方法1.同相比例运算I-uuuF1ii,fIO1IRuuRuI1fO)1(uRRuR2=R1//Rf平衡电阻当R1=时，跟随器IOuu或当R1=，Rf=0时，R1iFRfi1uIR2+–++–+uou+u-RfuIR2+–++–+uouI+–++–+uo同相比例运算主要特点：（1）输入与输出信号同相。（2）输入电阻大，输出电阻小。（3）存在共模输入信号，对KCMR的要求高。例12.6如图所示电路，计算输出电压uo的大小。+–+–++–+uoV15kΩ5.7kΩ15kΩ15u+解：该电路是一电压跟随器。u+=7.5V输出电压uo=7.5ViFR1R2Rfi1uI1R3uI2+–+–++–+uoi2i32.同相加法运算电路2I12Ruui3I23Ruui32ii3I22I1RuuRuu))((32323I22I1RRRRRuRuu11RuifO-FRuui可推出由uufO-1-RuuRuF1iiOf11uRRRu))(1(322I2321I31fORRuRRRuRRRu若R2=R3则uO=uI1+uI2若再有Rf=R1))(1(212I1I1fOuuRRu例12.7如图所示电路，写出电流iL与输入电压uI的关系式。解：iLR1R2RLi1uI+–+–++–+u+u-u+=u=uI