4-运算放大器

第4章运算放大器第4章运算放大器§4.1集成运算放大器§4.2运算放大器应用电路中的反馈§4.3基本运算放大电路§4.4电压比较器第4章运算放大器第四章运算放大电路§4.1集成运算放大器概述§4.2运算放大电路中的反馈§4.3基本运算电路§4.4运算放大电路在信号处理方面的应用第4章运算放大器§4.1概述一、集成运放的特点二、集成运放电路的组成三、集成运放的电压传输特性第4章运算放大器一、集成运放的特点（1）直接耦合方式、采用差分放大电路。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。（3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。（4）采用复合管。集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。第4章运算放大器二、集成运放电路的组成两个输入端一个输出端可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。第4章运算放大器三、集成运放的电压传输特性1.在线性区：uO＝Aod(uP－uN)Aod是开环差模放大倍数。非线性区uO=f(uP-uN)当u+u–时，uo=+UoMu+u–时，uo=–UoM2.非线性区（运放工作在饱和区）第4章运算放大器四、集成运放的主要性能指标指标参数F007典型值理想值•开环差模增益20lg│Aod│106dB∞•差模输入电阻rid2MΩ∞•共模抑制比KCMR90dB∞•输入失调电压UIO1mV0•UIO的温漂dUIO/dT(℃)几μV/℃0•输入失调电流IIO(│IB1-IB2│)20nA0•IIO的温漂dIIO/dT(℃)几nA/℃0•最大共模输入电压UIcmax±13V•最大差模输入电压UIdmax±30V•-3dB带宽fH10Hz∞使uO为0在输入端所加的补偿电压超过此值不能正常放大差模信号超过此值输入级放大管击穿第4章运算放大器反馈基本要求•会判：判断电路中有无反馈及反馈的性质•会引：根据需求引入合适的反馈第4章运算放大器§4.2反馈的概念及判断一、反馈的基本概念二、交流负反馈的四种组态三、反馈的判断第4章运算放大器1.什么是反馈放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，影响输入，称为反馈。一、反馈的基本概念第4章运算放大器2.正反馈和负反馈1.凡反馈的结果使输出量的变化减小的为负反馈，否则为正反馈；2.凡使净输入量减小的为负反馈，否则为正反馈。作用：负反馈：稳定输出量正反馈：增大输出量的变化第4章运算放大器3.直流反馈和交流反馈直流通路中存在的反馈称为直流反馈，交流通路中存在的反馈称为交流反馈。引入交流负反馈引入直流负反馈作用：直流负反馈：稳定静态工作点交流负反馈：稳定交流输出量第4章运算放大器4.局部反馈和级间反馈只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部反馈。将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输入回路的称为级间反馈。通过R3引入的是局部反馈通过R4引入的是级间反馈通常，重点研究级间反馈或称总体反馈。作用：局部负反馈：稳定某一级静态工作点、输出量级间负反馈：稳定整个放大电路的静态工作点、输出量第4章运算放大器二、交流负反馈的四种组态将输出电压的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电压反馈，即ooUX将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电流反馈，即ooIX描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式，——引回的反馈对象。1.电压反馈和电流反馈第4章运算放大器2.串联反馈和并联反馈描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式，——输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。f'iiUUU--串联负反馈f'iiIII--并联负反馈+_负反馈第4章运算放大器3.四种反馈组态：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输入端选择串联、并联反馈——由信号源类型决定。输出端选择电压、电流反馈——由需要稳定的信号决定。第4章运算放大器三、反馈的判断“找联系”：找输出回路与输入回路的联系，并由此影响放大电路的净输入量若有则有反馈，否则无反馈。有反馈吗？将输出电压全部反馈回去无反馈1.有无反馈的判断第4章运算放大器2.直流反馈和交流反馈的判断“看通路”，看反馈是存在于直流通路还是交流通路。设以下电路中所有电容对交流信号均可视为短路。仅有直流反馈仅有交流反馈交、直流反馈共存第4章运算放大器3.正、负反馈（反馈极性）的判断“看反馈的结果”，净输入量是被增大还是被减小。uD=uP-uN:两个输入端的电位差iD=iP或iN:同相输入端或反相输入端的电流fi'ifi'iIIIUUU或－－正反馈－－负反馈fi'ifi'iIIIUUU或第4章运算放大器FuFIDuuuO211FuRRRu集成运放：uN与uO极性相反，uP与uO极性相同。方法：把输出引回到放大器反相输入端的反馈是负反馈。把输出引回到放大器同相输入端的反馈是正反馈。第4章运算放大器反馈电流净输入电流减小，引入了负反馈净输入电流增大，引入了正反馈第4章运算放大器4.电压反馈和电流反馈的判断电路引入了电压负反馈负载短路法:假设将放大电路的负载电阻RL短路（此时，U0=0）电流反馈：反馈量仍然存在。电压反馈：反馈量为零。第4章运算放大器图5－7第4章运算放大器电压负反馈与电流负反馈的判断电压负反馈电流负反馈第4章运算放大器5.串联反馈和并联反馈的判断输入端，输入量、反馈量和净输入量以电压的方式叠加，为串联反馈；以电流的方式叠加，为并联反馈。第4章运算放大器iX和fX并联：反馈量输入量接于同一输入端。iX串联：反馈量输入量接于不同的输入端。和fX并联、串联反馈的判断FINiiiFIDuuu引入了并联反馈引入了串联反馈Fu第4章运算放大器直流负反馈判断下列电路中引入什么反馈交、直流正反馈；R4电压并联；R1电压串联交、直流正反馈；R1电压串联交、直流正反馈；R1电压串联交、直流正反馈；R3电压并联；R4电流并联第4章运算放大器分立元件放大电路中反馈的分析图示电路有无引入反馈？是直流反馈还是交流反馈？是正反馈还是负反馈？若为交流负反馈，其组态为哪种？+__+++_uF若从第三级射极输出，则电路引入了哪种组态的交流负反馈？引入了电流串联负反馈作用？第4章运算放大器判断图所示各电路中是否引入了反馈；若引入了反馈，则判断是正反馈还是负反馈；若引入了交流负反馈，则判断是哪种组态的负反馈第4章运算放大器第4章运算放大器分立元件放大电路中的净输入量和输出电流•在判断分立元件反馈放大电路的反馈极性时，净输入电压常指输入级晶体管的b-e（e-b）间或场效应管g-s（s-g）间的电位差，净输入电流常指输入级晶体管的基极电流（射极电流）或场效应管的栅极（源极）电流。•在分立元件电流负反馈放大电路中，反馈量常取自于输出级晶体管的集电极电流或发射极电流，而不是负载上的电流；此时称输出级晶体管的集电极电流或发射极电流为输出电流，反馈的结果将稳定该电流。第4章运算放大器五、引入负反馈的一般原则•稳定Q点应引入直流负反馈，改善动态性能应引入交流负反馈；•根据信号源特点:增大输入电阻应引入串联负反馈，减小输入电阻应引入并联负反馈；•根据负载需要:需输出稳定电压（即减小输出电阻）的应引入电压负反馈，需输出稳定电流（即增大输出电阻）的应引入电流负反馈；•从信号转换关系上看:输出电压是输入电压受控源的为电压串联负反馈，输出电压是输入电流受控源的为电压并联负反馈;输出电流是输入电压受控源的为电流串联负反馈，输出电流是输入电流受控源的为电流并联负反馈；当(1＋AF)1时，它们的转换系数均约为1/F。第4章运算放大器讨论一•为减小放大电路从信号源索取的电流，增强带负载能力，应引入什么反馈？•为了得到稳定的电流放大倍数，应引入什么反馈？•为了稳定放大电路的静态工作点，应引入什么反馈？•为了使电流信号转换成与之成稳定关系的电压信号，应引入什么反馈？•为了使电压信号转换成与之成稳定关系的电流信号，应引入什么反馈？第4章运算放大器讨论二试在图示电路中分别引入四种不同组态的交流负反馈。＋－＋电流反馈电压反馈串联反馈并联反馈＋＋－Fu－第4章运算放大器讨论三在图示电路中能够引入哪些组态的交流负反馈？①②③④只可能引入电压并联或电流串联两种组态的交流负反馈。第4章运算放大器电子信息系统信号的提取信号的预处理信号的加工信号的驱动与执行A/D转换计算机或其它数字系统D/A转换信号的提取信号的预处理信号的加工信号的驱动与执行A/D转换计算机或其它数字系统D/A转换传感器接收器隔离、滤波、放大运算、转换、比较功放执行机构电子信息系统的供电电源第4章运算放大器§4.3集成运放组成的运算电路一、概述二、比例运算电路三、加减运算电路四、积分运算电路和微分运算电路第4章运算放大器一、概述Aod、rid、fH均为无穷大，ro、失调电压及其温漂、失调电流及其温漂、噪声均为0。因为uO为有限值，Aod＝∞，所以uN－uP＝0，即uN＝uP…………虚短路因为rid＝∞，所以iN＝iP＝0………虚断路电路特征：引入电压负反馈。2.集成运放的线性工作区:uO＝Aod(uP－uN)1.理想运放的参数特点第4章运算放大器3.研究的问题（1）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式uO＝f(uI)（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。第4章运算放大器二、比例运算电路1）电路引入了哪种组态的负反馈？+_iN=iP=0，uN=uP=0－－虚地在节点N：RuiiRIFIffFOuRRRiu1.反相输入2)R’＝？R’=R∥Rf保证输入级的对称性第4章运算放大器IfONfOIPN)1()1(uRRuuRRuuuu2.同相输入1）电路引入了哪种组态的负反馈？2)R’＝？R’=R∥Rf保证输入级的对称性第4章运算放大器IPNOuuuu同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器运算电路分析步骤：（1）对关键节点列电流方程；（2）对电路结点电压、支路电流进行“虚短”、虚断”分析。（3）把电流方程中的电压换成uo或ui表示，求解uo第4章运算放大器二、求和运算电路3I32I211I321FPN0RuRuRuiiiiuuRRR)(3I32I211IffFORuRuRuRRiu方法一：节点电流法1.反相求和第4章运算放大器ff3I32I211IPfPfO)()1(RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu与反相求和运算电路的结果差一负号4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)()(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu∥∥∥2.同相求和设R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf第4章运算放大器)3.12.0()(I3I1I33F1I11F1O1uuuRRuRRu)10()(I2O1I22F2O14F2OuuuRRuRRu比较得：10,1,3.1,2.02F24F23F11F1RRRRRRRR选RF1=20k，得：R1=100k，R3=15.4k；选RF2=100k，得：R4=100k，R2=10k。k8////F1311RRRRk3.8////F2422RRRR第4章运算放大器利用求和运算电路的分析结果)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu设R1∥R2∥Rf＝R3∥R4∥R5)(I1I2fOuuRRu若R1∥R2∥Rf≠R3∥R4∥R5，uO＝?实现了差分放大电路三、加减运算电路第4章运算放大器例：求图中输入输出电压关系。第4章运算放大器第4章运算放大器例：用集成运放实