运算放大器知识介绍

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。
本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信 号运算、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中 的负反馈。
11.1 运算放大器简单介绍
11.1.1 集成运放的组成
电工与电子技术
输入端
输入级
中间级
输出级 输出端
偏置 电路
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 偏置电路 — 由镜像恒流源等电路组成
运算放大器的符号
电工与电子技术
信号传 输方向
反相
输入端
u–
Auo
–
+
u+
+
同相
输入端
实理际想运放开环 电压放大倍数
uo 输出端
11.1.2 主要参数
1. 最大输出电压 UOPP
电工与电子技术
2. 开环差模电压增益 Auo
Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。
3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB
这时RE1、RF引入越级正反馈。
11.2.3 负反馈对放大电路工作的影响
电工与电子技术
1.降低放大倍数，提高稳定性
开环放大倍数 反馈系数 F
A
X f X o
X o X d
X i
+ –
X d X f
A
F
X o
引入负反馈后净输入信号
引入负反馈后闭环放大倍数
dAf
1
dA
X d Af
XXoi X i
A
uo
+
ui
–
R1 R2
–
+
+-
RL
+
uo
–
– if
F
判3. 别串图联示电电流路负的反反馈馈类型
电工与电子技术
+
ui
–
ud+–
R2
– +
io +
RL
+
uo
–
+ R uf
–
串联电流负反馈方框图
ui + ud
A
io
– uf
F
反馈电压 uf Rio ud ui uf
电流反馈； 负反馈； 串联反馈
例5：如果RF的另一端不接在T1 的发射极，而是接在 它的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈 ？
电工与电子技术
RB1
C1+
RS es+–
+
uiRB2
–
RC1
－
+
T1
RE1
－ RC2 + +C2
T2
+UCC
+
RF RE2
RL uo CE2 –
解：T2集电极的 反馈到T1的基极，提高了B1的交 流电位，使Ube1增大，故为正反馈；
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、重量轻、功耗低、可靠性高、价格 低。
按集成度 小、中、大和超大规模 集成电路分类 按导电类型 双、单极性和两种兼容
按功能 数字和模拟
电工与电子技术
第11章 运算放大器
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。
电工与电子技术
11.1.3 理想运算放大器及其分析依据
运放工作在非线性区的依据
uo UO(sat)
非线性区
O
u u
–UO(sat)
非线性区
由于运放工作在非线性区
uo Auo (u u )
所以 1. u+ u– 不再成立
u–
–
uo
id u+
+ rid+
当 u u 时， uo Uo(sat)
电工与电子技术
判别2图. 并示联电电路压的负反反馈馈类型
if RF
ii
id
+ R1
ui
– R2
–
+
+-
RL
+
uo
–
净输入电流
负反馈
id ii if
反馈电流
if
u uo RF
uo RF
电压反馈 并联反馈
2. 并联电压负反馈
电工与电子技术
if RF
并联电压负反馈方框图
ii
id
ii + id
ui
电工与电子技术
判4别. 并图联示电电流路负的反反馈馈类型
if RF
并联电流负反馈方框图
ii
+
ui
–
id
–
R1
+
R2
io
+-
RL uR
ui ii + id
A
io
–
if
F
R iR
图中 id ii if
if
( R RF
R )io
电工与电子技术
如何判别电路中反馈类型小结
(1) 反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈； 从负载电阻靠近“地”端引出的，是电流反馈；
电工与电子技术
第11章 运算放大器
11.1 运算放大器的简单介绍 11.2 放大电路中的负反馈 11.3 运算放大器在信号运算方面的应用 11.4 运算放大器在信号处理方面的应用 11.5 运算放大器在波形产生方面的应用 11.6 使用运算放大器应注意的几个问题
电工与电子技术
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。
无负反馈放大 电路方框图
A X i
X o
11.2.1 反馈的基本概念 比较环节 基本放大电路
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带有负反馈放大 X i + X d
A
X o
电路的方框图
X X X
i o f
— — —
输入信号 输出信号 反馈信号
X d — 净输入信号
– X f
F
反馈电路
净输入信号 X d X i X f 若三者同相，
电工与电子技术
运放工作在线性区的依据 1. u+ u–
u– id
u+
– rid ++
uo
由于运放 Auo ，而 故从式 uo Auo (u u ) ，可知
uo
是有限值，
(u
u )
uo Auo
0
相当于两输入端之间短路，但又未真正短路，故
称 “虚短路” 。
2. id 0 运放开环输入电阻 rid 相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故 称 “虚断路”。
电工与电子技术
RB1
C1+
RS es+–
+
uiRB2
–
－ RC1
+ T1
RE1
RF
－RC2 + +C2
T2
+UCC
+
RE2
RL uo CE2 –
解：T2集电极的 反馈到T1的发射极，提高了E1 的交流电位，使Ube1减小，故为负反馈；
反馈从T2的集电极引出，是电压反馈；反馈电压 引入到T1的发射极，是串联反馈。
Uim u u
–UO(sat) 负饱和区
u– u+
– ++
uo
uo Auo (u u )
若 Auo = 106 ± UO(sat) = ±15 V 则 ±UIM = ±0.015 mV
运放要工作在线性
实际运放电压传输特性 区必须有负反馈。
11.1.3 理想运算放大器及其分析依据
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+ ui
+ u–d
–
A1+ +
uo1
–
R
– uf +
– A2 +
uo
+
RL
[解] 反馈电路从 A2 的输出端引出，故为电压反馈； 反馈电压 uf 和输入电压ui 分别加在的同相和反相两个输 入端，故为串联反馈；
反馈电压 uf 使净输入电压 ud = ui – uf 减小，故为负反馈；
串联电压负反馈
[例 2] 判别图示电路从 A2 输出端引入 A1 输入端的反馈类型。
X f A
1 AF
Af 1 AF A
引入负反馈后，放大倍数降低了 ， 而放大 倍数的稳定性却提高了。
例：|A|=300，|F|=0.01。
电工与电子技术
电工与电子技术
2.改善非线性失真
无负反馈
ui
Au
加入 负反馈
略小
ui + uf 略大 –
略大 ud
Au
uf
略小
F
大
uo
小
uo
接近正弦波
负反馈改善了波形失真
(也可将输出端短路，若反馈量为零，则为电压反馈； 若反馈量不为零，则为电流反馈。)
(2) 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，是 串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；
(3) 反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。
[例1] 判别图示电路从 A2 输出端引入 A1 输入端的反馈类型。
电工与电子技术
3.对放大电路输入电阻和输出电阻的影响
电工与电子技术
四种负反馈对 ri 和 ro 的影响
串联电压 串联电流 并联电压 并联电流
ri
增高
ro 减低
增高 增高
减低 减低
减低 增高
思考题：为了分别实现： (a) 稳定输出电压； (b) 稳定输出电流； (c) 提高输入电阻； (d) 降低输出电阻。
应引入哪种类型的百度文库反馈？
则
Xd Xi Xf
可见
Xd Xi ，电路为负反馈。
11.2.2 负反馈的类型
根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出
电工与电子技术
端的连接方式不同，负反馈有以下四种类型。
A X i + X d
– X f
F
在输出端
X o 负反馈的类型有： 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。
+
RL
+
uo
–
净输入信号 ud ui uf
负反馈
反馈电压
uf
R1 RF
R1
u0
电压反馈。
联反uf馈与。ui 在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串
1. 串联电压负反馈
RF
串联电压负反馈方框图
电工与电子技术
–
uf R1
+
ud–
–
+
ui
R2
+
+
–
+
RL
ui + –
+
uo
–
ud uf
A
F
uo
+ R1
ui
–
– +
+
R2
+
uo
–
若 R1 RF 则 uo ui
Auf
uo ui
1
平衡电阻 R2 R1 // RF
电工与电子技术
结论：
(1) Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加在反相输入端。
(2) Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本
身参数无关。
(3) | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。 (4) 因u–= u+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”。 (5) 电压并联负反馈，输入、输出电阻低，
u u
uo Uo(sat)
u u Uo 发生跃变
2. id 0 依然成立
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11.2 放大电路中的负反馈
电工与电子技术
11.2.1 反馈的基本概念
凡是将放大电路(或某个系统)输出信号的一部 分或全部经某种电路(反馈网络)引回到输入端，称 为反馈。
如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。 如果反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。
电工与电子技术
RB1
C1+
RS es+–
+
uiRB2
–
RC1 T1
RE1
RC2
+UCC
+C2
T2
+
RF RE2
RL uo CE2 –
解: RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈； RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的 是交、直流反馈。
RE1对本级引入串联电流负反馈。
例3：判断图示电路中的负反馈类型。
返回
11.3 运算放大器在信号运算方面的应用
电工与电子技术
11.3.1 比例运算 1.反相输入
if RF
由运放工作在线性区的依据 ii
ii if 可列出
u u 0
ii
ui
u R1
ui R1
if
u uo RF
uo RF
由此得出
闭环电压 放大倍数
uo
RF R1
ui
Auf
uo ui
RF R1
电工与电子技术
ui ii
id
– A1+
+
uo1
R
– A2 +
-
uo
+
RL
a
if [解] 反馈电路从 RL 靠近“地”端引出，为电流反馈 ；
反馈电流 if 和输入电流 ii 加在 A1 的同一个输入端，故
为并联反馈；
净输入电流 id = ii – if 减小，故为负反馈；
并联电流负反馈
例3：判断图示电路中的负反馈类型。
RE1、RF引入越级串联电压负反馈。
电工与电子技术
例4：如果RF不接在T2 的集电极，而是接C2与RL 之间，两者有何不同 ？
RB1
C1+
RS es+–
+
uiRB2
–
RC1 T1
RE1
RC2
×
+C2
T2
+UCC
+
RF RE2
RL uo CE2 –
解：因电容C2的隔直流作用，这时RE1、RF仅引入 交流反馈。
Auo
rid ro 0 KCMRR
由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件， 后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。
11.1.3 理想运算放大器及其分析依据
电工与电子技术
表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的
曲线称为传输特性。
uo
UO(sat)
正饱和区
–Uim O
线性区
ri = R1。共模输入电压低。
电工与电子技术
11.3.1 比例运算
2.同相输入
由运放工作在线性区的依据
ii if
可列出
由此得出 闭环电压 放大倍数
u u ui
ii
u R1
ui R1
反馈量取自输出电压为电压反馈，取自输出电流为电流反馈；
在输入端
反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；
反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。
电工与电子技术
11.2.2 负反馈的类型
判1. 别串图联示电电压路负的反反馈馈类型
RF
–
uf R1
+ ud–
–
+
ui
R2
+
+
–
愈小愈好
6. 共模输入电压范围 UICM
超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。
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11.1.3 理想运算放大器及其分析依据
在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是 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. 差模输入电阻 3. 开环输出电阻 4. 共模抑制比
uo
UO(sat)
正饱和区
u– u+
– ++
uo
–Uim
线性区
uo Auo (u u )
o Uim u u 因为理想运放
开环电压放大倍数 Auo
–UO(sat) 负饱和区
所以，当 u u时， uo UO(sat)
理想运放电压传输特性
u u
uo UO(sat)
11.1.3 理想运算放大器及其分析依据