第九章 集成运算放大器及应用课件.ppt

9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 9.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈 9.3 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用 9.4 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用第一节第一节 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 一、集成运算放大器的基本结构一、集成运算放大器的基本结构 图图9-1 集成运放的内部电路框图集成运放的内部电路框图 （a）新标准符号）新标准符号 （b）曾用过的符号）曾用过的符号图图9-2 运算放大器的图形符号运算放大器的图形符号 二、理想运算放大器及特点二、理想运算放大器及特点 一个理想运算放大器应该具有以下特点：一个理想运算放大器应该具有以下特点：输入电压为零时，输出电压恒为零；输入电压为零时，输出电压恒为零；输入电阻输入电阻rid；输出电阻输出电阻rod=0；开环电压放大倍数开环电压放大倍数Au0；频带宽度频带宽度BW应从应从0。工作在线性区的理想运算放大器符合以下两个结论：工作在线性区的理想运算放大器符合以下两个结论：同相输入端和反相输入端的电位相等（同相输入端和反相输入端的电位相等（虚短虚短）u+ u- 同相输入端和反相输入端的输入电流等于零（同相输入端和反相输入端的输入电流等于零（虚断虚断） i+=i-0 第二节第二节 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈 一、反馈的基本概念一、反馈的基本概念 所谓反馈，就是把放大器的输出量（电压或电流）的一部所谓反馈，就是把放大器的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路引回到输入端从而影响输入电压或分或全部，通过一定的电路引回到输入端从而影响输入电压或电流的过程。电流的过程。 图图9-3 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图 根据这种影响的不同，反馈又分为根据这种影响的不同，反馈又分为正反馈正反馈和和负反馈负反馈：正反：正反馈使得输入量增加，放大倍数提高，但最终将导致放大器失去馈使得输入量增加，放大倍数提高，但最终将导致放大器失去放大作用，但在振荡电路中需引入正反馈产生自激振荡；而负放大作用，但在振荡电路中需引入正反馈产生自激振荡；而负反馈则使得输入量减小，以牺牲放大倍数为代价，换来放大器反馈则使得输入量减小，以牺牲放大倍数为代价，换来放大器各种性能的全面改善。各种性能的全面改善。 二、负反馈的类型及其判别方法二、负反馈的类型及其判别方法 判断反馈的首要问题是反馈的极性，即是正反馈还是负反馈。一判断反馈的首要问题是反馈的极性，即是正反馈还是负反馈。一般采用瞬时极性法：即在放大器的输入端加一假定对地瞬时极性为般采用瞬时极性法：即在放大器的输入端加一假定对地瞬时极性为正的输入信号，该信号通过放大电路、反馈回路后送回输入端成为正的输入信号，该信号通过放大电路、反馈回路后送回输入端成为反馈信号，反馈信号，若反馈信号的作用是增强放大器的净输入是正反馈若反馈信号的作用是增强放大器的净输入是正反馈；若若反馈信号的作用是削弱放大器的净输入则是负反馈反馈信号的作用是削弱放大器的净输入则是负反馈。 从图从图9-3可以看出，反馈量取自输出量，这个输出量既可以是电可以看出，反馈量取自输出量，这个输出量既可以是电压也可以是电流，即反馈量是与其中的一个物理量成正比，这是反压也可以是电流，即反馈量是与其中的一个物理量成正比，这是反馈的输出取样方式。反馈量取自输出电压的是馈的输出取样方式。反馈量取自输出电压的是电压反馈电压反馈；反馈量取；反馈量取自输出电流的是自输出电流的是电流反馈电流反馈。 反馈量送回输入回路后，有一个反馈量与输入量的比较方式。若反馈量送回输入回路后，有一个反馈量与输入量的比较方式。若反馈量与输入量是以电压的形式相加减，则说明反馈量与输入量二反馈量与输入量是以电压的形式相加减，则说明反馈量与输入量二者是串联关系，称为者是串联关系，称为串联反馈串联反馈；若反馈量与输入量是以电流的形式；若反馈量与输入量是以电流的形式相加减，则说明反馈量与输入量二者是并联关系，称为相加减，则说明反馈量与输入量二者是并联关系，称为并联反馈并联反馈。 综合以上因素，负反馈可以分为四种组态，即综合以上因素，负反馈可以分为四种组态，即电压串联负反馈、电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。 【例【例9-1】 由集成运算放大器构成的放大电路如图由集成运算放大器构成的放大电路如图9-4所示，试所示，试判断其反馈性质和反馈方式。判断其反馈性质和反馈方式。 图图9-4 例例9-1的电路图的电路图 【例【例9-2】判断图】判断图9-5所示电路的反馈性质和反馈方式。所示电路的反馈性质和反馈方式。 图图9-5 例例9-2的电路的电路 三、负反馈对放大器性能的影响三、负反馈对放大器性能的影响 （一）提高了放大倍数的稳定性（一）提高了放大倍数的稳定性 FAAXXXXXXXXXXXXXAdfdddfdiF100000dXXA0基本放大电路的放大倍数基本放大电路的放大倍数 0XXFf反馈网络的反馈系数反馈网络的反馈系数 FA反馈放大器的放大倍数反馈放大器的放大倍数 引入负反馈以后，放大器的放大倍数是基本放大器放大倍数引入负反馈以后，放大器的放大倍数是基本放大器放大倍数的的 。理论推导证明，放大倍数的稳定性却提高了。理论推导证明，放大倍数的稳定性却提高了 倍。倍。 FA11FA1 实际上，电压负反馈的目的是要稳定放大器的输出电压，而实际上，电压负反馈的目的是要稳定放大器的输出电压，而电流反馈的目的则是要稳定放大器的输出电流，使得放大器尽量电流反馈的目的则是要稳定放大器的输出电流，使得放大器尽量不受温度变化、电源电压波动以及负载改变的影响。不受温度变化、电源电压波动以及负载改变的影响。 FFAAFAAAF11 在深度负反馈情况下，负反馈放大器的放大倍数与基本放大在深度负反馈情况下，负反馈放大器的放大倍数与基本放大器基本无关，而仅仅由反馈网络来决定。器基本无关，而仅仅由反馈网络来决定。 （二）减小非线性失真和抑制干扰（二）减小非线性失真和抑制干扰 在放大器中，无论是非线性失真引起的波形畸变，还是干在放大器中，无论是非线性失真引起的波形畸变，还是干扰引起的失真，在引入负反馈后要将这种失真的信号送回到输扰引起的失真，在引入负反馈后要将这种失真的信号送回到输入端进行比较，使净输入信号发生某种程度的失真，经过放大入端进行比较，使净输入信号发生某种程度的失真，经过放大以后，输出信号的失真得到一定程度的补偿，从本质上讲，负以后，输出信号的失真得到一定程度的补偿，从本质上讲，负反馈是利用失真了的波形来改善波形的失真。反馈是利用失真了的波形来改善波形的失真。（三）扩展通频带（三）扩展通频带 通频带是指能正常通过放大器的信号的频率范围，它是放通频带是指能正常通过放大器的信号的频率范围，它是放大器的重要特性。引入负反馈以后，放大倍数下降，但通过放大器的重要特性。引入负反馈以后，放大倍数下降，但通过放大器的信号的频率在高、低两端都有扩展，即通频带变宽了。大器的信号的频率在高、低两端都有扩展，即通频带变宽了。（四）改变输入电阻和输出电阻（四）改变输入电阻和输出电阻 输入电阻和输出电阻是放大器动态性能的重要指标。电压输入电阻和输出电阻是放大器动态性能的重要指标。电压负反馈使输出电阻减小，而电流负反馈使输出电阻增大；串联负反馈使输出电阻减小，而电流负反馈使输出电阻增大；串联负反馈使输入电阻增大，而并联负反馈使输入电阻减小。负反馈使输入电阻增大，而并联负反馈使输入电阻减小。四、负反馈放大电路的分析方法四、负反馈放大电路的分析方法 【例【例9-3】由集成运放构成的负反馈放大电路如图】由集成运放构成的负反馈放大电路如图9-4所示，试近似所示，试近似计算它的放大倍数。计算它的放大倍数。 图图9-4 例例9-1的电路图的电路图 第三节第三节 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用 一、比例运算电路一、比例运算电路 （一）反相比例器（一）反相比例器 图图9-6 反相比例器反相比例器 iFuRRu10 集成运放的线性应用就是集成运放工作在集成运放的线性应用就是集成运放工作在深度负反馈深度负反馈中的中的各种应用。各种应用。 实现输出信号与输入信号成比例变化，称为比例运算。实实现输出信号与输入信号成比例变化，称为比例运算。实现比例运算的电路称为比例器。有反相比例器和同相比例器两现比例运算的电路称为比例器。有反相比例器和同相比例器两种类型。种类型。 （二）同相比例器（二）同相比例器 图图9-7 同相比例器同相比例器 iFuRRu)1 (10图图9-8 电压跟随器电压跟随器 二、求和运算电路二、求和运算电路 （一）反相加法电路（一）反相加法电路 图图9-9 反相加法电路反相加法电路 )(3322110iFiFiFuRRuRRuRRu（二）同相加法电路（二）同相加法电路 图图9-10 同相加法电路同相加法电路 )(1 (2121111112111210iiFuRRRuRRRRRu三、积分电路三、积分电路 图图9-11 积分器积分器 dtuRCui10四、微分电路四、微分电路 图图9-12 微分电路微分电路 dtduRCui0第四节第四节 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用 集成运算放大器的非线性应用是指集成运放工作在集成运算放大器的非线性应用是指集成运放工作在无反馈无反馈（或称开环）或（或称开环）或正反馈正反馈的状态。此时，只要在它的输入端之间的状态。此时，只要在它的输入端之间加一个很小的电压，其输出电压就会超出线性范围。达到正向加一个很小的电压，其输出电压就会超出线性范围。达到正向饱和电压饱和电压+UOM或负向饱和电压或负向饱和电压-UOM，输出电压与输入电压之间，输出电压与输入电压之间不是线性关系。不是线性关系。 当当u+ u -时，时，u0=+UOM当当u+ u -时，时，u0=UOM一、过零电压比较器一、过零电压比较器 参考电压为零的比较器称为过零电压比较器。根据输入参考电压为零的比较器称为过零电压比较器。根据输入方式的不同又可分为方式的不同又可分为反相输入式反相输入式和和同相输入式同相输入式两种。两种。 图图13、14 反相输入式过零电压比较器及电压传输特性反相输入式过零电压比较器及电压传输特性 图图13、14 同相输入式过零电压比较器及电压传输特性同相输入式过零电压比较器及电压传输特性 二、单限电压比较器二、单限电压比较器 单限电压比较器的参考电压是一个固定电压，所以它又被单限电压比较器的参考电压是一个固定电压，所以它又被称作电平检测器，可用于检测输入信号电压是否大于或小于某称作电平检测器，可用于检测输入信号电压是否大于或小于某一特定值。根据输入方式，它也分为反相输入式和同相输入式。一特定值。根据输入方式，它也分为反相输入式和同相输入式。 （a）电路结构图）电路结构图 （b）电压传输特性）电压传输特性 图图9-15 反相输入式单限电压比较器反相输入式单限电压比较器 三、施密特触发器三、施密特触发器 施密特触发器实质上是一种滞回电压比较器。施密特触发器实质上是一种滞回电压比较器。 图图9-16 (a)滞回电压比较器滞回电压比较器 此时同相输入端的电位为此时同相输入端的电位为THDZfUUURRRu)(22当当ui增大则使增大则使 uu输出由正向饱和状态变为负向饱和状态，输出由正向饱和状态变为负向饱和状态，u0= -（UZ+ UD）时，时，此时同相输入端的电位变为此时同相输入端的电位变为 THDZfUUURRRu)(22以后在以后在ui由大逐渐减小的过程上，只要由大逐渐减小的过程上，只要uuui输出仍为负向饱和状态。输出仍为负向饱和状态。 ，当当ui由小逐渐增大过程中，由小逐渐增大过程中， ，输出应为正向饱，输出应为正向饱和状态，由于限幅电路的作用，和状态，由于限幅电路的作用，u0=+（UZ+ UD）。）。uuui只有当只有当ui减小到使减小到使 uu正向饱和状态。其电压传输特性如图正向饱和状态。其电压传输特性如图9-16（b）所示。）所示。 时，输出才由负向饱和状态变为时，输出才由负向饱和状态变为图图9-16 (b)滞回电压比较器的电压传输特性滞回电压比较器的电压传输特性 )(222DZfTHTHTHUURRRUUU 利用施密特触发器可以将一个不规则的输入波形变换成矩利用施密特触发器可以将一个不规则的输入波形变换成矩形波输出。如图形波输出。如图9-17所示。所示。 图图9-17 施密特触发器的波形变换作用施密特触发器的波形变换作用