11《电工电子技术》.pptx

电工电子技术电工电子技术 北京金企鹅文化发展中心北京金企鹅文化发展中心目录页第 2 页目录页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.2 负反馈放大电路11.3 集成运算放大器的线性应用11.4 集成运算放大器的非线性应用11.5 集成运算放大器的使用注意事项过渡页第 3 页过渡页11.1 集成运算放大器概述11.1.1 集成运算放大器的基本组成11.1.2 集成运算放大器的封装11.1.3 集成运算放大器的主要性能指标11.1.4 集成运算放大器的理想模型第 4 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.1集成运算放大器的基本组成近年来，集成运放得到迅速发展，出现了各种不同类型和不同结构的集近年来，集成运放得到迅速发展，出现了各种不同类型和不同结构的集成运放，但其基本结构是相同的。集成运放的电路可分为输入级、中间级、成运放，但其基本结构是相同的。集成运放的电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分，如图输出级和偏置电路四个基本组成部分，如图11-1所示。所示。图图11-1 典型集成运放的原理框典型集成运放的原理框图图第 5 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.1集成运算放大器的基本组成输入级输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，能减小是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，能减小零点漂移和抑制共模干扰信号，因此，输入级都采用具有恒流源的差动放大零点漂移和抑制共模干扰信号，因此，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路。它具有同相和反相两个输入端。电路。它具有同相和反相两个输入端。1输入级集成运放的总增益主要由集成运放的总增益主要由中间级中间级提供，要求中间级有较高的电压放大倍提供，要求中间级有较高的电压放大倍数，因此，中间级一般采用带有恒流源负载的共射放大电路，其放大倍数可数，因此，中间级一般采用带有恒流源负载的共射放大电路，其放大倍数可达几千倍以上。达几千倍以上。2中间级第 6 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.1集成运算放大器的基本组成输入级输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，能减小是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，能减小零点漂移和抑制共模干扰信号，因此，输入级都采用具有恒流源的差动放大零点漂移和抑制共模干扰信号，因此，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路。它具有同相和反相两个输入端。电路。它具有同相和反相两个输入端。3输出级偏置电路偏置电路为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路组成。工作点，一般由各种恒流源电路组成。4偏置电路此外，集成运放还有一些辅助电路，如电平偏移电路、过流保护电路等。此外，集成运放还有一些辅助电路，如电平偏移电路、过流保护电路等。第 7 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.2集成运算放大器的封装A741为应用广泛的一种集成运放，它的外壳封装有为应用广泛的一种集成运放，它的外壳封装有双列直插式双列直插式、圆壳式圆壳式和和扁平式扁平式三种形式。如图三种形式。如图11-2（a）所示为）所示为A741集成运放双列直插式的引脚集成运放双列直插式的引脚排列。其电路的八只引脚序号按逆时针方向排列，从结构特征（凹口或定位排列。其电路的八只引脚序号按逆时针方向排列，从结构特征（凹口或定位销）开始依次为销）开始依次为1，2，3，8。不同类型集成运放的外引脚排列是不同的，。不同类型集成运放的外引脚排列是不同的，必须查阅产品手册来确定。必须查阅产品手册来确定。A741集成运放的各引脚功能如下：集成运放的各引脚功能如下：1，5外接调零电位器（通常为外接调零电位器（通常为10 k）的两个端子。）的两个端子。2反相输入端，其电压值标为反相输入端，其电压值标为u，如果信号由该端输入，则输出信号，如果信号由该端输入，则输出信号的相位与输入信号相反。的相位与输入信号相反。3同相输入端，其电压值标为同相输入端，其电压值标为u+，如果信号由该端输入，则输出信号，如果信号由该端输入，则输出信号的相位与输入信号相同。的相位与输入信号相同。4负电源端。负电源端。第 8 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.2集成运算放大器的封装6输出端，其电压值标为输出端，其电压值标为uo。7正电源端。正电源端。8空脚。空脚。电路图中集成运放的符号如图电路图中集成运放的符号如图11-2（b）所示，在图形符号中，通常只画）所示，在图形符号中，通常只画出输入和输出端，其余各端可不画。出输入和输出端，其余各端可不画。（a）（b）图图11-2 A741集成运放的引脚和符号集成运放的引脚和符号第 9 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.3集成运算放大器的主要性能指标开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aud是指集成运放在开环状态（无外加反馈回路）是指集成运放在开环状态（无外加反馈回路）下的差模电压放大倍数。对于集成运放而言，希望下的差模电压放大倍数。对于集成运放而言，希望Aud大且稳定。目前，集成大且稳定。目前，集成运放的运放的Aud一般为一般为60140 dB。1开环差模电压放大倍数Aud最大输出电压最大输出电压UOPP是指在一定的电源电压下，集成运放最大不失真输出是指在一定的电源电压下，集成运放最大不失真输出电压的峰值。电压的峰值。2最大输出电压UOPP差模输入电阻差模输入电阻rid是指集成运放在输入差模信号时的输入电阻。对信号源是指集成运放在输入差模信号时的输入电阻。对信号源来说，差模输入电阻来说，差模输入电阻rid越大，对其影响越小。一般集成运放的越大，对其影响越小。一般集成运放的rid为几百千欧为几百千欧至几兆欧。至几兆欧。3差模输入电阻rid第 10 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.3集成运算放大器的主要性能指标开环输出电阻开环输出电阻ro是指集成运放在开环状态且负载开路时的输出电阻。其数是指集成运放在开环状态且负载开路时的输出电阻。其数值越小，带负载的能力越强。值越小，带负载的能力越强。4开环输出电阻ro共模抑制比共模抑制比KCMR与差动放大电路中的定义相同，也常用分贝值表示。与差动放大电路中的定义相同，也常用分贝值表示。KCMR值越大，表示集成运放对共模信号的抑制能力越强。值越大，表示集成运放对共模信号的抑制能力越强。5共模抑制比KCMR最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax是指集成运放的反相和同相两输入端之间所能承是指集成运放的反相和同相两输入端之间所能承受的最大电压值，超过这个电压值，会使集成运放的性能显著恶化，甚至可受的最大电压值，超过这个电压值，会使集成运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。能造成永久性损坏。6最大差模输入电压Uidmax第 11 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.3集成运算放大器的主要性能指标最大共模输入电压最大共模输入电压Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模电压值，超过是指集成运放所能承受的最大共模电压值，超过这个电压值，它的共模抑制比将显著下降，导致其工作不正常，失去差模放这个电压值，它的共模抑制比将显著下降，导致其工作不正常，失去差模放大能力。大能力。7最大共模输入电压Uicmax理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零。但在实际的理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零。但在实际的集成运放中，由于元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，存在一集成运放中，由于元件参数的不对称性等原因，当输入电压为零时，存在一定的输出电压。为了使集成运放的输出电压为零，在输入端应加的补偿电压定的输出电压。为了使集成运放的输出电压为零，在输入端应加的补偿电压称为称为输入失调电压输入失调电压UIO。集成运放的。集成运放的UIO越小，其质量越好。越小，其质量越好。UIO一般为几毫伏。一般为几毫伏。8输入失调电压UIO第 12 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.3集成运算放大器的主要性能指标输入失调电流输入失调电流IIO是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即即IIO|IB1IB2|。IIO一般在零点零几微安级，其值越小越好。一般在零点零几微安级，其值越小越好。9输入失调电流IIO10输入偏置电流IIB输入偏置电流输入偏置电流IIB是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即值，即 它的大小主要和电路中第一级管子的性能有关，其值也是越小越好，一它的大小主要和电路中第一级管子的性能有关，其值也是越小越好，一般在零点几微安级。般在零点几微安级。第 13 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.4集成运算放大器的理想模型理想集成运放是指将集成运放的各项技术指标理想化，以便于在分析估理想集成运放是指将集成运放的各项技术指标理想化，以便于在分析估算应用电路的过程中，抓住事物本质，忽略次要因素，简化分析过程。算应用电路的过程中，抓住事物本质，忽略次要因素，简化分析过程。1理想集成运算放大器理想化的条件主要有：理想化的条件主要有：开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aud。差模输入电阻差模输入电阻 rid。开环输出电阻开环输出电阻 ro0。共模抑制比共模抑制比KCMR。输入失调电压、失调电流及它们的温漂均为零。输入失调电压、失调电流及它们的温漂均为零。带宽足够大。带宽足够大。第 14 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.4集成运算放大器的理想模型2理想集成运算放大器的特性及其分析方法表示输出电压与输入电压之间关系的表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为特性曲线称为传输特性传输特性，如图，如图11-3所示。所示。图中，图中，BC段为集成运放工作的段为集成运放工作的线性区线性区，AB段和段和CD段为集成运放工作的段为集成运放工作的非线性区非线性区（饱和区）。由于集成运放的电压放大倍（饱和区）。由于集成运放的电压放大倍数极高，数极高，BC段十分接近纵轴。在理想情段十分接近纵轴。在理想情况下，可认为况下，可认为BC段与纵轴重合，用段与纵轴重合，用BC段表示理想集成运放工作在线性区，段表示理想集成运放工作在线性区，AB段和段和CD段表示理想集成运放工作在非线段表示理想集成运放工作在非线性区。性区。图图11-3 集成运放的集成运放的传输传输特性特性第 15 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.4集成运算放大器的理想模型2理想集成运算放大器的特性及其分析方法1）工作在线性区当集成运放工作在线性区时，作为一个线性放大元当集成运放工作在线性区时，作为一个线性放大元件，其输出信号和输入差值信号是线性关系，即件，其输出信号和输入差值信号是线性关系，即 由于理想集成运放的由于理想集成运放的Aud，而，而uo是有限值，所以可认为是有限值，所以可认为满足此条件称为满足此条件称为“虚短虚短”，即两个输入端之间的电压近似为零，相当于，即两个输入端之间的电压近似为零，相当于短路，但不是真正的短路。短路，但不是真正的短路。由于理想集成运放的由于理想集成运放的rid，所以可认为两个输，所以可认为两个输入端的电流近似为零，即入端的电流近似为零，即第 16 页第11章 集成运算放大器11.1 集成运算放大器概述11.1.4集成运算放大器的理想模型2理想集成运算放大器的特性及其分析方法满足此条件称为满足此条件称为“虚断虚断”，即输入端相当于断路，但又不是真正的断路。，即输入端相当于断路，但又不是真正的断路。利用利用“虚短虚短”和和“虚断虚断”这两个结论，分析各种运算及处理电路的线性这两个结论，分析各种运算及处理电路的线性工作情况将十分简便。工作情况将十分简便。当反相输入端当反相输入端u与同相输入端与同相输入端u不等时，输出电压为正、负饱和值不等时，输出电压为正、负饱和值（Uom或或Uom），即），即 uu时，时，uoUom uu时，时，uoUom此外，集成运放工作在非线性区时，两个输入端的输入电流也等于零。此外，集成运放工作在非线性区时，两个输入端的输入电流也等于零。2）工作在非线性区当集成运放处于开环状态或同相输入端和输出端有通路（正反馈）时，当集成运放处于开环状态或同相输入端和输出端有通路（正反馈）时，集成运放工作在非线性区。此时，式集成运放工作在非线性区。此时，式 已不能满足。已不能满足。过渡页第 17 页过渡页11.2 负反馈放大电路11.2.1 反馈的类型及判别方法11.2.2 负反馈放大电路的一般表达式11.2.3 深度负反馈放大电路的特点11.2.4 四种负反馈组态的分析11.2.5 负反馈对放大电路性能的影响第 18 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路将放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）经过一定的方式送回将放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）经过一定的方式送回到输入回路，与原来的输入信号相作用，产生影响，这样的作用过程称为到输入回路，与原来的输入信号相作用，产生影响，这样的作用过程称为反馈反馈。具有反馈作用的放大电路的组成框图如图具有反馈作用的放大电路的组成框图如图11-4所示。任何带有反馈的放大电所示。任何带有反馈的放大电路都包含两个部分：路都包含两个部分：不带反馈的基本放大电路不带反馈的基本放大电路A，它可以是单级或多级的；，它可以是单级或多级的；反馈网络反馈网络F，它是联系放大电路输出电路和输入电路的环节，多数是由电阻元件，它是联系放大电路输出电路和输入电路的环节，多数是由电阻元件组成的。组成的。如图如图11-4所示，所示，Xi，Xo，Xf，Xd分别表示反分别表示反馈放大电路的输入信号、输出信号、反馈信号馈放大电路的输入信号、输出信号、反馈信号和基本放大电路输入信号（即净输入信号），和基本放大电路输入信号（即净输入信号），它们可以是电压，也可以是电流。它们可以是电压，也可以是电流。Xf和和Xi在输在输入端比较（入端比较（是比较环节的符号），得出净输是比较环节的符号），得出净输入信号入信号Xd。箭头的指向表示信号的传输方向。箭头的指向表示信号的传输方向。图图11-4 反反馈馈放大放大电电路路组组成框成框图图第 19 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路反馈的类型及判别方法11.2.1根据反馈极性的不同，反馈可分为根据反馈极性的不同，反馈可分为正反馈正反馈和和负反馈负反馈。根据反馈的效果可以区分反馈的极性，使放大电路净输入信号增大的反根据反馈的效果可以区分反馈的极性，使放大电路净输入信号增大的反馈称为正反馈；使放大电路净输入信号减小的反馈称为负反馈。馈称为正反馈；使放大电路净输入信号减小的反馈称为负反馈。1正反馈和负反馈判别正、负反馈可以采用瞬时极性法，具体步骤如下：判别正、负反馈可以采用瞬时极性法，具体步骤如下：首先找出反馈支路，然后假设输入端的瞬时极性为首先找出反馈支路，然后假设输入端的瞬时极性为 +（或（或 -），按放），按放大信号路径和反馈信号路径，标出相关点的极性。大信号路径和反馈信号路径，标出相关点的极性。反馈信号送回输入端，在输入端看反馈信号和原输入信号的极性：若反馈信号送回输入端，在输入端看反馈信号和原输入信号的极性：若反馈信号使净输入信号减小，为负反馈；若反馈信号使净输入信号增大，为反馈信号使净输入信号减小，为负反馈；若反馈信号使净输入信号增大，为正反馈。正反馈。第 20 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路反馈的类型及判别方法11.2.12直流反馈和交流反馈如果反馈信号只包含直流成分，则称为如果反馈信号只包含直流成分，则称为直流反馈直流反馈；如果反馈信号只包含；如果反馈信号只包含交流成分，则称为交流成分，则称为交流反馈交流反馈；如果反馈信号中既有直流成分，也有交流成分，；如果反馈信号中既有直流成分，也有交流成分，则称为则称为交、直流反馈交、直流反馈。在很多情况下，反馈信号中同时存在直流成分和交流。在很多情况下，反馈信号中同时存在直流成分和交流成分，即为交、直流反馈。成分，即为交、直流反馈。判别方法：反馈回路中有电容元件时，为交流反馈；无电容元件时，为判别方法：反馈回路中有电容元件时，为交流反馈；无电容元件时，为交、直流反馈。交、直流反馈。第 21 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路反馈的类型及判别方法11.2.13电压反馈和电流反馈根据反馈信号在放大电路输出端的采样方式不同，反馈可分为电压反馈根据反馈信号在放大电路输出端的采样方式不同，反馈可分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取样于输出电压，则称为和电流反馈。如果反馈信号取样于输出电压，则称为电压反馈电压反馈；如果反馈信；如果反馈信号取样于输出电流，则称为号取样于输出电流，则称为电流反馈电流反馈。电压反馈中，反馈信号与输出电压成。电压反馈中，反馈信号与输出电压成比例；电流反馈中，反馈信号与输出电流成比例。比例；电流反馈中，反馈信号与输出电流成比例。判别方法：判别方法：短路法，将输出端短路，若反馈信号因此消失，则为电压反馈；若反短路法，将输出端短路，若反馈信号因此消失，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。馈信号仍然存在，则为电流反馈。对共射极电路还可用取信号法，即反馈信号取自输出端的集电极时，对共射极电路还可用取信号法，即反馈信号取自输出端的集电极时，为电压反馈；取自输出端的发射极时，为电流反馈。为电压反馈；取自输出端的发射极时，为电流反馈。第 22 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路反馈的类型及判别方法11.2.14串联反馈和并联反馈根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端的连接方式不同，反馈可分根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端的连接方式不同，反馈可分为串联反馈和并联反馈。如果反馈信号与输入信号在输入端串联连接，即反为串联反馈和并联反馈。如果反馈信号与输入信号在输入端串联连接，即反馈信号与输入信号以电压比较的方式出现在输入端，则称为串联反馈；如果馈信号与输入信号以电压比较的方式出现在输入端，则称为串联反馈；如果反馈信号与输入信号在输入端并联连接，即反馈信号与输入信号以电流比较反馈信号与输入信号在输入端并联连接，即反馈信号与输入信号以电流比较的方式出现在输入端，则称为并联反馈。的方式出现在输入端，则称为并联反馈。判别方法：判别方法：根据电路结构，即当反馈信号和输入信号接在放大电路的同一点时，根据电路结构，即当反馈信号和输入信号接在放大电路的同一点时，为并联反馈；接在放大电路的不同点时，为串联反馈。为并联反馈；接在放大电路的不同点时，为串联反馈。对由晶体管组成的反馈放大电路，若反馈信号送回基极，为并联反馈；对由晶体管组成的反馈放大电路，若反馈信号送回基极，为并联反馈；若反馈信号送回发射极，为串联反馈。若反馈信号送回发射极，为串联反馈。第 23 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路反馈的类型及判别方法11.2.1例11-1判断如图判断如图11-5（a）所示电路的反馈类型和性质。）所示电路的反馈类型和性质。（a）（b）（c）图图11-5 例例11-1图图 第 24 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路反馈的类型及判别方法11.2.1【解解】放大器输出电流原来的意义是指流过负载的电流。但在如图放大器输出电流原来的意义是指流过负载的电流。但在如图11-5（a）所示从晶体管集电极输出的电路中，由于负载上的电流和晶体管集电极）所示从晶体管集电极输出的电路中，由于负载上的电流和晶体管集电极电流同步变化，所以，为了不造成混乱，可把晶体管的集电极电流作为输出电电流同步变化，所以，为了不造成混乱，可把晶体管的集电极电流作为输出电流。流。先根据交流通路分析交流反馈。在如图先根据交流通路分析交流反馈。在如图11-5（b）所示交流通路中存在的反）所示交流通路中存在的反馈元件是馈元件是RE1（RE2被电容被电容CE短路）。因为输出电流短路）。因为输出电流Io的变化必然会造成的变化必然会造成RE1端电端电压的变化，而压的变化，而RE1端电压端电压 的变化又肯定对的变化又肯定对E结上的压降产生作用，即输出信结上的压降产生作用，即输出信号对输入端产生作用，所以，号对输入端产生作用，所以，RE1上存在着反馈。上存在着反馈。将负载短路，将负载短路，Io仍存在，反馈也依然存在，为电流反馈。该电路中，放大仍存在，反馈也依然存在，为电流反馈。该电路中，放大信号从基极输入，而反馈信号则直接作用于发射极，为串联反馈。根据瞬时极信号从基极输入，而反馈信号则直接作用于发射极，为串联反馈。根据瞬时极性法可得出反馈信号的极性如图性法可得出反馈信号的极性如图11-5（b）所示，该反馈使净输入信号减小，为）所示，该反馈使净输入信号减小，为负反馈。负反馈。第 25 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路反馈的类型及判别方法11.2.1反馈过程如下：反馈过程如下：所以，电路中反馈元件所以，电路中反馈元件RE1上存在的反馈为电流串联负反馈。上存在的反馈为电流串联负反馈。再根据直流通路分析直流反馈。在如图再根据直流通路分析直流反馈。在如图11-5（c）所示直流通路中，）所示直流通路中，RE1和和RE2的串联电阻有着与上述交流负反馈过程同样的反馈作用。这个直流负反馈可的串联电阻有着与上述交流负反馈过程同样的反馈作用。这个直流负反馈可抑制晶体管静态电流的变化，能够稳定静态工作点。抑制晶体管静态电流的变化，能够稳定静态工作点。综上所述，综上所述，反馈元件反馈元件RE1引入的是电流串联交直流负反馈，反馈元件引入的是电流串联交直流负反馈，反馈元件RE2引引入的是电流串联直流负反馈。入的是电流串联直流负反馈。第 26 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈放大电路的一般表达式11.2.2由图由图11-4所示反馈放大电路的方框图可知，基本放大电路的放大所示反馈放大电路的方框图可知，基本放大电路的放大倍数倍数A（也称为开环放大倍数）为输出信号与净输入信号之比，即（也称为开环放大倍数）为输出信号与净输入信号之比，即上式中，上式中，反馈放大电路的输出信号与输入信号之比称为负反馈放大电路的闭环放反馈放大电路的输出信号与输入信号之比称为负反馈放大电路的闭环放大倍数大倍数Af，即，即反馈网络的反馈系数反馈网络的反馈系数F为反馈信号与基本放大电路输出信号为反馈信号与基本放大电路输出信号之比，即之比，即第 27 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈放大电路的一般表达式11.2.2在中频及以下频率范围内，放大倍数和反馈系数均在中频及以下频率范围内，放大倍数和反馈系数均为实数，因此，上式可写为：为实数，因此，上式可写为：由上式可以看出：由上式可以看出：放大电路采用负反馈，即放大电路采用负反馈，即|1AF|1时，时，|Af|A|，这表明引入负反这表明引入负反馈后，放大倍数下降。当馈后，放大倍数下降。当|1AF|1时称为深度负反馈，此时，时称为深度负反馈，此时，|Af|1/|F|，反馈放大电路的闭环放大倍数几乎与基本放大电路的，反馈放大电路的闭环放大倍数几乎与基本放大电路的A无关，仅与反馈网无关，仅与反馈网络的络的F有关。而反馈网络一般由无源线性元件构成，性能稳定，故有关。而反馈网络一般由无源线性元件构成，性能稳定，故Af也比较稳也比较稳定。定。当当|1AF|1时，时，|Af|A|，闭环放大倍数增大，电路转为正反馈，闭环放大倍数增大，电路转为正反馈，其性能不稳定。其性能不稳定。第 28 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈放大电路的一般表达式11.2.2 当当|1AF|1时，时，|Af|，即反馈放大电路在没有输入信号时也产生，即反馈放大电路在没有输入信号时也产生输出信号，这种现象称为自激振荡，简称自激。自激使放大电路失去放大作输出信号，这种现象称为自激振荡，简称自激。自激使放大电路失去放大作用，但有时为了产生各种电压或电流波形，我们也有意识地使反馈放大电路用，但有时为了产生各种电压或电流波形，我们也有意识地使反馈放大电路处于自激状态。处于自激状态。由上述分析可知，由上述分析可知，|1AF|对反馈放大电路性能的影响很大，故将其称为对反馈放大电路性能的影响很大，故将其称为反馈深度反馈深度。它反映负反馈的程度，是一个非常重要的参数。它反映负反馈的程度，是一个非常重要的参数。第 29 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路深度负反馈放大电路的特点11.2.3通常情况下，只要是多级负反馈放大电路，都可认为是深通常情况下，只要是多级负反馈放大电路，都可认为是深度负反馈。此时有度负反馈。此时有于是于是所以，在深度负反馈条件下，反馈信号所以，在深度负反馈条件下，反馈信号Xf与输入信号与输入信号Xi近似相等，净输入近似相等，净输入信号信号Xd0。对于串联负反馈，。对于串联负反馈，uiuf，ud0；对于并联负反馈，；对于并联负反馈，iiif，id0，ud0。在深度负反馈条件下，串联负反馈的在深度负反馈条件下，串联负反馈的rif；并联负反馈的；并联负反馈的rif0；电压负；电压负反馈的反馈的rof0；电流负反馈的；电流负反馈的rof。第 30 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路四种负反馈组态的分析11.2.4负反馈可分为电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电负反馈可分为电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈四种组态，如图流并联负反馈四种组态，如图11-6所示。所示。（a）电压串联负反馈）电压串联负反馈 （b）电压并联负反馈）电压并联负反馈第 31 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路四种负反馈组态的分析11.2.4（c）电流串联负反馈）电流串联负反馈 （d）电流并联负反馈）电流并联负反馈 图图11-6 负负反反馈馈的四种的四种组态组态第 32 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路四种负反馈组态的分析11.2.41电压串联负反馈如图如图11-6（a）所示为集成运放组成的电压串联负反馈电）所示为集成运放组成的电压串联负反馈电路。在深度负反馈条件下，根据分压公式可得反馈电压为路。在深度负反馈条件下，根据分压公式可得反馈电压为因因uiuf，故闭环电压放大倍数为：，故闭环电压放大倍数为：2电压并联负反馈如图如图11-6（b）所示为集成运放组成的电压并联）所示为集成运放组成的电压并联负反馈电路。在深度负反馈条件下，负反馈电路。在深度负反馈条件下，iiif，uu0，则反馈电流为：，则反馈电流为：第 33 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路四种负反馈组态的分析11.2.4于是于是3电流串联负反馈如图如图11-6（c）所示为集成运放组成的电流串联负反）所示为集成运放组成的电流串联负反馈电路。在深度负反馈条件下，则有馈电路。在深度负反馈条件下，则有所以所以第 34 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路4电流并联负反馈如图如图11-6（d）所示为集成运放组成的电流并联负反）所示为集成运放组成的电流并联负反馈电路。在深度负反馈条件下，馈电路。在深度负反馈条件下，iiif，uu0，则，则 根据分流公式得反馈电流为：根据分流公式得反馈电流为：所以所以由上述分析可知，在深度负反馈条件下，闭环放大倍数仅由一些电阻来由上述分析可知，在深度负反馈条件下，闭环放大倍数仅由一些电阻来决定，几乎与放大电路无关。决定，几乎与放大电路无关。四种负反馈组态的分析11.2.4第 35 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响11.2.51负反馈对放大倍数的影响 放大电路的放大倍数取决于放大器件的性能参数及电路元件的参数，当放大电路的放大倍数取决于放大器件的性能参数及电路元件的参数，当环境温度发生变化、器件老化、电源电压波动以及负载变化时，都会引起放环境温度发生变化、器件老化、电源电压波动以及负载变化时，都会引起放大倍数发生变化。在电路中引入负反馈后，通过上述分析可知，当处于深度大倍数发生变化。在电路中引入负反馈后，通过上述分析可知，当处于深度负反馈时，负反馈时，|Af|1/|F|，反馈放大电路的闭环放大倍数几乎与基本放大电路的，反馈放大电路的闭环放大倍数几乎与基本放大电路的A无关，仅与反馈网络的无关，仅与反馈网络的F有关，非常稳定。如果反馈网络是由纯电阻元件组有关，非常稳定。如果反馈网络是由纯电阻元件组成的，则成的，则F为一常数，此时，为一常数，此时，Af不仅十分恒定，而且与频率无关。不仅十分恒定，而且与频率无关。2负反馈对非线性失真的影响当输入信号的幅度较大或静态工作点设置不合适时，会造成输出信号的当输入信号的幅度较大或静态工作点设置不合适时，会造成输出信号的非线性失真，如图非线性失真，如图11-7（a）所示。引入负反馈后，可将输出端的失真信号反）所示。引入负反馈后，可将输出端的失真信号反送到输入端，使净输入信号发生某种程度的补偿，经放大后，输出信号的失送到输入端，使净输入信号发生某种程度的补偿，经放大后，输出信号的失真可大大减小，如图真可大大减小，如图11-7（b）所示。）所示。第 36 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响11.2.5（a）（b）图图11-7 利用利用负负反反馈馈改善非改善非线线性失真性失真第 37 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响11.2.5从本质上说，负反馈是利用失真的净输入波形来改善输出波形的失真，从本质上说，负反馈是利用失真的净输入波形来改善输出波形的失真，从而使输出信号的失真得到一定程度的补偿，因此，从而使输出信号的失真得到一定程度的补偿，因此，负反馈只能减小失真，负反馈只能减小失真，无法完全消除失真。无法完全消除失真。3负反馈对通频带的影响如果在放大电路中引入负反馈，在中频段，由于放大倍数较大，输出信如果在放大电路中引入负反馈，在中频段，由于放大倍数较大，输出信号较大，反馈信号也较大，通过负反馈作用是净输入信号减小得也较多，因号较大，反馈信号也较大，通过负反馈作用是净输入信号减小得也较多，因而，中频段的放大倍数有明显的降低。在高频段与低频段，放大倍数较小，而，中频段的放大倍数有明显的降低。在高频段与低频段，放大倍数较小，输出信号较小，反馈信号也较小，净输入信号减小得也较少，该频段的放大输出信号较小，反馈信号也较小，净输入信号减小得也较少，该频段的放大倍数减小较少。这样牺牲了放大倍数，却换取了频率特性的平坦，拓宽了电倍数减小较少。这样牺牲了放大倍数，却换取了频率特性的平坦，拓宽了电路的通频带。路的通频带。第 38 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响11.2.53负反馈对通频带的影响如图如图11-8所示为无反馈所示为无反馈和有负反馈两种情况的频和有负反馈两种情况的频率响应曲线。图中，率响应曲线。图中，fH和和fL分别为无反馈时的上、下分别为无反馈时的上、下限截止频率，限截止频率，fHf和和fLf分别分别为加负反馈时的上、下限为加负反馈时的上、下限截止频率。很明显，加负截止频率。很明显，加负反馈后，通频带被拓宽了。反馈后，通频带被拓宽了。图图11-8 负负反反馈馈拓展通拓展通频带频带第 39 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响11.2.54负反馈对输入电阻的影响输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因此，负反馈对输入输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，因此，负反馈对输入电阻的影响取决于所引入的负反馈是串联负反馈还是并联负反馈，而与输出电阻的影响取决于所引入的负反馈是串联负反馈还是并联负反馈，而与输出端的取样方式无关。端的取样方式无关。在串联负反馈电路中，如图在串联负反馈电路中，如图11-9（a）所示，其输入电阻）所示，其输入电阻rif为为可以看出，引入串联负反馈后，放大电路的输入电阻增加，增加的倍数可以看出，引入串联负反馈后，放大电路的输入电阻增加，增加的倍数为反馈深度（为反馈深度（1AF）。）。在并联负反馈电路中，如下图所示，其输入电阻在并联负反馈电路中，如下图所示，其输入电阻rif为：为：第 40 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响11.2.5可以看出，引入并联负反馈后，放大电路的输入电阻减小，减小的倍数可以看出，引入并联负反馈后，放大电路的输入电阻减小，减小的倍数也是反馈深度（也是反馈深度（1AF）。）。（a）（b）图图11-9 负负反反馈对输馈对输入入电电阻的影响阻的影响第 41 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响11.2.5输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，因此，负反馈对输出输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，因此，负反馈对输出电阻的影响取决于所引入的负反馈是电压负反馈还是电流负反馈，而与输入电阻的影响取决于所引入的负反馈是电压负反馈还是电流负反馈，而与输入端的连接方式无关。端的连接方式无关。在电压负反馈电路中，如图在电压负反馈电路中，如图11-6（a）和图）和图11-6（b）所示，从输出端向放）所示，从输出端向放大电路看进去，相当于基本放大电路与反馈网络并联。根据输出电阻的定义大电路看进去，相当于基本放大电路与反馈网络并联。根据输出电阻的定义可得可得5负反馈对输出电阻的影响可以看出，引入电压负反馈后，放大电路的输出电阻减小（可以看出，引入电压负反馈后，放大电路的输出电阻减小（1AF）倍，倍，这使其特性接近恒压源。当输出端接不同阻值的负载时，输出电压基本不变，这使其特性接近恒压源。当输出端接不同阻值的负载时，输出电压基本不变，因此，电压负反馈能稳定输出电压，带负载能力强。因此，电压负反馈能稳定输出电压，带负载能力强。第 42 页第11章 集成运算放大器11.2 负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响11.2.55负反馈对输出电阻的影响在电流负反馈电路中，如图在电流负反馈电路中，如图11-6（c）和图）和图11-6（d）所示，从输出端向放）所示，从输出端向放大电路看进去，相当于基本放大电路与反馈网络串联。根据输出电阻的定义大电路看进去，相当于基本放大电路与反馈网络串联。根据输出电阻的定义可得可得可以看出，引入电流负反馈后，放大电路的输出电阻增大（可以看出，引入电流负反馈后，放大电路的输出电阻增大（1AF）倍，）倍，这使其特性接近恒流源。当输出端接不同阻值的负载时，输出电流基本不变，这使其特性接近恒流源。当输出端接不同阻值的负载时，输出电流基本不变，因此，电流负反馈能稳定输出电流。因此，电流负反馈能稳定输出电流。过渡页第 43 页过渡页11.3 集成运算放大器的 线性应用11.3.1 比例运算电路11.3.2 加法运算电路11.3.3 减法运算电路11.3.4 积分运算电路11.3.5 微分运算电路第 44 页第11章 集成运算放大器11.3 集成运算放大器的线性应用11.3.1比例运算电路输入信号从反相输入端输入时，输入信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号相位相反，这样输出信号与输入信号相位相反，这样的集成运放电路为反相比例运算电路。的集成运放电路为反相比例运算电路。如图如图11-10所示，同相输入端通过电阻所示，同相输入端通过电阻R2接地，输入信号接地，输入信号ui经电阻经电阻R1送到反送到反相输入端，反馈电阻相输入端，反馈电阻Rf跨接在输出端跨接在输出端和反相输入端之间。和反相输入端之间。1反相比例运算电路图图11-10 反相比例运算反相比例运算电电路路根据集成运放的根据集成运放的“虚断虚断”和和“虚短虚短”可