工信版(中职）电工电子技术及应用第八章 运算放大器及其应用教学课件.ppt

YCF(中职）电工电子技术及应用第八章 运算放大器及其应用教学课件第八章第八章 运算放大器及其应用运算放大器及其应用第一节第一节 集成运算放大器集成运算放大器第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器第三节第三节 运算放大器的线性和非线性应用运算放大器的线性和非线性应用第一节第一节 集成运算放大器集成运算放大器一、集成运放的图形符号及外形一、集成运放的图形符号及外形 集成运算放大器的图形符号如集成运算放大器的图形符号如图图8-1所示。所示。u+为同相输入端，为同相输入端，由此端输入信号，输出信号与输入信号同相。由此端输入信号，输出信号与输入信号同相。u-为反相输入为反相输入端，由此端输入信号，输出信号与输入信号反相。端，由此端输入信号，输出信号与输入信号反相。U0为输出为输出端，端，+UCC接正电源，接正电源，-UCC接负电源。接负电源。常见集成运放的外形有双列直插式和圆壳式等，如常见集成运放的外形有双列直插式和圆壳式等，如图图8-2所示。所示。下一页下一页第一节第一节 集成运算放大器集成运算放大器二、集成运算放大器的组成二、集成运算放大器的组成 集成运算放大器的内部包括四个部分集成运算放大器的内部包括四个部分:输入级、输出级、中输入级、输出级、中间级和偏置电路。如间级和偏置电路。如图图8-4所示。所示。输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电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，能够抑制零点漂移和干扰信号。阻高，能够抑制零点漂移和干扰信号。中间级主要进行电压放大，要求电压放大倍数高，一般由中间级主要进行电压放大，要求电压放大倍数高，一般由共射极放大电路组成共射极放大电路组成 输出级与负载相接，要求其输出电阻低，带负载能力强，输出级与负载相接，要求其输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器组成一般由互补对称电路或射极输出器组成 偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置偏置电路的作用是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。电流，决定各级的静态工作点。下一页下一页上一页上一页第一节第一节 集成运算放大器集成运算放大器三、集成运算放大器的主要参数三、集成运算放大器的主要参数 开环电压放大倍数开环电压放大倍数Auo 指运放在无外加反馈情况下的空载指运放在无外加反馈情况下的空载电压放大倍数电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻rid 指运放在差模输入时的开环输入电阻指运放在差模输入时的开环输入电阻 开环开环输输出电阻出电阻r0 指运放无外加反馈回路时的指运放无外加反馈回路时的输输出电阻出电阻 共模抑制比共模抑制比KCMR 用来综合衡量运放的放大和抗零漂、抗共用来综合衡量运放的放大和抗零漂、抗共模干扰的能力模干扰的能力 输入失调电压输入失调电压Uio 数值上等于数值上等于输输出电压为零时两出电压为零时两输输入端之入端之间应施加的直流补偿电压间应施加的直流补偿电压 输入失调电流输入失调电流Iio 输输入信号为零时，两个入信号为零时，两个输输入端静态电流之入端静态电流之差差 最大输出电压最大输出电压Uopp 指运放在空载情况下，最大不失真输出指运放在空载情况下，最大不失真输出电压的峰电压的峰-峰值峰值上一页上一页返返 回回第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器 凡是将放大电路输出信号凡是将放大电路输出信号Xo(电压或电流电压或电流)的一部分或全部的一部分或全部通过某种电路通过某种电路(反馈电路反馈电路)引回到输入端，就称为反馈。若引回引回到输入端，就称为反馈。若引回的反馈信号削弱输入信号而使放大电路的放大倍数降低，则的反馈信号削弱输入信号而使放大电路的放大倍数降低，则称这种反馈为负反馈，若反馈信号增强输入信号，则为正反称这种反馈为负反馈，若反馈信号增强输入信号，则为正反馈。馈。图图8-6中分别为无负反馈的基本放大电路和带有负反馈的中分别为无负反馈的基本放大电路和带有负反馈的放大电路的方框图。放大电路的方框图。下一页下一页第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器一、反馈类型的判别方法一、反馈类型的判别方法1.有无反馈的判别有无反馈的判别 判断有无反馈，就是判断有无反馈通道，即在放大电路的判断有无反馈，就是判断有无反馈通道，即在放大电路的输出端与输入端之间有无电路连接，如果有电路连接，就有输出端与输入端之间有无电路连接，如果有电路连接，就有反馈，否则就没有反馈。反馈通道一般由电阻或电容组成反馈，否则就没有反馈。反馈通道一般由电阻或电容组成 2.正、负反馈的判断正、负反馈的判断 用瞬时极性法，首先在放大器输用瞬时极性法，首先在放大器输入入端设输端设输入入信号的极性信号的极性“+”或或“-”，再依次按相关点的相位变化推出各点对地交，再依次按相关点的相位变化推出各点对地交流瞬时极性，最后根据反馈回输流瞬时极性，最后根据反馈回输入入端端(或输或输入入回路回路)的反馈信号的反馈信号瞬时极性看其效果，使净输瞬时极性看其效果，使净输入入信号减少的是负反馈，否则是信号减少的是负反馈，否则是正反馈。正反馈。下一页下一页上一页上一页第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器一、反馈类型的判别方法一、反馈类型的判别方法 3.电流、电压反馈的判断电流、电压反馈的判断 如如图图8-8所示，反馈信号取自于输出电压，且所示，反馈信号取自于输出电压，且Xf uo，是电，是电压反馈压反馈;若反馈信号取自于输出电流，且若反馈信号取自于输出电流，且Xf io，是电流反馈。，是电流反馈。4.交、直流反馈的判断交、直流反馈的判断 直流通道中所具有的反馈称为直流反馈。在交流通道中所直流通道中所具有的反馈称为直流反馈。在交流通道中所具有的反馈称为交流反馈。具有的反馈称为交流反馈。5.串联、并联反馈的判断串联、并联反馈的判断 如如图图8-7所示，若输入信号所示，若输入信号ui与反馈信号与反馈信号uf在输入端相串联，在输入端相串联，且以电压相减的形式出现，即且以电压相减的形式出现，即ud=ui-uf为串联负反馈为串联负反馈;若输入若输入信号信号ii与反馈信号与反馈信号if在输入回路并联且以电流相减形式出现，在输入回路并联且以电流相减形式出现，即即if=ii-if为并联负反馈为并联负反馈下一页下一页上一页上一页第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器二、负反馈放大器的四种组态二、负反馈放大器的四种组态 图图8-9(a)所示电路，从输入端看，净所示电路，从输入端看，净输输入入id=ii-if，因此是并，因此是并联反馈。从反馈量看联反馈。从反馈量看if=-uo/Rf0(由图中由图中uo的实际极性可知，的实际极性可知，uo0(由图中由图中uo的实际极的实际极性可知，性可知，uo0)，因此既是负反馈，又是电压反馈。综上所述，因此既是负反馈，又是电压反馈。综上所述，反馈组态为电压串联负反馈。反馈组态为电压串联负反馈。下一页下一页上一页上一页第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器二、负反馈放大器的四种组态二、负反馈放大器的四种组态 图图8-9(c)所示电路，从所示电路，从输输入端看，净入端看，净输输入入id=ii-if，因此是并，因此是并联反馈。由虚地可看出联反馈。由虚地可看出Rf与与R相当于并联的关系，所以反馈量相当于并联的关系，所以反馈量if=-Rio/(Rf+R)0(由图中由图中io的实际方向可知，的实际方向可知，io0(由图中由图中io的实际方向可知，的实际方向可知，io0)，因，因此既是负反馈，又是电流反馈。如果将愉出此既是负反馈，又是电流反馈。如果将愉出uo短接，反馈信短接，反馈信号仍然存在，也可判断出是电流反馈。综上所述，反馈组态号仍然存在，也可判断出是电流反馈。综上所述，反馈组态为电流串联负反馈。为电流串联负反馈。下一页下一页上一页上一页第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器三、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 1.改善非线性失真改善非线性失真 如如图图8-10所示，假定输出的失真波形是正半周大、负半周所示，假定输出的失真波形是正半周大、负半周小，负反馈信号电压小，负反馈信号电压uf与输入信号与输入信号ui进行叠加后使净输入信号进行叠加后使净输入信号ud产生预失真，即正半周小、负半周大。产生预失真，即正半周小、负半周大。2.降低放大倍数及提高放大倍数的稳定性降低放大倍数及提高放大倍数的稳定性 根据图根据图8-6(b)，可以推导出具有负反馈，可以推导出具有负反馈(闭环闭环)的放大电路的的放大电路的放大倍数为放大倍数为 上式中的上式中的(1+AF)是衡量负反馈程度的一个重要指标，称为是衡量负反馈程度的一个重要指标，称为反馈深度反馈深度下一页下一页上一页上一页第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器三、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3.对输入电阻和输出电阻的影响对输入电阻和输出电阻的影响 (1)负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响 取决于反馈信号在输取决于反馈信号在输入入端的端的连接方式。串联负反馈使输入电阻提高，并联负反馈使输连接方式。串联负反馈使输入电阻提高，并联负反馈使输入入电阻降低电阻降低 (2)负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响 取决于输出端反馈信号的取取决于输出端反馈信号的取样方式。电压负反馈降低输出电阻，目的是稳定输出电压样方式。电压负反馈降低输出电阻，目的是稳定输出电压;电电流负反馈提高输出电阻，目的是稳定输出电流流负反馈提高输出电阻，目的是稳定输出电流下一页下一页上一页上一页第二节第二节 负反馈放大器负反馈放大器三、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 4.拓展通频带拓展通频带 通频带是放大电路的重要指标，放大器的放大倍数和输入通频带是放大电路的重要指标，放大器的放大倍数和输入信号的频率有关。定义放大倍数为最大放大倍数的信号的频率有关。定义放大倍数为最大放大倍数的 倍以倍以上所对应的频率范围为放大器的通频带。在一些要求有较宽上所对应的频率范围为放大器的通频带。在一些要求有较宽频带的音、视频放大电路中，引人负反馈是拓展频带的有效频带的音、视频放大电路中，引人负反馈是拓展频带的有效措施之一。措施之一。放大器引入负反馈后，将引起放大倍数的下降，在中频区，放大器引入负反馈后，将引起放大倍数的下降，在中频区，放大电路的输出信号较强，反馈信号也相应较大，使放大倍放大电路的输出信号较强，反馈信号也相应较大，使放大倍数下降得较多数下降得较多;在高频区和低频区，放大电路的输出信号相对在高频区和低频区，放大电路的输出信号相对较小，反馈信号也相应减小，因而放大倍数下降得少些。如较小，反馈信号也相应减小，因而放大倍数下降得少些。如图图8-14所示，加所示，加入入负反馈之后，幅频特性变得平坦，通频带负反馈之后，幅频特性变得平坦，通频带变宽。变宽。上一页上一页返返 回回第三节第三节 运算放大器的线性和非线性运算放大器的线性和非线性应用应用一、运放的线性应用一、运放的线性应用 1.信号运算电路信号运算电路 (1)同相比例运算同相比例运算 图图8-15(a)为同相比例运算电路，信号为同相比例运算电路，信号ui接到同相输入端，接到同相输入端，Rf引引入入负反馈。在同相比例运算的实际电负反馈。在同相比例运算的实际电路中，也应使路中，也应使R2=R1/Rf，以保证两个输，以保证两个输入入端处于平衡状态。端处于平衡状态。(2)反相比例运算反相比例运算 图图8-17为反相比例运算电路。输为反相比例运算电路。输入入信号信号ui经电阻经电阻R1接到集成运放的反相输接到集成运放的反相输入入端，同相输端，同相输入入端经电阻端经电阻R2接接“地地”。输出电压。输出电压uo经电阻经电阻Rf接回到反相输接回到反相输入入端。在实际端。在实际电路中，为了保证运放的两个输电路中，为了保证运放的两个输入入端处于平衡状态，应使端处于平衡状态，应使R2=R1/Rf (3)反相比例求和电路如果反相输入端有若干个输入信号，反相比例求和电路如果反相输入端有若干个输入信号，则构成反相比例求和电路，也叫加法运算电路，如则构成反相比例求和电路，也叫加法运算电路，如图图8-18所所示。平衡电阻示。平衡电阻R2=R11/R12/R13/Rf下一页下一页第三节第三节 运算放大器的线性和非线性运算放大器的线性和非线性应用应用一、运放的线性应用一、运放的线性应用 2.信号变换电路信号变换电路(1)电流电流-电压变换器电流电压变换器电流 电流电流-电压变换电路如电压变换电路如图图8-20所示，所示，运放在理想状态下，有运放在理想状态下，有下一页下一页上一页上一页第三节第三节 运算放大器的线性和非线性运算放大器的线性和非线性应用应用一、运放的线性应用一、运放的线性应用 2.信号变换电路信号变换电路 (2)电压电压-电流变换电路电流变换电路 将输入电压变换成与之成正比的输将输入电压变换成与之成正比的输出电流的电路，称为电压一电流变换器。如出电流的电路，称为电压一电流变换器。如图图8-21(a)所示为所示为反相输入式电压一电流变换器。其中反相输入式电压一电流变换器。其中R1为输入电阻，为输入电阻，RL为负为负载电阻，载电阻，R2为平衡电阻。在理想条件下，运放的输入电流为为平衡电阻。在理想条件下，运放的输入电流为零，所以有零，所以有 图图8-21(b)所示为同相输入式电压所示为同相输入式电压-电流变换器。根据理想电流变换器。根据理想运放的条件，有运放的条件，有下一页下一页上一页上一页第三节第三节 运算放大器的线性和非线性运算放大器的线性和非线性应用应用二、运算放大器的非线性应用二、运算放大器的非线性应用 电压比较器是一种模拟信号的处理电路。它将模拟信号输电压比较器是一种模拟信号的处理电路。它将模拟信号输入电压与参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较的入电压与参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较的结果只需要反映输入量比参考量是大、还是小，所以用正、结果只需要反映输入量比参考量是大、还是小，所以用正、负两值就可以表示输出结果。因此应用集成运放构成比较器负两值就可以表示输出结果。因此应用集成运放构成比较器时，集成运放应工作在非线性区时，集成运放应工作在非线性区(饱和区饱和区)，即开环状态。，即开环状态。图图8-22(a)为电压比较器中的一种。加在同相输入端的为电压比较器中的一种。加在同相输入端的UR是参考是参考电压，输入电压电压，输入电压ui加在反相输入端。由于运放开环电压放大加在反相输入端。由于运放开环电压放大倍数很高，即使输入端有微小的差值信号，也会使输出电压倍数很高，即使输入端有微小的差值信号，也会使输出电压饱和。饱和。图图8-22(b)为电压比较器的传输特性为电压比较器的传输特性下一页下一页上一页上一页第三节第三节 运算放大器的线性和非线性运算放大器的线性和非线性应用应用二、运算放大器的非线性应用二、运算放大器的非线性应用 当当UR=0时，输入电压和零电压比较，称为过零比较器，其时，输入电压和零电压比较，称为过零比较器，其传输特性如传输特性如图图8-23(a)所示。当所示。当ui为正弦电压时，为正弦电压时，uo为矩形波为矩形波电压，实现了波形的转换，如电压，实现了波形的转换，如图图8-23(b)所示。比较器在自动所示。比较器在自动控制及自动测量系统中应用十分广泛。控制及自动测量系统中应用十分广泛。上一页上一页返返 回回图图8-1 集成运算放大器的图形符号集成运算放大器的图形符号返返 回回图图8-2 集成运放外形图集成运放外形图返返 回回图图8-4 集成运算放大器组成框图集成运算放大器组成框图返返 回回图图8-6 反馈放大电路框图反馈放大电路框图返返 回回图图8-7 正负反馈及串并联反馈的判正负反馈及串并联反馈的判别别返返 回回图图8-8 电压、电流反馈判别电压、电流反馈判别返返 回回图图8-9 四种类型负反馈四种类型负反馈(a)、(b)返返 回回图图8-9 四种类型负反馈四种类型负反馈(c)、(d)返返 回回图图8-10 负反馈对非线性失真的改善负反馈对非线性失真的改善返返 回回图图8-14 负反馈展宽放大器的通频带负反馈展宽放大器的通频带返返 回回图图8-15 同相比例运算电路同相比例运算电路返返 回回图图8-17 反相比例运算电路反相比例运算电路返返 回回图图8-18 反相比例求和电路反相比例求和电路返返 回回图图8-20 电流电流-电压变换电路电压变换电路返返 回回图图8-21 电压电压-电流变换电路电流变换电路返返 回回图图8-22 电压比较器电压比较器返返 回回图图8-23 过零比较器过零比较器返返 回回