第7章集成运算放大器.pptx

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1、John Bardeen,Walter Brattain,and William Shockley 贝尔（Bell）实验室，1947年 双极型晶体管，1956年获Nobel Prize第1页/共108页第一片集成电路（IC）的诞生Jack St.Clair Kilby 因数学不及格成为MIT落榜生1958.5，进入TI开发部，开发打印电子电路。2个月，开始试做集成电路，几个月后做出原型由5个元器件组成。随后，TI集成了571个元器件，完成了美国空军计算机研制项目，使计算机体积由78立方英尺的庞然怪物变成只有6.5立方英寸由此，集成电路（IC）获得广泛应用第2页/共108页第一片集成电路（IC）

2、的诞生1959 年Fairchild Semiconductor，Robert Noyce也提出IC的概念，更接近于现代IC的概念，而Kilby仅仅是将元件捆绑在一起二人均被认为是IC的发明人第3页/共108页第4页/共108页集成运放的诞生1963年 Fairchild Semiconductor（仙童半导体公司，现更名为飞兆）发布第一片集成电路运算放大器（op-amp），发明人Robert J.(Bob)Widlar A702，随后发布A709获得应用1965年Widlar 跳槽到 National Semiconductor,1967年发布LM1011968年，仙童更新，发布后来广泛应用

3、的（设计人Dave Fullagar）A741。至此，集成运放获得广泛应用并得以飞速发展第5页/共108页1970年 Analog Device设计出高速FET运放1972年National Semiconductor公司Russell and Frederiksen 引入新技术设计出LM3241973年AD公司推出高精度运放AD741第6页/共108页其它模拟集成电路（IC）包括Voltage regulators（电压调整器）Timers（定时器）Function generators（函数发生器）Phase-locked loops（PLL锁相环）Analog-to-digital(A/

4、D)convertersDigital-to-analog(D/A)convertersSample-and-hold amplifiers（采样-保持放大器）第7页/共108页放大器分类Audio AmplifiersCurrent Sense AmplifiersDifferential AmplifiersInstrumentation AmplifiersOperational Amplifiers(Op Amps)Isolation Amplifiers.etc _from Analog Devices第8页/共108页3.1集成运放的结构和参数集成运放的结构和参数3.1 集成运算结

5、构、特性和分析依据集成运算结构、特性和分析依据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.输入级输入级偏置电路偏置电路输出级输出级中间级中间级输入级 差动放大器输出级 射极输出器或互补对称功率放大器中间级 电压放大器偏置电路 由镜像恒流源等电路组成1.1.集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图集成运放的内部电路结构框图第9页/共108页输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级输出输出2.2.集成运放集成运放集成运放集成运放 741741的的的的原理电路图原理电路图原理电路图原理电路图反

6、相输入同相输入+UCCuo+-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C第10页/共108页uiuou+u+3.112345678 A74A741 1+UCC空空脚脚输出输出端端调零调零电位器电位器集成运放的电路符号集成运放的电路符号集成运放的电路符号集成运放的电路符号反相反相输入输入同相同相输入输入-UEE调零调零电位器电位器 A741A741的引脚排列的引脚排列的引脚排列的引脚排列输出端输出端反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端信号传输方向理想理想运放开环电压放大倍数

7、ui=u u+或或 ui=u+u A实际实际运放开环电压放大倍数第11页/共108页国际通用符号+第12页/共108页3.1（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数 Auo；(Auo 104)运放线性工作状态下的差模电压放大倍数运放线性工作状态下的差模电压放大倍数（2）开环差模输入电阻）开环差模输入电阻 rid；(rid 105 )（3）开环输出电阻）开环输出电阻 ro；(ro 104，或，或80dB)（6）通频带）通频带 fBW3.3.集成运放的主要参数集成运放的主要参数集成运放的主要参数集成运放的主要参数 运放的性能指标用以下参数来表示，运放的参数繁多，只介绍涉及差模特性和共模特性的主要参

8、数。第13页/共108页Ii=0Zi=Zo=0Ao=+-等效电路第14页/共108页3.1集成运放的理想化模型集成运放的理想化模型1.开环电压放大倍数 Auo 2.开环差模输入电阻 rid 3.开环输出电阻 ro 04.共模抑制比 KCMR 5.通频带 fBW 运放的理想化模型是一组理想化的参数，是将实际运放等效为理想运放的条件。第15页/共108页3.1集成运放的电压传输特性和分析依据集成运放的电压传输特性和分析依据 1.1.运放的电压传输特性运放的电压传输特性运放的电压传输特性运放的电压传输特性实实实实际际际际运运运运放放放放理理理理想想想想运运运运放放放放 定义：定义：uo=f(ui)，

9、其中其中 ui =u+u 问题问题:若定义若定义 u ui i =u u u u+，电压传输特性有何变化电压传输特性有何变化？UOMUOMuoui0UOMUOMUimUimuiuo0uiuou+u+线性区非线性区在开环条件下，运放的线性区非常窄，Uim为 V量级。第16页/共108页3.1 2.2.运放工作在线性区的分析依据运放工作在线性区的分析依据运放工作在线性区的分析依据运放工作在线性区的分析依据相当于相当于两输入端之间两输入端之间短路短路。对于理想运放对于理想运放 rid 即 u u u u+相当于相当于两输入端之间两输入端之间断路断路。有 i ii i 0 0（2 2）“虚短路虚短路虚

10、短路虚短路”原则原则原则原则（1 1）“虚断路虚断路虚断路虚断路”原则原则原则原则+iiuiriduo+iiuiuo+对于理想运放对于理想运放 Auo ，ui 0运放在线性区符合运算关系u uo o=A Au uo o u ui i第17页/共108页3.1因为存在负反馈信号,同相输入端 不是不是“虚地虚地”！（3 3）“虚地虚地虚地虚地”的概念的概念的概念的概念由由“虚断路虚断路”原则原则 ii=0,有有 u+=0 u_ u+=0结论：反相输入端为反相输入端为 “虚地”。当同相输入端接地时，当同相输入端接地时，由“虚短路”原则u+iiuo+R1RFR2u_ui+iiuo+R1RFR2u_u+

11、ui注意注意当反相输入端接地时,运放工作在运放工作在线性线性线性线性状态的必要条件：状态的必要条件：运放必须加上深度负反馈运放必须加上深度负反馈。第18页/共108页3.1分析依据：分析依据：分析依据：分析依据：“虚断路”原则仍然成立。对于理想运放对于理想运放相当于两输入端之间相当于两输入端之间 断路断路 注意注意:“虚短路虚短路”原则原则 不成立不成立！有 i ii i 0 0 3.3.运放工作在非线性区的分析依据运放工作在非线性区的分析依据运放工作在非线性区的分析依据运放工作在非线性区的分析依据+iiuiuo+非线性区：非线性区：非线性区：非线性区：当输入信号变化时，输出信号并不随之变化。

12、u ui i U Uim im 时，时，u uo o=+=+U UOM OM u ui i R4，可忽略RF在输出回路对R4 的分流作用例例:反相比例运算电路如图，设:RFR4，求Auf。uouiR2R1RF +i1ifidaR4R3uo+得由虚地有：R2=?第22页/共108页3.22.2.同相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路 由虚断路由虚断路 id=0，有，有 u+=ui 由虚短路 u+=u 由分压关系闭环电压放大倍数 平衡电阻R R2 2=R R1 1/R RF F故有uouiR2R1RF +uf +idu+u得第23页/共108页3.23.3.同相跟随器同相

13、跟随器可得 u uo o=u ui iuoui+由虚短路 u+=u 电压放大倍数 A Auouo=1=1同相跟随器的特点同相跟随器的特点具有射极输出器的所有优点1.输出电压uo 与输入电压ui同相且相等，故称为同相 跟随器或电压跟随器，而且性能更加优良。2.同相跟随器的输入电阻很高（约为运放的开环输入 电阻），几乎不从信号源吸取电流；3.输出电阻很低，带负载能力强。第24页/共108页 在改变比例系数在改变比例系数时，将涉及电路中时，将涉及电路中所有电阻参数，故所有电阻参数，故调整比较困难。调整比较困难。3.2利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析2.2.差动差动差动差动比例运算电路比例运算

14、电路比例运算电路比例运算电路 ui2ui1ui2ui1 单独作用时，输出分量为ui2 单独作用时，输出分量为ui1 和 ui2 共同作用时，输出为ui1RF R2R1+u+R3uo平衡电阻R R2 2/R R3 3=R R1 1/R RF F第25页/共108页小结：运放线性应用的分析方法小结：运放线性应用的分析方法1.反相输入 2.同相输入3.差动输入再代入KCL方程，导出 uo与 ui 的关系再代入方程 u+=u-，导出uo与ui的关系利用虚地原则，导出 ui、uo与电流的关系，利用虚断路原则，导出 ui与u+的关系，uo与u-的关系利用叠加原理，分别求反相输入的输出分量 uo 和同相输入

15、的输出分量 uo在输出端叠加 uo=uo+uo以上分析方法不仅可用于比例运算，也可用于其它线性电路.3.2第26页/共108页型号输入阻抗输出阻抗开环放大倍数CMRR（dB）价格带宽（MHz）特点741C2M75250007011低成本101800k低250007011低成本108A70M低8000096-1精密放大351高低250007024318高低2500070515357高低5000080420363高低100000094452低噪声、高精度356高低250008035741改进型常用运放的参数常用运放的参数第27页/共108页基本运算电路的综合运用基本运算电路的综合运用反向求和（加）

16、法反向求和（加）法i1ifidauoui1R3R1RF +ui2R2i2u-虚地，有虚地，有第28页/共108页同向求和（加）法同向求和（加）法uoui1R1R4RF +uf +idu+uui2R2R3有可导出可导出uo与与 ui1、ui2的关系的关系电阻之间的匹配复杂吗？电阻之间的匹配复杂吗？第29页/共108页解决方法解决方法i1ifidauo1ui1R3R1RF1 +ui2R2i2uoR5R4RF2 +第30页/共108页i1ifidauo1ui1R3R1RF1 +ui2R2i2uoR5R4RF2 +这样的问题，如何如何解决？这样的问题，如何如何解决？ui3R6第31页/共108页设计一

17、个放大电路，实现如下运算uouiR2R1RF +uf +idu+u第32页/共108页3.2模拟运算电路模拟运算电路 在集成运放发展的早期，主要用于模拟计算机的加、减、乘、除、积分、微分、对数和指数等各种运算，故将“运算放大器”的名称保留至今。下面通过例题说明的运放线性应用。例例1 1：电路如图，试推导其运算关系式；并根据 ui 波形，画出uo的波形。由虚地R1CFR2+uoA2ui i1if+uCF 代入 i1=if，并整理，得反相积分电路 当输入为方波时，在输出电压的当输入为方波时，在输出电压的线性范围内，输出为三角波。线性范围内，输出为三角波。uiuo解：第33页/共108页3.2例例2

18、 2：求输出信号 uo 与输入信号 ui 的运算关系式(设R1=R2)。A1：反相加法运算；A2：反相积分运算R1RFR2R4CR5+uoui1A2A1R3uo1 ui2解：结论结论结论结论:对于多级电路对于多级电路,各级分别求解各级分别求解,A A1 1的输出为的输出为A A2 2的输入的输入.第34页/共108页3.2例例3 3：求输出信号 uo 与输入信号 ui 的运算关系式；并根据 ui 波形，画出 uo 的波形。解：RFC1R+uouiA2 i1if 反相微分运算由虚地，有代入 i1=if，并整理，得 当输入为方波时，在输出电压的当输入为方波时，在输出电压的线性范围内，输出为尖脉冲。

19、线性范围内，输出为尖脉冲。uiuo第35页/共108页解：利用叠加原理：3.2当ui1、ui2分别作用时，有当 ui1、ui2共同作用例例4 4：电路如图，试推导其电压放大倍数为 。放大倍数uoR1+A1R4ui1+A2R3R1ui2R2R2 第36页/共108页例例5 5：PID调节器电路如图，推导 uo 与 ui 的运算关系式。整理得整理得i1=iC1+iR1 uo=uRF+uCF代入 i1=if 解：由KCL由虚地由KCLP P 比例比例I I 积分积分D D 微分微分3.2uoRC1+uiRFCFR1 i1iC1iR1if+uRF+uCF 第37页/共108页例例5 5：PID调节器电

20、路如图，推导 uo 与 ui 的运算关系式。P P 比例比例I I 积分积分D D 微分微分3.2特例特例：若将 RF 短路，则有电路成为PIPI调节器调节器。若将 CF 短路，则有uCF=0，有电路成为PDPD调节器调节器。uoRC1+uiRFCFR1 i1iC1iR1if+uRF+uCF 第38页/共108页3.2例例6 6：测量放大器电路如图，推导 uo 与输入的运算关系式。解：第一级由A1和A2组成同相并联差动运算电路，有很好的对称性，第二级A3为减法运算电路。由虚短路 uA=u1=ui1uB=u2=ui2调整RP,可改变电路的电压放大倍数。uoRP R1+R1RRFuo2AB+ui1

21、A1+A2A3ui2uo1RRF第39页/共108页实例：温度测量放大电路实例：温度测量放大电路Pt100铂电阻的铂电阻的0100的关系式为的关系式为设计一个温度检测电路，将设计一个温度检测电路，将0100的温度变的温度变化变换为化变换为05V的电压输出。的电压输出。温度标度值温度标度值温度020406080100阻值100107.816115.6321123.4481131.2642139.0802第40页/共108页+5VVCCR1R1R2Rtui取取R1R2，R2=100有温度020406080100阻值100107.816115.6321123.4481131.2642139.0802

22、输出ui00.01300.02610.03910.05210.0651取取R1=3k第41页/共108页接下来的工作，需要将差动信号放大为接下来的工作，需要将差动信号放大为05V的单极性电压信号的单极性电压信号需要的电路有：差动放大电路需要的电路有：差动放大电路后续设计参见习题后续设计参见习题7.18和例和例6第42页/共108页例：如图电路，求例：如图电路，求uoui1ui2+_+_uiuoRRRRAB解：如图所示，有解：如图所示，有VA=ui1，VB=ui2uo2第43页/共108页设计一个放大电路，输入信号满量程变化范围为-5+5V，现需输出满量程为0+5V。5-52.5第44页/共10

23、8页uouiR2R1RF +2.5VR3参数请自行计算第45页/共108页3.33.3 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈反馈的基本概念反馈的基本概念AFxoxixdxf xi 总输入信号xd 净输入信号1.1.什么是反馈什么是反馈什么是反馈什么是反馈 将放大器输出信号的一部分将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。或全部经反馈网络送回输入端。反馈框图反馈框图放大电路反馈网络2.2.开环和闭环开环和闭环开环和闭环开环和闭环开环：信号只有正向传输闭环：信号既有正向传输，也有反向传输，即存在反馈。xo 输出信号xf 反馈信号 x 既可以是电压，也可以是电流。既可以是电压，也可以是电流

24、。第46页/共108页3.3闭环放大倍数闭环放大倍数的一般表达式的一般表达式1+AF 称为反馈深度称为反馈深度AF 称为环路增益称为环路增益AFxoxixdxf 4.4.负反馈放大器的一般分析负反馈放大器的一般分析负反馈放大器的一般分析负反馈放大器的一般分析正反馈正反馈 xd=xi+xf负反馈负反馈 xd=xi xf3.3.正反馈和负反馈正反馈和负反馈正反馈和负反馈正反馈和负反馈加强了输入信号加强了输入信号削弱了输入信号削弱了输入信号开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数第47页/共108页3.3当 1+AF 1 时，（即深度负反馈）用来估算用来估算放大倍数放大倍数深度负反馈时深度负反馈时深

25、度负反馈时深度负反馈时的闭环放大倍数的闭环放大倍数闭环放大倍数闭环放大倍数的一般表达式的一般表达式1+AF 称为反馈深度称为反馈深度AF 称为环路增益称为环路增益AFxoxixdxf 4.4.负反馈放大器的一般分析负反馈放大器的一般分析负反馈放大器的一般分析负反馈放大器的一般分析开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数第48页/共108页3.31.1.电压串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈 负反馈的四种典型组态负反馈的四种典型组态 电压反馈输出端电流反馈输入端串联反馈并联反馈四种四种类型类型主要分析交流负反馈的类型及其判别。+AFRLuo+uS+ui+udufRS+12342

26、 1 3 4 在2-2，反馈网络 F 与放大电路A相并联，即输出电压 uo加在F 的输入端 3-3，故必有反馈网络的输出信号 uf uo，uf的变化也必然反映uo的变化。将这种对输出电压进行采样的反馈方式称为电压反馈电压反馈。电压负反馈稳定输出电压。第49页/共108页3.31.1.电压串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压串联负反馈+AFRLuo+uS+ui+udufRS+12342 1 3 4 在放大电路的输入端，反馈信号与输入信号相串联，并均以电压形式出现进行比较,故为串联反馈串联反馈。ud=ui uf当三个电压极性相同时，有 ud ui。串联负反馈的反馈效果与RS有关，RS越小，u

27、S 越接近恒压源，输入电压 ui 越稳定，uf 的变化对ud 的影响越大，反馈效果就越明显。特别是当RS=0 时，uf 的变化全部转化成 ud 的变化，反馈效果最好。反馈的加入使净输入信号减小，故为负反馈负反馈。第50页/共108页3.3反馈电路举例：同相比例运算电路反馈电路举例：同相比例运算电路将电路与负反馈框图对比可见：ud uf +RL+R1R2RF+uoA+ui+F Fud+ufRLR1R2RF+uoA+ui+AFRLuo+uS+ui+udufRS+12342 1 3 4 运放为基本放大电路A，反馈网络F 由电阻RF和R1串联组成。总输入电压 ui、反馈电压 uf、和净输入电压ud，三

28、者均以电压形式出现 故为串联反馈；uf 与uo 成正比 为电压反馈;第51页/共108页3.3F Fud+ufRLR1R2RF+uoA+ui+AFRLuo+uS+ui+udufRS+12342 1 3 4 反馈电压将输出电压的一部分送回到输入端。在输入回路，三个电压均为真实极性，有ud=ui uf ui 为负反馈反馈系数由于引入深度负反馈此式与前边的推导相同。反馈类型：电压串联负反馈电压串联负反馈第52页/共108页T+uiuoRSC1RBC2RERLVCC+_第53页/共108页3.32.2.电压并联负反馈电压并联负反馈AFRL+uo+RSifiSiiidui 从输入端分析，反馈网络输出端与

29、放大器输入端相并联，反馈信号与输入信号进行并联比较，故为并联反馈。输入端从输出端分析仍为电压反馈；当三个电流的实际方向与图中的假定方向相同时，有id ii if 的引入使净输入电流减小，故为负反馈。三个信号必定以电流 if 的形式出现，其关系为 id=ii if。并联负反馈的反馈效果与信号源内阻RS有关，RS的阻值越大,信号源越接近恒流源，输入电流 ii 越稳定。特别是当RS 开路时，if 的变化全部转化成 id 的变化，反馈效果最好。第54页/共108页3.3FRL+R1R2RF+uoAiiidif+ui+ab反馈电路举例：反相比例运算电路反馈电路举例：反相比例运算电路结论结论结论结论：反馈

30、类型为 电压并联负反馈电压并联负反馈。放大电路A仍为运放；反馈网络F由电阻RF构成，它将输出电压转换成反馈电流 if。由“虚地”，有 uo 为电压反馈 输入端三个量均以电流形式出现，故为并联反馈。id=ii ifif 的真实极性为从ab，有 ii 为负反馈AFRL+uo+RSifiSiiidui第55页/共108页T+uiuoRSC1RBC2RERLVCC+_第56页/共108页 在输出端，反馈网络与放大电路为串联，反馈信号取自输出电流io(即负载RL中的电流),形成电流反馈，因此构成电流串联负反馈。3.33.3.电流串联负反馈电流串联负反馈+AFRLuo+uS+ui+udufRS+io由“虚

31、断路”，有 iR1 ioF FioiR1ud+ufRLR1R2A+ui+uo反馈电路举例：电压控制电流源反馈电路举例：电压控制电流源电流负反馈能够稳定输出电流。反馈电压为 uf=iR1R1 io R1uf io 为电流反馈；ud=ui uf ui 为串联负反馈结论结论结论结论：反馈类型为 电流串联负反馈电流串联负反馈。从输入端分析为串联负反馈。第57页/共108页T+uoRCRSusC1C2RLRB2RB1RE1RE2VCC+第58页/共108页3.34.4.电流并联负反馈电流并联负反馈AF+RSifiSiiiduiRLuo+io 由以上三种反馈类型的分析结论及框图中输入、输出回路的联接方式可

32、看出，其反馈类型为电流并联负反馈。反馈电路举例反馈电路举例F F+uoRFR2R1+ifRRL+uRioiiidiR+ui反馈网络由RF和采样电阻R组成。设RF R，有if io，可认为在输出端 uR=(io+if)R io R由“虚地”在输入端 id=ii if ii结论结论结论结论：反馈类型为 电流并联负反馈电流并联负反馈。第59页/共108页T1+uoRC1RSusC1RLRE1RE2VCCT2RC2C2RF+_第60页/共108页3.3反馈类型的判别反馈类型的判别 对于单级运放，若反馈元件从运放输出端连接到反相输入端时，构成负反馈。这是由于输出信号与输入信号极性相反，必然削弱输入信号，

33、使xd xi，因此形成正反馈。对于多级电路，则需用瞬时极性法进行判别(见例题)。1.1.正反馈和负反馈的判别正反馈和负反馈的判别正反馈和负反馈的判别正反馈和负反馈的判别 反馈类型的判别：是指判别正、负反馈；串联、并联反馈类型的判别：是指判别正、负反馈；串联、并联反馈；电压、电流反馈，重点讨论交流反馈类型的判别。反馈；电压、电流反馈，重点讨论交流反馈类型的判别。反馈性质的判别反馈性质的判别反馈性质的判别反馈性质的判别 若已判定某反馈为正反馈，则不必进行其他反馈类型的判别；只有判定为负反馈时，才需要判别其反馈类型。第61页/共108页2.2.串联负反馈和并联负反馈的判别串联负反馈和并联负反馈的判别

34、串联负反馈和并联负反馈的判别串联负反馈和并联负反馈的判别3.3.电压负反馈和电流负反馈的判别电压负反馈和电流负反馈的判别电压负反馈和电流负反馈的判别电压负反馈和电流负反馈的判别 一般来说，若xf 与 xi分别接到运放的两个输入端时,二者必以电压形式在输入端进行比较，即净输入信号ud=ui uf。所以凡以电压形式进行比较的，即是串联反馈串联反馈；若 xf 与 xi 接到运放的同一个输入端时，二者必以电流分流的形式在输入端进行比较,即净输入信号id=ii if。所以凡以电流形式在进行比较的，即是并联反馈并联反馈。在输入端进行在输入端进行在输入端进行在输入端进行 在输出端进行在输出端进行在输出端进行

35、在输出端进行 在放大电路输出端，根据反馈信号的采样方式来区别电压负反馈或电流负反馈。一种简单的判别方法：设将负载 RL两端对交流短路，或在负载 RL上并联一个大容量电容，使输出电压 uo=0，若负反馈消失，为电压负反馈；否则，为电流负反馈。若负反馈消失，为电压负反馈；否则，为电流负反馈。3.3第62页/共108页（1 1）x xf f 与与u uo o成正比成正比 是电压反馈是电压反馈（2 2）输出端短路法）输出端短路法 将输出端负载两端短路，或在负载 RL上并联一个大容量电容，使输出电压 uo=0。3.3.电压负反馈和电流负反馈的判别电压负反馈和电流负反馈的判别电压负反馈和电流负反馈的判别电

36、压负反馈和电流负反馈的判别 在输出端进行在输出端进行在输出端进行在输出端进行3.3CuiR2R1RF +RL uo+Cuo+uiR2R1RF +RRLio若反馈消失为电压反馈，否则为电流反馈。若反馈消失为电压反馈，否则为电流反馈。第63页/共108页瞬时极性法判断正、负反馈的步骤：瞬时极性法判断正、负反馈的步骤：1.先假定原输入量的瞬时极性为正；先假定原输入量的瞬时极性为正；2.根据各级电路的输入与输出电压的相位关系，分根据各级电路的输入与输出电压的相位关系，分别标出由瞬时极性所引起的各处电位的升（）降别标出由瞬时极性所引起的各处电位的升（）降（）；（）；3.在输入端将瞬时反馈极性与原输入信号

37、极性相比在输入端将瞬时反馈极性与原输入信号极性相比较，当两信号瞬时极性串联，同极性为负反馈，反较，当两信号瞬时极性串联，同极性为负反馈，反之正反馈；当两信号瞬时极性并联，则同极性正反之正反馈；当两信号瞬时极性并联，则同极性正反馈，反之负反馈。馈，反之负反馈。反馈的判别第64页/共108页3.3CioRF5RF2R4R3+RF1R2R1+uo1A1A2RF3R6R5+A3RF4RLR uf +uouo2ifii+uRid+ud+ui例例1 1：判断电路中的反馈元件及其反馈类型。+反馈元件及反馈类型级间反馈局部反馈利用瞬时极性法判断级间反馈性质:标出各级的瞬时极性.解：解：RF1RF2RF3RF4

38、RF5,R,R2 电压并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 电压并联负反馈第65页/共108页利用瞬时极性法判断反馈的正负反馈类型：串联反馈类型：串联 电压电压 负反馈负反馈电流电流例2：反馈类型的判别uiuoA1A2+uoRF1R1R2RFR4R3R5R6RF2RLuf 与与uo 成正比成正比io+uf+ud +3.3第66页/共108页3.3负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响1.1.提高放大器放大倍数的稳定性提高放大器放大倍数的稳定性提高放大器放大倍数的稳定性提高放大器放大倍数的稳定性 负反馈的引入稳定了放大器的输出信号，在输入信负反馈的引入稳定了放大

39、器的输出信号，在输入信号不变的情况下，提高了放大倍数的稳定性。号不变的情况下，提高了放大倍数的稳定性。负反馈降低了放大倍数,但也带来放大器性能的改善。对对闭环放大倍数闭环放大倍数 中的中的 A求导：求导：整理得闭环放大倍数的稳定性比开环时提高了(1+AF)倍。相对变化量减小为通常用相对变化量 和 衡量放大倍数的稳定性。第67页/共108页3.32.2.扩展通频带扩展通频带扩展通频带扩展通频带 无负无负反馈反馈0.707Au0AufffH有负有负反馈反馈AuAuf0Au00.707Auf0fHffBWffBWf fBWf BWf 1 1 AF AF f fBWBW结论结论结论结论：加入负反馈使放

40、大器的通频带展宽。0放大器的幅频特性 定性解释为：当输出信号减小，反馈信号也随之减小，净输入信号相对增大，使放大器输出信号的下降程度减小，放大倍数相应提高。第68页/共108页 设 ui 为正弦波，开环放大器发生非线性失真。加入负反馈以后，放大倍数下降，使输出信号进入非线性区的部分减少，从而削弱了非线性失真。3.33.3.减小非线性失真减小非线性失真减小非线性失真减小非线性失真 uf结论结论：负反馈改善了波形失真。AuouiF加入负反馈无负反馈uoAuiuduiuf 改善失真的效果取决于失真的严重程度和反馈深度的大小。第69页/共108页（1 1）串联负反馈提高输入电阻）串联负反馈提高输入电阻

41、（2 2）并联负反馈降低输入电阻并联负反馈降低输入电阻由 uf=AF ud=(1+AF)ri ri4.4.负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响负反馈对输入电阻的影响 F FuiudufiiriA A+F FuiiiriA Aidif+开环闭环开环由 if=AF id闭环3.3第70页/共108页（2 2）电流负反馈提高输出电阻电流负反馈提高输出电阻 rof ro（1 1）电压负反馈降低输出电阻电压负反馈降低输出电阻 rof ro定性定性解释：电压负反馈稳定了输出电压，使放大器解释：电压负反馈稳定了输出电压，使放大器更趋向于恒压源，因而输出电阻减小。更趋向于恒压源，

42、因而输出电阻减小。定性定性解释：电流负反馈稳定了输出电流，使放大器解释：电流负反馈稳定了输出电流，使放大器更趋向于恒流源，因而输出电阻增大。更趋向于恒流源，因而输出电阻增大。负反馈对放大器性能的改善是以降低放大倍数负反馈对放大器性能的改善是以降低放大倍数负反馈对放大器性能的改善是以降低放大倍数负反馈对放大器性能的改善是以降低放大倍数为代价的，可以通过增加级数提高放大倍数。为代价的，可以通过增加级数提高放大倍数。为代价的，可以通过增加级数提高放大倍数。为代价的，可以通过增加级数提高放大倍数。5.5.负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响负反馈对输出电阻的影响 3.3第

43、71页/共108页放大电路引入负反馈的一般原则为了稳定静态工作点，要引入直流负反馈；为改善动态性能，要引入交流负反馈；根据信号源的性质，引入串联/并联反馈。当信号源为恒压源或内阻较小的电压源时，引入串联负反馈；反之，若信号源为恒流源或内阻较大时，引入并联负反馈。第72页/共108页根据负载对放大电路输出量的要求，即负载对其信号源的要求，引入电压/电流负反馈，若负载需要稳定的电压信号，则引入电压负反馈；若负载需要稳定的电流信号，则引入电流负反馈；根据四种组态的功能，选择合适的组态。第73页/共108页第74页/共108页第75页/共108页3.43.4 运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面

44、的应用电压比较器电压比较器 功能功能 将模拟输入信号ui与某参考电压UR 进行比较。分析方法分析方法 利用理想运放的电压传输特性 uo=f(ui)。应用应用 用于波形产生和变换、模数转换及越限报警等场合运放的工作状态运放的工作状态 运放大多处于开环状态或正反馈状态据此来判断输入信号的大小和极性。由高电平 低电平由低电平 高电平当二者相等时,uo 产生跃变1.1.电压比较器的概念电压比较器的概念电压比较器的概念电压比较器的概念第76页/共108页3.42.2.电压比较器电压比较器电压比较器电压比较器UOMUOMuiuo（1 1）反相输入过零比较器）反相输入过零比较器0R1R2uoui+当当 ui

45、 0 时，时，uo=UOM由理想运放开环的性质得画出比较器的电压传输特性即即 ui 0 时，时，uo=UZ若接入双向稳压管DZ(R3)，即可实现双向限幅。UZUZR3UZDZ稳压值 (UZ+UD)UZ第77页/共108页例例1 1：根据输入电压波形画出输出电压波形。UOMUOM0uott00uiuiuoR1R2ui+uoUOMUOM问题问题问题问题：1.若在输出端加入限幅后，输出波形有何变化？2.若ui 从同相端加入，输出波形有何变化？3.4第78页/共108页3.4（2 2）反相输入电压比较器）反相输入电压比较器UZDZR1R2uoui+R3若加入参考电压 UR，有0ui/Vuo/V例例2

46、2：设UR=5V和3V，UZ=8V，画出输出波形。8t80uo/VURui UR 时，时，uo=UZt0ui/V101053t880uo/V3885第79页/共108页3.电压比较器的分析方法电压比较器的分析方法（1 1）输出电压跃变的条件输出电压跃变的条件u+=u电压电压 ui 即是即是电压比较器的门限电平电压比较器的门限电平UT。对于过零比较器对于过零比较器 门限电平门限电平 UT=0 0（2 2）电压传输特性）电压传输特性u+u 时，uo 0；输出端不接输出端不接 DZ时，时，uo=UOM输出端接输出端接 DZ 限幅时，限幅时，uo=UZu+u 时，uo 0；对于电压比较器对于电压比较器

47、 门限电平门限电平 UT=UR 3.4满足u+=u 时对应的输入第80页/共108页3.44.4.过零滞回比较器过零滞回比较器过零滞回比较器过零滞回比较器UZUZUT2UT10uiuoR1R2uoui+R3UZDZRF 过零比较器和电压比较过零比较器和电压比较器灵敏度高，但抗干扰能器灵敏度高，但抗干扰能力较差力较差。为此，在电路中。为此，在电路中加入正反馈，形成具有滞加入正反馈，形成具有滞回特性的比较器，可大大回特性的比较器，可大大提高比较器的抗干扰能力。提高比较器的抗干扰能力。反相输入过零滞回比较器的电压传输特性类似于磁滞回线，具有两个门限电平(阈值电压)：当uiUT1时,uo从UZ UZ：

48、当uiUT2到ui 0 时，电压传输3.4第85页/共108页3.53.5 信号产生电路信号产生电路功能功能：信号发生器（或称振荡器）是一种不需要外加输入 信号即能产生一定频率和幅度的信号波形的电路。分类分类：按输出波形分正弦波发生器非正弦波发生器方波发生器三角波发生器锯齿波发生器正弦波振荡器按振荡频率分按选频网络的组成元件分低频振荡器高频振荡器RC 振荡器LC 振荡器石英晶体振荡器RC 桥式电路RC 移相式电路双T 型RC电路第86页/共108页udS21uiuouf+3.51.1.产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件自激振荡的产生和条件自激振荡的产生和条

49、件 正弦波振荡器正弦波振荡器 当放大器满足一定条件时,不需外加输入信号,在输出端却有一定频率和幅度的信号产生,这种现象称为自激振荡。当当S合于合于1时，时，ui=ud当当S合于合于2后，如果满足：后，如果满足：uf=ui=ud_ 正反馈正反馈则输出电压保持不变。则输出电压保持不变。反馈系数反馈系数开环电压放大倍数开环电压放大倍数 设电路输出电压为正弦波，各个电压均可用相量表示。第87页/共108页结论结论结论结论:相位和幅值条件必须同时满足,才能产生等幅振荡。所以自激振荡的条件为所以自激振荡的条件为S21uiuduouf+由于有由于有反馈系数反馈系数开环电压放大倍数开环电压放大倍数（1 1）相

50、位平衡条件）相位平衡条件（2 2）幅值平衡条件）幅值平衡条件 =A+F=2n 即 Uf=Ud，有(n=0,1,2,)3.5第88页/共108页3.5幅度特性幅度特性Uom=f(Ufm)Ufm1Uom1Ufm2Uom2AUfmUomo自激振荡的建立过程自激振荡的建立过程在振荡建立振荡建立时应满足：2.2.振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定Uf Ud 开始上电时，电路中有一个小的扰动，引起输出Uom0，经正反馈产生Ufm1,再通过不断放大反馈再放大再反馈，使振幅Uom m不断增大,一直到达交点 A 时，才稳定下来。Ufm3Uom0Uom3反馈特性反馈特性Ufm=FUom起振条件起振条件即即振荡器形成