第 4 章

第4章 4.3 集成运算放大器 4.3.1 集成运放的组成 4.3.2集成运放的基本特性 4.3.3放大电路中的负反馈 4.3.4集成运放在模拟信号运算方面的应用 4.3.5集成运放在幅值比较方面的应用 *4.3.6应用举例上页下页返回

第4章 差分放大电路互补对称电路 4.1.2集成运放的输入级电路 4.1.3集成运放的输出级电路 4.1集成运放的组成 4.1.1概述 4.1.4集成运放的工作原理和图形符号上页下页返回

第4章 u- 输出级输入级中间级 ui u0 u+ 置路偏电 4.1.1 概述集成运放是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。集成运放的组成框图上页下页返回翻页

第4章 在集成电路工艺中还难于制造电感元件和大容量电容，因此集成运放主要采用直接耦合。运算放大器的输入级采用差分放大电路，其特点是输入电阻高、抗干扰能力强、零漂小。在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。集成电路的特点上页下页返回翻页

第4章 4.1.2 集成运放的输入级电路差分放大电路前、后级静态工作点的相互影响 +UCC R R R C1 C2 B1 + u T o 2 U CE1 + T u 1 R i E2 －－序:直接耦合方式及其存在问题上页下页返回翻页

第4章 直接耦合放大器的零点漂移 u o t 0 当放大器的输入电压 ui= 0 时，其输出电压uO往往不为常数，称这种现象为放大器的零点漂移。出现零点漂移的原因：多级直接耦合放大器的放大倍数很高。输入级由于管子特性、参数随温度变化等因素引起输出电压很大的变化，从而导致整个放大器无法正常工作。差分放大电路能很好地抑制零点漂移。上页下页返回翻页

第4章 iC1 iC2 +UCC u0 RC RC + － R1 1. 典型差分放大电路对零漂的抑制 C1 C2 iC1 + + iC1 RL RB u01 u02 RB T1 T2 + －－ + ui1 R E － iC3 ui iB3 B3 － + T3 ui2 R UZ R2 DZ －UEE + －－恒流源的组成： R1、DZ、T3、R2 设工作原理： iC3 UR2 UBE3 （UB3固定） ToC iB3 iC3 上页下页返回翻页

第4章 +UCC u0 RC RC + － R1 C1 C2 + + RL RB u01 u02 RB T1 T2 + －－ + ui1 R E － iC3 ui iB3 B3 － + T3 ui2 R UZ R2 DZ + －－UEE － ui ui ui1 = －ui2 ui1 = — ，ui2= -— 大小相等、极性相反 2 2 2.差分放大电路对差模信号的放大作用差模输入：大小相等、极性相反上页下页返回翻页

第4章 u0 RC RC + － C1 C2 + + u01 u02 RL RL T1 T2 2 2 + + －－ ui1 E － ui － ui2 － + 差模输入 ui1ui2 ui 输出uO = －uO2 uO1 ， = － uO= －uO2 uO1 ui1 ui2 ）（ui1-ui2 ui = Au1 Au2 = Au1 = Au1 － uO Ad = = Au1 ui 差分放大电路的交流通路双端输出时差模信号电压放大倍数上页下页返回翻页

第4章 +UCC u0 RC RC + － R1 C1 C2 + + RL RB u01 u02 RB T1 T2 + －－ + ui1 R E － iC3 ui iB3 B3 － + T3 ui1 =ui2 ui2 R UZ R2 DZ + －－UEE － uO1C－ uO2C Ad KCMR = —— 共模抑制比双端输出时Auc = ———— ≈ 0 uiC Ac 3.差分放大电路的共模放大倍数共模输入：输出 uo1C =uo2C 大小相等，极性相同。上页下页返回翻页

第4章 +UCC +UCC RC RC RC RC + RB RB RB u0 RB u0 + + _ + ui ui ui _ _ _ _ IS IS _ UEE UEE UEE _ 4.差分放大电路的输入－输出方式 +UCC RC RC u0 _ + + RB RB RL T1 T2 _ IS 单端输入-单端输出双端输入-单端输出单端输入-双端输出上页下页返回翻页

第4章 4.1.3集成运放的输出级电路互补对称电路 T1和T2两个晶体管特性相同且轮流导通，提高输出功率。电路为射级输出器，输出电阻小，带负载能力强。互补对称电路结构对称，采用正负对称电源，静态时无直流电压输出，负载可直接接到发射极，实现了直接耦合。特点： +UCC R1 T1 B1 iC1 R3 D1 iO B + + ui D2 uO RL T2 － B2 － iC2 R2 －UCC 上页下页返回翻页

第4章 u u i o 4.1.4 集成运放的符号、管脚信号传输方向理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数反相输入端 AO u －输出端－＋＋ u ＋同相输入端上页下页返回本节结束

第4章 － u– ＋＋ u+ uo <ui < 线性区 uo ui （u+ u－ u – ） A0 A0 = = ui o – – Ui Ui 0 ui ui 和 < + + + - > Ui Ui Ui Ui 饱和区 uo + UOM = – 4.2 集成运放的基本特性 AO 1. 电压传输特性 uo=f(ui) , 其中 ui= u＋–u－ UOM –UOM 上页下页返回翻页

第4章 2. 集成运放的理想特性理想化的条件： AO u ∞ ; 开环电压放大倍数 AO －－＋ u 差模输入电阻 ri ∞ ; o ＋开环输出电阻 rO 0 ; u ＋ ∞ ; 共模抑制比 KCMRR 上页下页返回翻页

第4章 － u– ＋＋ u+ uo uo u ui ui o 0 0 集成运放的理想电压传输特性 Uo+ UO+ –Uim Uim U0- UO- 实际运放理想运放翻页上页下页返回

第4章 理想运放工作在线性区的分析依据 “虚断路”原则（1） ui ri i-= i+=0 0 ri , “虚短路”原则（2） u- _ uo i-= i+= uO u ui u = – = ui + - Ao + u+ + u- u+ Ao = , 4.3 理想运放的分析特点 i- _ uO 对于理想运放 ui + + i+ 理想运放上页下页返回翻页

第4章 理想运放工作在非线性区的分析依据 u- _ uO ui + u+ + 输出电压u0只有两种可能：当u+ > u-时，u0=UO+ 当u+ < u-时，u0= UO－ • “虚断”的条件原则上仍成立，即 ii ii ≈ 0 uO + • “虚短”原则上不成立，即 rid u+和u-不一定相等！ + 上页下页返回本节结束

第4章 4.3集放大电路中的负反馈 4.3.1 反馈的基本概念 4.3.2 负反馈的四种类型 4.3.3 负反馈对放大电路性能的影响上页下页返回

第4章 xi — 输入信号 xf xo — 输出信号 xf— 反馈信号开环放大倍数 F=xf /xo 反馈系数 xd =xi–xf ( 同相) 负反馈 xo xo/xd A= Af = — 闭环放大倍数 xi 4.3.1 反馈的基本概念 xi xd xo xd— 净输入信号 A  无反馈 F 有反馈方框图反馈：将放大电路输出信号的一部分或全部经反馈网络引回输入端。上页下页返回翻页

第4章 4.3.2 负反馈的四种类型电压串联负反馈电压并联负反馈负反馈的类型电流串联负反馈电流并联负反馈上页下页返回翻页

第4章 放大电路的负反馈，按照反馈信号反映的输出量（电压或电流）和反馈电路与输入回路的联接方式（串联或并联），可分为四种基本类型，如下方框图所示。翻页上页下页返回

第4章 翻页上页下页返回

第4章 （一）电压串联负反馈同相输入方式的比例、加法运算电路都属于电压串联负反馈放大电路。以同相比例运算电路为例，其输出端接有负载电阻RL。在输入回路中，而故则翻页上页下页返回

第4章 显然，ri>>rid。（二）电压并联负反馈反相输入方式的比例、加法运算电路都属于电压并联负反馈放大电路。以反相比例运算电路为例，其输出端接有负载电阻RL。即输入电阻ri只取决于外接电阻R1。翻页上页下页返回

第4章 （三）电流串联负反馈如图所示电压—电流转换器是具有电流串联负反馈的运放电路。翻页上页下页返回

第4章 若转换器的负载是一块毫安表，表针偏转角将与输入电压（即待测电压Ux）成正比，整个运放电路就是一个直流电压表。翻页上页下页返回

第4章 如果转换器的输入电压取自恒压源，如取自稳压管的电压UZ，其输出电路就是一个恒流源，输出电流为定值（四）电流并联负反馈翻页上页下页返回

第4章 R f uf R _ 1 + + + uL u RL R _ _ 2 i u o ui – uf ud=ui – uf <ui，为负反馈。净输入信号 • 电压串联负反馈 ud ui + A0 AO uo - uf F 同相输入电路在输入端,uf 与 ui 相串联（以电压的形式）为串联反馈；在输出端，F与A相并联,uf与uo成正比，为电压反馈；上页下页返回翻页

第4章 判断是电压还是电流反馈？ R f id 0 = uf uf R _ 1 + + u uL 0 _ u R 因为， = 2 i uf u - _ Rf + R1 o + _ ud ~ 判断是串联还是并联反馈？ ud ui + _ + + ~ 从输出端分析： id AO + uf与uo成正比， RL _ 为电压反馈从输入端分析：uf 与 ui 相串联, ud=ui – uf uf 以电压的形式出现。为串联反馈上页下页返回翻页

第4章 判断是正反馈还是负反馈？ R f uf R _ 1 + 首先设输入电压的极性在某一瞬时对地为正； u 然后找出电路其余各点的瞬时极性； R 2 i uf u _ - + o ud ~ _ ui + 反馈类型的判别最后根据同一瞬时反馈电压与输入电压相比较的结果加以判断 ——瞬时极性法 ui _ + < + ~ ud=ui – uf AO + + RL _ _ ud 由上述结果可知：引入反馈后使净输人电压减小，为负反馈。该例为电压串联负反馈电路上页下页返回翻页

第4章 ii id ui A0 + uo - + if uL _ F ii – if • 电压并联负反馈 if Rf ii AO u u R2 o i RL R1 反相输入电路在输入端,信号以电流出现,if与ii相并联,为并联反馈；在输出端， if与uo成正比,为电压反馈； id =ii –if <ii，为负反馈。净输入信号上页下页返回翻页

第4章 判断是电压还是电流反馈？判断是正反馈还是负反馈？ u0 u0 if u- _ 因为 - = Rf Rf 判断是串联还是并联反馈？ if Rf ii id = AO u + u- u R2 o 所以为电压反馈。 i + _ uL RL _ R1 信号以电流出现,if与ii相并联, 为并联反馈；反相输入电路瞬时极性法 id =ii –if <ii，为负反馈。净输入信号该例为电压并联负反馈电路上页下页返回翻页

第4章 ud io ui + A0 - uf F ui – uf ud=ui – uf <ui，为负反馈。净输入信号 • 3. 电流串联负反馈 uL ＲL uf i0 – AO + – ud Ｒ + + ui Ｒb – 在输出端， uf与 io成正比，为电流反馈；在输入端,信号以电压形式出现,uf与ui相串联,为串联反馈；上页下页返回翻页

第4章 ii id A0 + io - if F ii – if id=ii – if <ii，为负反馈。净输入电流 4.电流并联负反馈在放大器输出端， if与 io成正比，为电流反馈；在放大器输入端,信号以电流出现,if与id相并联,为并联反馈；上页下页返回翻页

第4章 i0 各点的瞬时极性 Rf RL Rb - uL 各电流的实际方向 + R2 为负反馈。 id 净输入电流 if i0 R2 _ i i i i + = f f ~ R2 Rf + id _ if ii + ui u0´ ~ ~ + ~ _ id=ii – if <ii，运用瞬时极性法判别正、负反馈？ iL Rf RL - uL + R2 i i i0 d i AO 电压还是电流反馈？ + R1 + ui u0 - + , 判断是串联还是并联反馈？该例为电流并联负反馈电路翻页上页下页返回

第4章 if Rf ii ——瞬时极性法正、负反馈的分析 AO Rf u0 + ui _ uf R R _ 1 1 + 第二步：将反馈信号与输入信号相比较 R2 + u0 ui ui < R2 _ _ ud uf _ _ 串联还是并联反馈 + + + 从输入回路分析 ~ ~ 削弱净输入信号 id ui _ —— 负反馈 _ if ii + 并联负反馈串联负反馈 ~ + ui u0´ 反馈信号与输入信号相并联加到输入端 ~ ~ ~ + _ （以电流形式出现） ud= ui –uf 负反馈类型的分析方法小结第一步：找出电路各点的瞬时极性 id =ii – if <ii 反馈信号与输入信号相串联加到输入端（以电压形式出现）上页下页翻页返回

第4章 i0 ＲL R ui 1 uf Rf 电压还是电流反馈从输出回路分析反馈信号（）与输出电压 u0 u0 if - = Rf uf uf if if 或或反馈信号（）与输出电流i0 电流负反馈电压负反馈直接成比例关系直接成比例关系 uf i0 = Rf U if Rf AO Ｒ ii AO u0 + + Ｒ’ ui _ F + - R2 - 上页下页翻页返回

第4章 + ud + + u f [例题4.3.1]反馈类型的判别 ——瞬时极性法 u AO i A1 AO uo u01 A2 RL RF 在输入端：ud=ui- uf< ui 为负为反馈上页下页返回翻页

第4章 + ud + + u f 串联、并联反馈判别 ——在输入回路中分析 u AO i A1 AO uo u01 A2 RF uf以电压形式出现且与ui相串联接在输入端，故为串联反馈上页下页返回翻页

第4章 + ud + + u f 电压、电流反馈判别 ——在输出回路中分析 u AO i A1 AO uo u01 A2 RF 反馈电路直接从输出端引出，uf与uo成正比为电压反馈 Rf引入电压串联负反馈上页下页返回翻页

第4章 + + id io i if i 试判别图示电路中反馈的类型和极性 [例题4.3.2] AO AO uo A1 A2 u01 u i RL RF 利用瞬时极性法判别正、负反馈为负反馈所以，RF引入了电流并联负反馈并联反馈在输入回路中分析串联、并联反馈在输出回路中分析电压、电流反馈电流反馈上页下页返回翻页

第4章 xo xi xd A dAf . dA 1 xf  = A Af 1+AF A F ，对A求导得 Af= 1+AF dAf 1 AF 1 dA ，－ = = dAf = (1+AF)2 1+AF dA (1+AF)2 (1+AF)2 dAf . dA dA A 1 = = / Af (1+AF)2 1+AF A 1+AF 4.3.3 负反馈对放大器性能的影响 • 提高放大倍数的稳定性设开环放大倍数的相对变化率为dA/A 闭环放大倍数的相对变化率为 dAf/Af 上页下页返回翻页

第4章 2. 扩展通频带 xo xi xd A 加入负反馈使放大器的通频带展宽 xf  BWf 1 AFBW F Af A 无负反馈 A0 对于集成运放 0.707A0 BW 有负反馈 Af 则有： 0.707Af BWf fLf =fL =0 0 f fL fH fHf fLf 上页下页返回翻页

第4章 uo ui A ui ud A uf F 3. 减小非线性失真无负反馈 uo 加入负反馈负反馈改善了波形失真上页下页返回翻页

第4章 4. 对输入电阻输出电阻的影响输入电阻串联负反馈提高输入电阻 rif>ri 并联负反馈降低输入电阻 rif<ri 输出电阻电压负反馈稳定输出电压，所以电压负反馈降低输出电阻，rof<ro 电流负反馈稳定输出电流，所以电流负反馈增加输出电阻，rof>ro 本节结束上页下页返回

第4章 4.4集成运放在模拟信号运算方面的应用 4.4.1比例运算电路 4.4.2加、减运算电路 4.4.3积分、微分运算电路上页下页返回

第4章 4.4.1 比例运算电路 Rf引入深度负反馈 1、反相输入比例运算电路 if Rf 并联电压负反馈 i1 R1－输入电阻 u i－ i Rf－反馈电阻 R1 u R2－平衡电阻 i＋ o R2 R2= R1// R1 上页下页返回翻页

第4章 i-=0 “虚断路” i1= if ui u- u+ = =0 “虚地” ui —– i1=—– ， R1 R1 u0 ui u0 Rf Af=— = – — u u u R1 i if=– — o o =– — Af=—= – 1 Rf Rf if 反相输入运算关系 Rf i1 i- u i R1 u o R2 ——反相比例当Rf=R1=R时 ——反相器上页下页返回翻页

第4章 if Rf i1 i- u i R1 u o R2 反相比例器的特点反相比例器引入并联电压负反馈 • 输入电阻低 • 输出电阻低上页下页返回翻页

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