1、第第 3 3 章章 负反馈放大器与集成运算放大器负反馈放大器与集成运算放大器的基本原理的基本原理集成运算放大器集成运算放大器本章小结本章小结退出退出差分放大器差分放大器集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用退出退出3.1 反馈的基本原理反馈的基本原理主要要求：主要要求：掌握反馈的分类及判别掌握反馈的分类及判别掌握四类基本反馈组态的特点掌握四类基本反馈组态的特点了解了解负反馈的对放大器性能的影响和应用负反馈的对放大器性能的影响和应用退出退出3.1.1 反馈的基本概念反馈的基本概念将放大电路输出回路的信号（电压或电流）的一部分将放大电路输出回路的信号（电压或电流）的一部分或全部，通过一定形式的电
2、路（或称作反馈网络）回或全部，通过一定形式的电路（或称作反馈网络）回送到输入回路中，从而影响（增强或削弱）净输入信送到输入回路中，从而影响（增强或削弱）净输入信号，这种信号的反送过程称为号，这种信号的反送过程称为反馈（反馈（Feedback）。输。输出回路中反送到输入回路的那部分信号称为出回路中反送到输入回路的那部分信号称为反馈信号反馈信号。净输入净输入净输入净输入退出退出为实现反馈，必须有一个既连接输出回路又连接输入回路的为实现反馈，必须有一个既连接输出回路又连接输入回路的中间环节，称为中间环节，称为反馈网络反馈网络，一般由电阻电容元件组成。引入，一般由电阻电容元件组成。引入反馈的放大器叫反
3、馈的放大器叫反馈放大器反馈放大器，也叫，也叫闭环放大器闭环放大器；而未引入反；而未引入反馈的放大器称为馈的放大器称为开环放大器开环放大器，也叫，也叫基本放大器基本放大器。Xdo/XXA，称作反馈系数。of/XXF反馈网反馈网络回路络回路反馈方框图反馈方框图信号叠信号叠加符号加符号退出退出3.1.2 反馈的分类及判别反馈的分类及判别1.反馈的分类反馈的分类 负反馈衰减负反馈衰减正反馈自激正反馈自激退出退出 输出并输出并联连接联连接输出串输出串联连接联连接退出退出 输入串联输入串联连接，引连接，引入电压量入电压量输入并输入并联连接，联连接，引入电引入电流量流量退出退出几种分类可相互排列组合构成多种
4、反馈形式。但实际反馈放几种分类可相互排列组合构成多种反馈形式。但实际反馈放大器一般有四种基本类型：大器一般有四种基本类型：电压串联负反馈电压串联负反馈、电压并联负反电压并联负反馈馈、电流串联负反馈电流串联负反馈、电流并联负反馈电流并联负反馈。2.反馈类型的判别反馈类型的判别退出退出+共射组共射组态倒相态倒相共射组共射组态倒相态倒相共集组共集组态同相态同相L+VCC+TRbe+e2Rc2c1-O-ufRfuRRCb1b1Rb2Cu+-2T1+iu-Re1+V+-Rc1c2RRfRe2RsLR1T2Tic2ifsius-u+O+-uiCCib退出退出直流直流反馈反馈交流交流反馈反馈退出退出uf=0
5、uf0电压反馈电压反馈电流反馈电流反馈退出退出引入电引入电流量流量if引入电引入电压量压量uf并联反馈并联反馈电流反馈电流反馈退出退出3.1.3 四类基本反馈组态的识别和分析四类基本反馈组态的识别和分析1.电压串联负反馈电压串联负反馈输出电压输出电压uo的一部分被送的一部分被送回第一级放大器输入端，回第一级放大器输入端，反馈元件反馈元件Rf（Cf在交流支在交流支路中作用同导线）与路中作用同导线）与Re1组成交流电压串联负反馈组成交流电压串联负反馈电路。电路。交流通路交流通路ofe1e1fuRRRu退出退出uf=0,电电压反馈压反馈引入电压量引入电压量uf，串联反馈串联反馈+输出短路法判断为电压
6、反馈；反馈节点接地法判断为串联反输出短路法判断为电压反馈；反馈节点接地法判断为串联反馈；瞬时极性法判断正负，馈；瞬时极性法判断正负，uf与与ui同相变化大小，而净输入同相变化大小，而净输入ubeuiuf，故反馈削弱输入信号，为负反馈。，故反馈削弱输入信号，为负反馈。电压串联负反馈电压串联负反馈befoLfibeuuuRuuu瞬时极性欧姆定律ou退出退出2.电压并联负反馈电压并联负反馈交流通路交流通路反馈元件为反馈元件为Rf，跨接在输出与输入回路之间，将放大器的输，跨接在输出与输入回路之间，将放大器的输出电压引入到输入回路中（晶体管出电压引入到输入回路中（晶体管VTVT的基极）。的基极）。，有，
7、通常的形式出现，反馈信号以电流bofobffUURUUIIfofRUI退出退出无反馈信号无反馈信号，电压反馈，电压反馈引入电流量引入电流量if，串联反馈串联反馈+输出短路法判断为电压反馈；反馈节点接地法判断为并联反输出短路法判断为电压反馈；反馈节点接地法判断为并联反馈；瞬时极性法判断正负，馈；瞬时极性法判断正负，if与与ui倒相变化，而净输入倒相变化，而净输入ibiiif，故反馈削弱输入信号，为负反馈。，故反馈削弱输入信号，为负反馈。电压并联负反馈电压并联负反馈退出退出3.电流串联负反馈电流串联负反馈交流通路交流通路反馈元件为反馈元件为Re，跨接在输出与输入回路之间，将放大器的输，跨接在输出与
8、输入回路之间，将放大器的输出电流的部分转化为电压以影响净输入出电流的部分转化为电压以影响净输入ube。eofeoeefRIUIIRIU，所以有由于反馈电压退出退出仍有仍有uf0，电压反馈，电压反馈引入电压量引入电压量uf，串联反馈串联反馈+电流串联负反馈电流串联负反馈输出短路法判断为电流反馈；反馈节点接地法判断为串联反输出短路法判断为电流反馈；反馈节点接地法判断为串联反馈；瞬时极性法判断正负，馈；瞬时极性法判断正负，uf与与ui同相变化，而净输入同相变化，而净输入ubeuiuf，故反馈削弱输入信号，为负反馈。，故反馈削弱输入信号，为负反馈。bbefoLfibeIuuiRuuuoi退出退出4.电
9、流并联负反馈电流并联负反馈交流通路交流通路Rf是反馈元件，它将第二是反馈元件，它将第二级级VT2VT2的输出与第一级的输出与第一级VT1VT1的输入回路联系起来，构的输入回路联系起来，构成反馈。由交流通路，可成反馈。由交流通路，可知反馈信号与输出电流之知反馈信号与输出电流之间的关系：间的关系：ofe2e2e2fe2e2fIRRRIRRRIe2oII输出之间的分流与在看作可以认为，一般e2fe2fb1b1e20RRIIUUU退出退出输出短路法判断为电流反馈；反馈节点接地法判断为并联反输出短路法判断为电流反馈；反馈节点接地法判断为并联反馈；瞬时极性法判断正负，馈；瞬时极性法判断正负，if与与ui倒
10、相变化，而净输入倒相变化，而净输入ibiiif，故反馈削弱输入信号，为负反馈。，故反馈削弱输入信号，为负反馈。仍有仍有if0，电压反馈，电压反馈引入电流量引入电流量if，并联反馈并联反馈+电流并联负反馈电流并联负反馈退出退出3.1.4 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响1.负反馈放大器的放大倍数负反馈放大器的放大倍数ofdoXXFXXA，iofXXA闭环放大倍数为fidXXX负反馈的净输入为doofdofdoiof1XXXXXXXXXXXA可得FAAA1f即可见，闭环增益可见，闭环增益Af是开环增益是开环增益A的的（1AF）分之一，分之一，反馈深度表示了反反馈深度表示了反馈影响的
11、程度。馈影响的程度。称称为为反反馈馈深深度度其其中中FA1退出退出2.四类基本负反馈放大器中参量的意义四类基本负反馈放大器中参量的意义 oXfXAFfAoUfUoUfUfIfIoIoIdouuUUAdouiIUAdoiuUIAdoiiIIAofuuUUFofuiUIFofuiIUFofiiIIFiouufUUAiouifIUAioiufUIAioiifIIA退出退出3.负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响222f)1(1)1(1)1(1ddAFAFAFAFAFAFAFAAA2f)1(ddAFAAAAAFAAd11dff可见，相对开环增益的变化量可见，相对开环增益的变化量dA/A，闭
12、环增益，闭环增益dAf/Af只变化了只变化了（1+AF）分之一，虽然增益倍分之一，虽然增益倍数下降至数下降至1/（1+AF），但），但稳定稳定性却提高了性却提高了（1+AF）倍。倍。退出退出无反馈的放大通频带无反馈的放大通频带加负反馈后通频带展宽加负反馈后通频带展宽放大器的增益频率幅频特性放大器的增益频率幅频特性引入负反馈后，就可以利用负反馈的自动调整作用将通频带引入负反馈后，就可以利用负反馈的自动调整作用将通频带（fbwf）展宽。具体来说，中频段增益高，反馈信号就强，负）展宽。具体来说，中频段增益高，反馈信号就强，负反馈使中频段增益明显降低；而高频段与低频段增益小，反反馈使中频段增益明显降低
13、；而高频段与低频段增益小，反馈信号也弱，净输入下降得也少，使得幅频特性平坦。馈信号也弱，净输入下降得也少，使得幅频特性平坦。退出退出引入负反馈后，就可以利用负反馈的自动调整作用将非线性引入负反馈后，就可以利用负反馈的自动调整作用将非线性失真减小。具体来说，开环增益前半周高，反馈信号就强，失真减小。具体来说，开环增益前半周高，反馈信号就强，负反馈使前半周增益明显降低；而开环后半周增益小，反馈负反馈使前半周增益明显降低；而开环后半周增益小，反馈信号也弱，净输入下降得也少，使得输出前后半周趋于一致。信号也弱，净输入下降得也少，使得输出前后半周趋于一致。退出退出iddifdiiifIUAFUIUUIU
14、r)1()1(AFrAFIUiidididdifdiiiifrAFIAFUIAFIUIIUIUr11)1(退出退出AFrroof1oofrAFr)1(退出退出3.2 差分放大器差分放大器主要要求：主要要求：掌握差分放大器掌握差分放大器(Amplifier)的作用的作用掌握差分放大器的工作原理及特点掌握差分放大器的工作原理及特点了解差分放大器的几种实际了解差分放大器的几种实际应用电路应用电路退出退出多级放大电路级间耦合方式有：阻容耦合、电压器耦合和直接多级放大电路级间耦合方式有：阻容耦合、电压器耦合和直接耦合三种方式。其中只有直接耦合方式适于在大规模集成电路耦合三种方式。其中只有直接耦合方式适于
15、在大规模集成电路内制作。内制作。3.2.1 直接耦合放大器中的特殊问题直接耦合放大器中的特殊问题直接耦合电路直接耦合电路由于直接耦合的各个三极管都在放由于直接耦合的各个三极管都在放大状态，即对于图中众多大状态，即对于图中众多NPN管来管来说说UCEQ1V，则几级耦合之后，末，则几级耦合之后，末级集电极电位接近电源级集电极电位接近电源UCC，限制，限制了放大器级数，这是级间静态工作了放大器级数，这是级间静态工作点相互影响的结果。可以采用点相互影响的结果。可以采用NPN与与PNP管组合电路的方法有效解决。管组合电路的方法有效解决。退出退出所谓所谓零点漂移零点漂移，是指在当输入信号，是指在当输入信号
16、为零时，在放大器输出端出现一个为零时，在放大器输出端出现一个变化不定（时大时小，时快时慢）变化不定（时大时小，时快时慢）的输出信号的现象，简称的输出信号的现象，简称零漂零漂。产。产生零漂的原因有：温度变化、电源生零漂的原因有：温度变化、电源电压波动、晶体管参数变化等，但电压波动、晶体管参数变化等，但主要因素是温度变化，故也称主要因素是温度变化，故也称温漂温漂。温度对三极管的影响温度对三极管的影响在直接耦合电路中，前级的漂移被后级放大，因此将严重干扰在直接耦合电路中，前级的漂移被后级放大，因此将严重干扰正常信号，级数越多，漂移越重，甚至使放大器不能工作。正常信号，级数越多，漂移越重，甚至使放大器
17、不能工作。退出退出3.2.2 基本差分放大器基本差分放大器1.基本差分放大器组成及抑制零漂的原理基本差分放大器组成及抑制零漂的原理虚线两边的电路完全对称，虚线两边的电路完全对称，且两个三级管参数完全相同。且两个三级管参数完全相同。虽然每只管子的零漂并未减虽然每只管子的零漂并未减少，但两管各自的零漂电压少，但两管各自的零漂电压相同，在输出端可以抵消，相同，在输出端可以抵消，因而零漂被抑制掉。因而零漂被抑制掉。C2C1oC2C1uuuuu而对应变化量有对于温度变化完全对称完全对称退出退出2.输入信号类型及差模电压放大倍数输入信号类型及差模电压放大倍数基本差分放大器的输入信号可以分为基本差分放大器的
18、输入信号可以分为共模信号共模信号和和差模信号差模信号两种。两种。uI1与与uI2大小相等、极性相同的部分为共模信号分量，用大小相等、极性相同的部分为共模信号分量，用uIC表表示。而示。而uI1=uI2时为共模输入状态。时为共模输入状态。因电路对称，所以此时因电路对称，所以此时输出电压输出电压uOC恒为零，这恒为零，这与输入信号为零（静态）与输入信号为零（静态）的输出结果相同，说明的输出结果相同，说明差分放大器对共模信号差分放大器对共模信号有抑制能力，而对称且有抑制能力，而对称且相近两管的零漂就相当相近两管的零漂就相当于共模信号。于共模信号。共模输入状态共模输入状态退出退出在放大器两输入端输入大
19、小相等、在放大器两输入端输入大小相等、方向相反的信号，即方向相反的信号，即uI1=uI2，为为差模输入状态。有差模输入状态。有uI1=uID/2，uI2=uID/2。正常输入中正常输入中uI1与与uI2不不同的部分为差模信号分量，用同的部分为差模信号分量，用uID表示。表示。2/)(22ID21O2O1ODID2I22O2ID1I11O1uAAuuuuAuAuuAuAuIDIDOD2/2AuuAu差模输入状态差模输入状态退出退出AuuAIDODd可见，差模放大倍数bebbescbesbebbecd)1(/rRrRRrRrRrRAAbescdrRRAAbesLdrRRA)2/(LeLRRR 其中
20、，差模输入的差放差模输入的差放退出退出放大器的输入回路经过两个管子的发射结和放大器的输入回路经过两个管子的发射结和RS，故输入电阻为，故输入电阻为)(2besidrRr放大器的输出端经过两个放大器的输出端经过两个Rc，故输入电阻为，故输入电阻为co2Rr 3.共模抑制比共模抑制比表明差分放大器放大差模信号、抑制共模信号的能力，定义为表明差分放大器放大差模信号、抑制共模信号的能力，定义为dBlgcdCMRcdCMRAAKAAK20，或者分贝表达法退出退出3.2.3 差分放大器的几种接法差分放大器的几种接法根据不同需要，差分放大器输入信号时可以双端输入，也可单根据不同需要，差分放大器输入信号时可以
21、双端输入，也可单端对地输入；输出信号时可以一端对地输出，也可双端输出。端对地输入；输出信号时可以一端对地输出，也可双端输出。1.双端输入、双端输出双端输入、双端输出2.双端输入、单端输出双端输入、单端输出输出只有一个管子，输出只有一个管子，uo只有只有双端输出的一半，故放大倍双端输出的一半，故放大倍数数Ad等于双端输出时的一半等于双端输出时的一半)(221bescdrRRAA方便与后面方便与后面放大级处于放大级处于共地状态共地状态coRr 输入电阻不变，但退出退出3.单端输入、双端输出单端输入、双端输出4.单端输入、单端输出单端输入、单端输出其输入端只是参考点电位转其输入端只是参考点电位转为为
22、VT2的基极，实际上还是的基极，实际上还是差分输入，各项参数同双入差分输入，各项参数同双入双出式。适用于负载是两端双出式。适用于负载是两端悬浮且要求正负对称性好的悬浮且要求正负对称性好的情况。情况。这种接法的特点是通过改变这种接法的特点是通过改变输入输出端的位置，可以得输入输出端的位置，可以得到同相或反相放大输出。其到同相或反相放大输出。其各项参数同双入单出式差分各项参数同双入单出式差分放大器。放大器。退出退出3.3 集成运算放大器集成运算放大器(integrated operation amplifier)主要要求：主要要求：了解集成了解集成(Integrated)运算放大器的结构组成运算放
23、大器的结构组成了解各级组成模块的作用及工作原理了解各级组成模块的作用及工作原理了解集成运算放大器的主要技术指标了解集成运算放大器的主要技术指标退出退出将晶体管、二极管、电阻的元件及连线全部几种制造在同一块将晶体管、二极管、电阻的元件及连线全部几种制造在同一块半导体基片上，成为一个完整的固体电路，通称为半导体基片上，成为一个完整的固体电路，通称为集成电路集成电路(Integrated circuit)。3.3.1 运算放大器概述运算放大器概述退出退出集成运方符号集成运方符号退出退出3.3.2 集成运放的内部电路组成集成运放的内部电路组成国产国产F007运放电路原理图运放电路原理图输入级输入级中间
24、级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路典型典型实例实例退出退出F007运放结构框图运放结构框图F007（A741）共有共有9个引脚，个引脚，2、3为输入为输入端，端，6为信号输出端，为信号输出端，7、4为正负电源端，为正负电源端，1和和5为调零电位器接线端，为调零电位器接线端，8、9为消除自为消除自激补偿端。激补偿端。F007的引脚的引脚退出退出1.输入级输入级F007（A741）的输入）的输入级电路为共集级电路为共集共基复共基复合差分放大器，差模信合差分放大器，差模信号由号由VT1、VT2基极输基极输入，入，VT5、VT6构成构成VT3、VT4的有源负载，的有源负载，VT7不但向不但向VT5、
25、VT6提供偏流，还提高了电提供偏流，还提高了电压放大倍数。压放大倍数。共集共集共基共基阻态差模阻态差模输入电阻输入电阻可达可达1M退出退出2.偏置电路偏置电路集成电路中的偏置电路一般采用恒流源电路。主要是镜像电流集成电路中的偏置电路一般采用恒流源电路。主要是镜像电流源及微电流源。源及微电流源。为输出电流，C2C2C1B2B1IIIIIC2C2C2BC1R)21(22IIIIIIRC2211IIRUUIBECCR又RUUIIBECCRC22 时，当退出退出镜像电流源的不足在于当需要微小输出电流时，电阻镜像电流源的不足在于当需要微小输出电流时，电阻R要很大，要很大，在集成电路中较难实现，微电流源针
26、对这种需求作了改进。在集成电路中较难实现，微电流源针对这种需求作了改进。较小电阻较小电阻实现微电实现微电流输出流输出eC2eE2BE2BE1RIRIUU由于TBETBESSC)1(UUUUIIIee又eC2S2C2S1C1TBE2BE1)ln(lnRIIIIIUUUeC2C2C1TlnRIIIU退出退出F007的偏置电路由的偏置电路由VT8至至VT13以及以及R4、R5组成，其中有三组成，其中有三对镜像（微）电流对镜像（微）电流源：源：VT8与与VT9，VT10与与VT11，VT12与与VT13。设流。设流过过R5的电流为的电流为IR，有有5EECC5BE11BE12EECCRRUURUUUU
27、IB4B3C9C8C4C3,)(C)(C10IIIIIItI恒定镜像)(C4C3II退出退出3.中间级中间级VT16和和VT17组成复组成复合管共射放大电路。合管共射放大电路。其输入电阻较大，输其输入电阻较大，输出负载由恒流源出负载由恒流源VT13组成，放大倍组成，放大倍数可高达数可高达1000倍，为倍，为了消除自激，还在了消除自激，还在间外接间外接30pF30pF的补的补偿电容一只。偿电容一只。4.输出级输出级VT18、VT19构成互补对称功率放大电路。为防止功放管电流构成互补对称功率放大电路。为防止功放管电流过大造成损坏，设置过大造成损坏，设置VD1、VD2组成过载保护电路。组成过载保护电
28、路。过载过载保护电路保护电路退出退出3.3.3 集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数AodAod是集成运放在开环时（无外加反馈时）输出电压与输入差是集成运放在开环时（无外加反馈时）输出电压与输入差模信号电压之比，常用分贝（模信号电压之比，常用分贝（dB）表示，目前最高可达）表示，目前最高可达140dB。2.输入失调电压输入失调电压UIO及其温漂及其温漂dUIO/dT一般运放输入电压为一般运放输入电压为0时输出并不为时输出并不为0，即零漂现象，若在输入，即零漂现象，若在输入端外加一个适当的补偿电压使输出为端外加一个适当的补偿电压使输出为0V，则
29、此外加电压称之，则此外加电压称之为输入失调电压为输入失调电压UIO。UIO反映零漂程度，受温度影响，以其对反映零漂程度，受温度影响，以其对温度的变化率温度的变化率dUIO/dT来表征受温度影响的程度，单位来表征受温度影响的程度，单位V/。3.输入失调电流输入失调电流IIO及其温漂及其温漂dIIO/dTI IIOIO用于表征输入级差分对管的电流不对称所造成的影响，以用于表征输入级差分对管的电流不对称所造成的影响，以I IIOIO|I IB1B1-I IB2B2|表示。表示。I IIOIO也随温度变化，以变化率也随温度变化，以变化率d dI IIOIO/d/dT T表征，表征，单位单位nAnA/，
30、质量高的可达，质量高的可达pApA/数量级。数量级。退出退出4.输入偏置电流输入偏置电流IIBI IIBIB为常温下输入信号为零时，两输入端静态电流的平均值，即为常温下输入信号为零时，两输入端静态电流的平均值，即I IIBIB(I IB1B1+I IB2B2)/2)/2，它是衡量差分对管输入电流绝对值大小的标，它是衡量差分对管输入电流绝对值大小的标志。志。I IIBIB对静态工作点、温漂和运算精度都有较大影响。一般几对静态工作点、温漂和运算精度都有较大影响。一般几百纳安，好的几纳安。百纳安，好的几纳安。5.差模输入电阻差模输入电阻ridr ridid是集成运放两输入端之间的动态电阻，以是集成运
31、放两输入端之间的动态电阻，以r rididuID/iI表示，表示，是衡量信号源索取电流大小的标志，一般为是衡量信号源索取电流大小的标志，一般为M数量级。以场数量级。以场效应晶体管为输入级的可达效应晶体管为输入级的可达106M。6.输出电阻输出电阻ror ro o是运放开环工作时，从输出端等效的电阻，标明带负载能力。是运放开环工作时，从输出端等效的电阻，标明带负载能力。值越小带负载能力越强。值越小带负载能力越强。退出退出8.最大差模输入电压最大差模输入电压UIDMUIDM是指同相输入端是指同相输入端“+”和反相输入端和反相输入端“”之间所能承受的之间所能承受的最大电压值。所加电压若超过最大电压值
32、。所加电压若超过UIDM则可能使输入级的晶体管反则可能使输入级的晶体管反相击穿而损坏。相击穿而损坏。7.共模抑制比共模抑制比KCMRKCMR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数只比，即是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数只比，即KCMR|Aod/Aoc|,一般以分贝表达，一般以分贝表达，KCMR20lg(|Aod/Aoc|)，高质量的，高质量的运放可达运放可达160dB。9.最大共模输入电压最大共模输入电压UICMUICM是集成运放在线性工作范围内所能承受的最大共模输入电是集成运放在线性工作范围内所能承受的最大共模输入电压。若超过此值会出现压。若超过此值会出现KCMR下降，失去差模放大能力的问
33、题。下降，失去差模放大能力的问题。高质量的运放可达正负十几伏。高质量的运放可达正负十几伏。退出退出3.4 集成运算放大器集成运算放大器的应用的应用主要要求：主要要求：掌握集成运放的分析方法掌握集成运放的分析方法掌握基本运算电路的组成及特性掌握基本运算电路的组成及特性了解运算了解运算放大器应用及实际问题放大器应用及实际问题退出退出3.4.1 理想集成运放及其分析方法理想集成运放及其分析方法在分析集成运放组成的各种电路时，将实际运放作为在分析集成运放组成的各种电路时，将实际运放作为理想运放理想运放来处理。集成运放有两种工作状态：来处理。集成运放有两种工作状态：线性线性与与非线性非线性。1.理想集成
34、运算放大器理想集成运算放大器退出退出2.集成运放的线性区与非线性区集成运放的线性区与非线性区)(odouuAu满足为了使运放工作在线性区，集成运放外围都为了使运放工作在线性区，集成运放外围都接有深度负反馈接有深度负反馈，以减小其净输入电压，从而使其输出电压不超出线性范围。以减小其净输入电压，从而使其输出电压不超出线性范围。uuuu即00II ii由于Aod=，而输出电压Uo总为有限值，则由式有 U+-U-=0odOAU退出退出)(odouuAu由于开环增益由于开环增益Aod很大，当集成运放很大，当集成运放处于开环状态处于开环状态或或接有正反接有正反馈馈时，只要有差模输入，哪怕很微小都使输出立即
35、达到正向饱时，只要有差模输入，哪怕很微小都使输出立即达到正向饱和电压和电压Uom或负向饱和电压或负向饱和电压Uom，数值上接近正、负电源电压。，数值上接近正、负电源电压。omoomoUuuuUuuu时，时，0II ii退出退出3.4.2 基本运算电路基本运算电路1.比例运算比例运算运算电路运算电路 uuii“虚短”“虚断”运放线性外接负反馈0II“虚地虚地”是指反相端是指反相端“”也为地电位，但并未真正接地，即无也为地电位，但并未真正接地，即无泻电流。此为反相比例运算的重要特征。泻电流。此为反相比例运算的重要特征。Rf为反馈元件。当输入电压Ui瞬时极性为“+”时，输入电流Ii增加，由运放的输入
36、与输出相位关系，输出端瞬时极性为“-”，因而使反馈电流If增加，由Ii=Id+If可知，If的增加削弱了净输入电流Id(相当于从Ii中分走了一个反馈电流），所以为负反馈电路。若反馈元件是从输出端反馈到反相输入端，则为负反馈；若反馈元件从输出端反馈到同相输入端，则为正反馈退出退出运算电路运算电路“-”端端0V，虚地，虚地fofoF0RuRuuiu，有由V1I1IIFIRuRuuiiiI1fofo1IuRRuRuRu，即1fIoufRRuuAR2电阻是为了保持运放电阻是为了保持运放输入级差放的静态平衡输入级差放的静态平衡而设置的。静态下输入而设置的。静态下输入输出都为零，输出都为零，R1与与Rf相
37、相当于并联接地，而当于并联接地，而R2=R1/Rf时电路平衡。时电路平衡。故称作故称作“平衡电阻平衡电阻”。退出退出反相比例电路反相比例电路1IIifRiur一般一般R1值不能过大，否则在要值不能过大，否则在要求求Auf较大时较大时Rf需要更大，大电需要更大，大电阻很难精确制成，且受温度影阻很难精确制成，且受温度影响较大，影响整体系统精度。响较大，影响整体系统精度。odf11odoof1ARRRFFArr，而反馈系数0ofr退出退出例例3.4.1解解50105001fufKKRRAK101if RrKK8.95001050010/f12RRR退出退出电流通路由电流通路由R1、Rf组成组成负反馈
38、，负反馈，R2电阻是平衡电阻是平衡电阻，电阻，R2=R1/Rf。uuii“虚短”“虚断”运放线性外接负反馈0II1oIfF1I110RuuRuuiRuRuio，“+”端电位为端电位为uI运算电路运算电路F1ii 由I1fo)1(uRRu1fIouf1RRuuA退出退出2.加法、减法运算加法、减法运算运算电路运算电路电流通路电流通路“-”端端0V，虚地，虚地 uuii“虚短”“虚断”运放线性外接负反馈0IIf3214R/R/R/RR 平衡电阻foF33322211111RuiRuiRuiRuRuui，IIII0CLF321iiii，由0fo332211RuRuRuRuIII)(33f22f1fo
39、III1uRRuRRuRRu)(32oIII1uuuu退出退出电流通路电流通路“-”端端0V，虚地，虚地I11f1ouRRuI33fo3I22fo2uRRuuRRu)(I33fI22fI11fo3o2o1ouRRuRRuRRuuuu注意：注意：叠加定理必须在线性叠加定理必须在线性状态下才适用，即集成运放状态下才适用，即集成运放在外接负反馈条件下，才能在外接负反馈条件下，才能用叠加定理分析法，在非线用叠加定理分析法，在非线性状态下叠加定理不成立！性状态下叠加定理不成立！退出退出运算电路运算电路 uuii“虚短”“虚断”运放线性外接负反馈0II电流通路电流通路虚短，两点虚短，两点电位相同电位相同u
40、RRuRRu)1()1(1f1fo)(32I21IRuRuRu)()1()1(32I21I1f1foRuRuRRRuRRuu-u+退出退出差分输入放大器差分输入放大器uuii“虚短”“虚断”运放线性0II1f1oI1I111I1RRRuuuRiuu电流通路电流通路u+u-11I1I1I2323RRRuuuuuRRRufoI11fI23231fo)(1(uRRuRRRRRu)(I1I21fouuRRuI1I2ouuu退出退出例例3.4.2解解1010KK1001fI1I2oufRRuuuAV4V)6.12.1(10)(I1I2ufo-uuAu差分减法电路差分减法电路退出退出3.积分、微分运算积分
41、、微分运算电路与反相比例相似，电容电路与反相比例相似，电容C代替了代替了Rf而已，而已，R2电阻是平衡电阻是平衡电阻，电阻，R2=R1。1IF1RuiitRuCtiCtiCuud1d1d101I1FCotuCRud1I1o退出退出解解tttCRUu5010110201631Io积分运算电路积分运算电路例例3.4.30V10V0Ittusst3.05015输出波形输出波形线性线性区域区域非线性非线性区域区域退出退出微分为积分的逆运算，电容微分为积分的逆运算，电容C和和R1互换位置即成为微分电路。互换位置即成为微分电路。tuCtuCiddddIC1tuCRiRiRuddIf1fFfo退出退出3.4
42、.3 信号处理电路信号处理电路1.有源滤波器有源滤波器低通滤波器低通滤波器是是指低频信号能指低频信号能通过而高频信通过而高频信号不能通过的号不能通过的滤波器。滤波器。滤波器滤波器是一种能使部分频率的信号顺利通过而其他频是一种能使部分频率的信号顺利通过而其他频率的信号受到很大衰减的装置，在信息处理、数据传率的信号受到很大衰减的装置，在信息处理、数据传送和抑制干扰等方面广泛应用。送和抑制干扰等方面广泛应用。同相端同相端输入的滤波器输入的滤波器反相端反相端输入的滤波器输入的滤波器退出退出RCjUCjCjRUUU111iiCu+u-虚短，两点虚短，两点电位相同电位相同RCjURRURRU1)1()1(
43、i1f1fo0uf1fio111jARCjRRUUA1fuf011RRARC，其中，一阶低通滤波器的幅频特性一阶低通滤波器的幅频特性低频低频通过通过高频高频衰减衰减退出退出1f11ifffo11RIRIUCjRCjRIU，0uff1fio11jACRjRRUUA一阶低通滤波器的幅频特性一阶低通滤波器的幅频特性低频低频通过通过高频高频衰减衰减1fuf011RRARC，其中，退出退出为了提高滤波效果，可以再加上一节为了提高滤波效果，可以再加上一节RC网络，构成二阶低网络，构成二阶低通电路。这样高频信号衰减速度更快，为通电路。这样高频信号衰减速度更快，为-40dB/十倍频程。十倍频程。运算电路图运算
44、电路图幅频特性幅频特性引入反馈，加强引入反馈，加强高频段衰减程度高频段衰减程度退出退出低通滤波器低通滤波器即是高频信号能通过而低频信号不能通过的滤波器。即是高频信号能通过而低频信号不能通过的滤波器。将低通滤波器中起滤波作用的电阻、电容互换，即成为高通。将低通滤波器中起滤波作用的电阻、电容互换，即成为高通。运算电路图运算电路图幅频特性幅频特性高频高频通过通过低频低频衰减衰减退出退出2.电压比较器电压比较器电压比较器电压比较器是将输入电压与另一个参考电压进行幅度比较，由是将输入电压与另一个参考电压进行幅度比较，由输出状态反映结果的电路。它能够鉴别输入电平的相对大小。输出状态反映结果的电路。它能够鉴
45、别输入电平的相对大小。电路图电路图传输特性传输特性双向稳压器，由反相双向稳压器，由反相串联的稳压管组成串联的稳压管组成退出退出uI0可见，可见，uI0处是输出电压处是输出电压的转折点，当输入正弦波，的转折点，当输入正弦波，则输出负相矩形波。则输出负相矩形波。波形图波形图退出退出在反相端另接一个固定电压在反相端另接一个固定电压UREF则成为电平检测比较器。则成为电平检测比较器。I212REF211uRRRURRRu，为参考电压其中REF21TURRU电路图电路图传输特性传输特性退出退出过零比较器非常灵敏，但抗干扰能力较差，当输入电压于参考过零比较器非常灵敏，但抗干扰能力较差，当输入电压于参考电压
46、附近时，输出会在正负饱和输出间跳跃，易造成误动作。电压附近时，输出会在正负饱和输出间跳跃，易造成误动作。电路图电路图传输特性传输特性退出退出of22uRRRuTOMf22omTOMf22omUURRRuUuUURRRuUuoo时，时，电路图电路图传输特性传输特性运放非线性正反馈OMOMUuuuUuuuoo，可见，输出为正，可见，输出为正，uI与与UT比较；输出为负，则比较；输出为负，则uI与与UT比较，产生比较基准比较，产生比较基准随输出变化的随输出变化的迟滞回差迟滞回差。uI上升趋势时上升趋势时uI下降趋势时下降趋势时退出退出解解迟滞比较电路迟滞比较电路例例3.4.4UREF=0V传输特性传
47、输特性UREF=6V传输特性传输特性V11VV61002020TZ211TUURRRUV4V6)(OM212REF212TURRRURRRU其间迟滞时，当时，当V6V4V6V6oIoIuuuu退出退出3.4.4 波形发生器波形发生器1.矩形波发生器矩形波发生器迟滞比较器迟滞比较器（正反馈）（正反馈）RC充放电回路充放电回路（负反馈）（负反馈）电路图电路图Z212R2TURRRuU设设uo+UZ，而，而C未充电，未充电，uC+UT，uo经经Rf给给C充电，其间充电，其间只要只要uC+UT时，输出变时，输出变为为UZ，而，而uR2UZ，C将通过将通过Rf放电，放电，uC降到降到UZ以下将重复以下将
48、重复充电过程，如此往复输出矩形波。充电过程，如此往复输出矩形波。波形图波形图退出退出2.三角波发生器三角波发生器迟滞比较器迟滞比较器A1反相积分器反相积分器A2of2fo1f22uRRRuRRRuCRRRT3f24三角波周期当当uo1+UZ时，积分器输入为正，输出为时，积分器输入为正，输出为线性下降波形，线性下降波形，u+也线性下降，当也线性下降，当u+过零过零变负时，比较器变负时，比较器A1翻转为翻转为UZ。积分器输。积分器输入为负，此时输出为线性上升波形，入为负，此时输出为线性上升波形，u+也也线性上升，当线性上升，当u+过零变正时，比较器过零变正时，比较器A1翻翻转为转为+UZ。如此往复
49、，输出三角波形。如此往复，输出三角波形。退出退出CRRRT3f24三角波周期若需要改变输出电压频率，可以改变若需要改变输出电压频率，可以改变R2与与Rf比值或比值或RC充放电充放电回路的时间常数。回路的时间常数。可以改变输出频率的三角波信号产生电路图可以改变输出频率的三角波信号产生电路图退出退出3.锯齿波发生器锯齿波发生器将三角波发生器电路稍加改动，在将三角波发生器电路稍加改动，在R3两端并联一个二极管两端并联一个二极管VD与电阻与电阻R5串联的支路，就成为锯齿波发生器。串联的支路，就成为锯齿波发生器。波形图波形图退出退出3.4.5 测量放大器测量放大器对于测量放大器，要对于测量放大器，要求其
50、放大倍数高，以求其放大倍数高，以便对微弱信号能够放便对微弱信号能够放大；输入电阻要高，大；输入电阻要高，以便减少对被测信号以便减少对被测信号的影响；共模抑制比的影响；共模抑制比要高，以便能够抑制要高，以便能够抑制可能串入的共模干扰。可能串入的共模干扰。第第一一级级第第二二级级电路图电路图退出退出第一级电路图第一级电路图电流通路电流通路1I2I1121I22I11RuuRuuiuuuu；、)2(122oo1RRiuu)(2)2(2I1I1121212I1IuuRRRRRRuu退出退出第二级电路图第二级电路图A3是外电阻完全对称的差分输入放大是外电阻完全对称的差分输入放大器，其差模输入电压即器，其
