1、项目四温控器的分析与制作 主编一、负反馈的基本概念1.什么是反馈 将放大电路输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过某些元器件或网络（称为反馈网络），反向送回到输入端，从而影响原输入量（电压或电流）的过程称为反馈。有反馈的放大电路称为反馈放大电路，其组成框图如图4 1a所示。图4-1反馈放大电路组成a)反馈放大电路组成框图b)反馈放大电路一、负反馈的基本概念2.反馈极性(正、负反馈)在反馈放大电路中，反馈量使放大电路净输入量得到增强的反馈称为正反馈，反馈量使净输入量减弱的反馈称为负反馈。1)假设输入信号某一瞬时的极性。2)根据输入与输出信号的相位关系，确定输出信号和反馈信号的瞬时极性。3)再根
2、据反馈信号与输入信号的连接情况，分析净输入量的变化，如果反馈信号使净输入量增强，即为正反馈，反之为负反馈。一、负反馈的基本概念图4 2所示为用瞬时极性法判断反馈极性的几个例子。图4-2用瞬时极性法判断反馈极性的例子a)电压串联负反馈b)电压并联负反馈一、负反馈的基本概念3.交流反馈与直流反馈 在放大电路中存在有直流分量和交流分量，若反馈信号是交流量，则称为交流反馈，它影响电路的交流性能;若反馈信号是直流量，则称为直流反馈，它影响电路的直流性能，如静态工作点。若反馈信号中既有交流量又有直流量，则反馈对电路的交流性能和直流性能都有影响。图4 3所示为具有不同反馈的电路。图4-3具有不同反馈的电路a
3、)原电路b)直流通路c)交流通路一、负反馈的基本概念4.反馈电路的类型 按放大电路反馈在输出端的取样方式的不同，电路中的反馈分为电压反馈和电流反馈；按反馈网络的输出端口与信号源的连接方式的不同，电路中的反馈又分串联反馈与并联反馈。下面分别加以介绍。(1)反馈在输出端的取样方式从输出端看，若反馈信号取自输出电压，则为电压反馈；若反馈信号取自输出电流，则为电流反馈。在判断电压反馈时，根据电压反馈的定义反馈信号与输出电压成比例，可以假设将负载RL两端短路（uo=0，但io0），判断反馈量是否为零，如果是零，就是电压反馈。图4 4所示的电压反馈电路正是如此，RL短路，uo=0，uf=0。一、负反馈的基
4、本概念图4-4电压反馈图4-5电流反馈一、负反馈的基本概念(2)反馈在输入端的连接方式在图4-6a中，反馈网络的出口与信号源串联，因此称为串联反馈。图4-6串联反馈和并联反馈a)串联反馈b)并联反馈一、负反馈的基本概念图4-7负反馈放大电路基本类型a)电压串联负反馈b)电流串联负反馈c)电压并联负反馈d)电流并联负反馈由上述分析可以看出，若反馈信号与信号源接在不同的端子上，即为串联反馈。若接在同一个端子上，则为并联反馈。根据输出端的取样方式和输入端的连接方式，可以组成四种不同类型的负反馈电路，如图4-7所示。一、负反馈的基本概念电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。二
5、、负反馈放大器的四种基本组态1.电压串联负反馈(1)电路及框图电压串联负反馈电路如图4-8所示。图4-8电压串联负反馈电路a)电路图b)框图(2)反馈极性和类型的判断由瞬时极性法可判断出该反馈为负反 负反馈放大器中，在输出端取样有电压和电流两种形式，在输入端有串联叠加和并联叠加，在串联叠加中，反馈信号以电压的形式跟原输入电压进行比较得出净输入电压；同理在并联叠加中也一样，为了使闭环增益Af与开环增益A满足Af=A/(1+FA)的关系，应作如下约定：(2)反馈极性和类型的判断由瞬时极性法可判断出该反馈为负反馈，因为ui=ui-uf。由短路法可判断出该反馈是电压串联反馈。综上即得，该反馈为电压串联
6、负反馈。(3)有关表达式有关表达式如下：二、负反馈放大器的四种基本组态2.电流串联负反馈开环放大倍数=被取样的/比较产生的=Ag，称为开环互导放大倍数，其单位是西门子。(1)电路及框图电流串联负反馈电路如图4-9所示。图4-9电流串联负反馈电路a)电路图b)框图二、负反馈放大器的四种基本组态(2)反馈极性和类型的判断由瞬时极性法可判断出该反馈为负反馈，因为ui=ui-uf。由短路法可判断出该反馈是电流串联反馈，因为Uf=IeRf。(3)有关表达式有关表达式如下：开环增益Aiu=二、负反馈放大器的四种基本组态3.电压并联负反馈(1)电路及框图电压并联负反馈电路如图4-10所示。图4-10电压并联
7、负反馈电路a)电路图b)框图(2)反馈极性和类型的判断由瞬时极性法可判断出该反馈为负反馈，因为ii=ii-if。由短路法可判断出该反馈是电压并联反馈。(3)有关表达式有关表达式如下：二、负反馈放大器的四种基本组态4.电流并联负反馈(1)电路及框图电流并联负反馈电路如图4-11所示。图4-11电流并联负反馈电路a)电路图b)框图二、负反馈放大器的四种基本组态(2)反馈极性和类型的判断由瞬时极性法可判断出该反馈为负反馈，因为ii=ii-if。由短路法可判断出该反馈是电流反馈。(3)有关表达式有关表达式如下：开环增益Aii=三、负反馈对放大电路性能的影响1.减小非线性失真 放大电路的非线性失真是由于
8、放大电路内部非线性元器件产生的，引入负反馈后，这种失真将减小。演示电路如图4 12所示。2.提高增益的稳定性 放大电路的增益可能由于元器件参数、环境温度、电源电压、负载大小等因素的变化而变得不稳定。图4-12演示电路三、负反馈对放大电路性能的影响3.扩展通频带 应当指出，由于负反馈的引入，在减小非线性失真的同时，降低了输出幅度。此外，输入信号本身固有的失真是不能用引入负反馈来改善的。图4-13开环与闭环的幅频特性三、负反馈对放大电路性能的影响4.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网络在输入端的连接方式。(1)串联负反馈图4-14a是串联负反馈电路框图。图4-14负反馈对输入
9、电阻的影响a)串联负反馈电路框图b)并联负反馈电路框图(2)并联负反馈图4-14b是并联负反馈电路框图。三、负反馈对放大电路性能的影响5.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反馈网络在输出端的取样量。(1)电压负反馈图4-15a是电压负反馈框图。(2)电流负反馈图4-15b是电流负反馈框图。图4-15负反馈对输出电阻的影响a)电压负反馈框图b)电流负反馈框图四、深度负反馈放大电路的近似计算 在负反馈电路中，若AF1，则称为深度负反馈。通常，只要是多级负反馈放大电路，就可以认为是深度负反馈电路。因为多级负反馈放大电路的开环增益很高，因此都能满足AF1的条件。四、深度负反馈放大电路的
10、近似计算例4-1试估算图4-16a所示串联电压负反馈放大电路的闭环电压增益Auf=Uo/Ui。图4-16串联电压负反馈电路a)电路b)反馈网络四、深度负反馈放大电路的近似计算图4-17串联电流负反馈电路a)电路b)反馈网络例4-2求图4-17a所示的串联电流负反馈电路的闭环电压增益Auf=Uo/Ui。四、深度负反馈放大电路的近似计算图4-18并联电流负反馈电路a)电路b)反馈网络例4-3求图4-18所示的并联电压负反馈电路的源电压闭环增益Ausf=Uo/Us。图4-19集成运算放大器外形结构示意图一、集成运算放大器的识读 常见的集成运算放大器有圆形、扁平形、双列直插式等，有8脚、14脚等，如图
11、4-19所示。二、集成运算放大器的组成及其符号1.差动输入级 集成运算放大器就是将组成电路的各元器件及它们之间的连线制作在一块芯片上的直接耦合放大电路，具有良好的性能，其内部组成原理框图如图4-20所示，它由差动输入级、中间级、输出级和偏置电路等四部分组成。图4-20集成运算放大器的内部组成原理框图二、集成运算放大器的组成及其符号2.中间级 中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数，故而也称电压放大级。要求中间级本身具有较高的电压增益。3.输出级 输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。4.偏置电路 偏置电
12、路的作用是为各级提供合适的工作电流，一般由各种恒流源电路组成。图4-21集成运算放大器的符号三、集成运算放大器的分类1.按用途分类 集成运算放大器按其用途可分为通用型及专用型两大类。2.按供电电源分类 集成运算放大器按其供电电源可分为双电源型和单电源型两类。后者采用特殊设计，在单电源下能实现零输入、零输出。这种放大器进行交流放大时，失真较小。三、集成运算放大器的分类3.按制作工艺分类 集成运算放大器按制作工艺可分为双极型、单极型和双极单极兼容型三类。4.按运算放大级数分类 按单片封装中的运算放大级数分类，集成运算放大器可分为单级集成运算放大器、双级集成运算放大器、三级集成运算放大器和四级集成运
13、算放大器四类。四、模拟集成电路的型号命名方法图4-22CF0741CT型号命名我国半导体集成电路的型号命名按照国家标准GB/T 34301989规定应由五部分组成：如CF0741CT型号命名如图4-22所示。五、集成运算放大器的主要参数1.极限参数1)供电电压范围(VCC、-EE或US、-US)加到运算放大器上允许的最小和最大安全工作电源电压，称为运算放大器的供电电压范围。2)功耗PD。3)工作温度范围。4)最大差模输入电压Uidmax。5)最大共模输入电压Uicmax。五、集成运算放大器的主要参数2.电气参数(1)开环差模增益AodAod表示集成运算放大器工作在线性区时输出电压与两输入端之间
14、的电压之比，即Aod=常用20logAod表示，其单位为分贝(dB)，Aod越大越理想。(2)差模输入电阻ridrid是衡量输入级向差模信号索取电流大小的参数，其值等于差模电压与差模电流之比，即rid=uid/iid，rid越大越理想。(3)共模抑制比KCMRKCMR=20log，单位是分贝(dB)。五、集成运算放大器的主要参数(4)输入失调电流Ios和失调电流温漂d/dT()Ios=IB1-IB2，它反映了输入差分管输入电流的不对称情况。(5)转换速率SRSR=max用以表明集成运算放大器对放大幅度变化信号的适应能力，它是在单位时间内uo变化的最大值。(6)上限频率fb是使Aod下降到0.7
15、07Aod(3dB)时的频率。六、集成运算放大器的选择 目前国内集成运算放大器的类型很多，即使是同一类型产品，也有多种型号；甚至对于同一型号产品，由于其生产厂家不同，参数也不尽相同。使用时应注意根据用途进行选择。一般情况下，如无特殊要求，应选用通用型运算放大器，既经济又实用。在特殊要求下，应选用某些方面性能特别优秀的特殊型运算放大器，甚至选用专用型芯片。七、集成运算放大器的基本应用1.概述(1)理想集成运算放大器的性能指标开环电压放大倍数Aod=；差模输入电阻rid=；输出电阻ro=0；共模抑制比KCMR=；上限频率fH=。此外，理想集成运算放大器没有失调和失调温漂，且共模抑制比趋于无穷大。尽
16、管理想运算放大器并不存在，但由于集成运算放大器的各项技术指标都比较接近理想值，因此在具体分析时将其理想化是允许的。这种分析所带来的误差一般比较小，可以忽略不计。七、集成运算放大器的基本应用(2)集成运算放大器的传输特性集成运算放大器的输出电压uo与输入电压ui之间的关系曲线称为传输特性，如图4-23所示为实际电路中集成运算放大器的传输特性。(3)集成运算放大器的线性应用集成运算放大器工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。图4-23集成运算放大器的传输特性七、集成运算放大器的基本应用(4)集成运算放大器的非线性应用当集成运算放大器工作在开环状态或引入正反馈时，由于Aud很大，只要有微小的电压信
17、号输入，集成运算放大器就一定工作在非线性区，即输出电压只有两种状态：+Uom和-Uom。当同相端电压大于反相端电压，即u+u-时，uo=+Uom；当反相端电压大于同相端电压，即u+u-时，uo=-Uom。综上所述，在分析具体的集成运算放大器应用电路时，首先应判断集成运算放大器工作在线性区还是非线性区，然后再运用线性区和非线性区的特点分析电路的工作原理。七、集成运算放大器的基本应用2.基本运算电路 集成运算放大器的应用首先表现在它能实现各种数学运算，并因此得名。常用集成运算放大器的基本有比例、加法、减法、微积分和乘法运算等。这里只对几种典型电路进行分析。在运算电路中，输入模拟电压为自变量，输出模
18、拟电压为因变量，当输入电压变化时，输出电压将按一定的运算规律变化，即输出电压反映输入电压的某种运算结果。因此，在运算电路中，集成运算放大器必须工作在线性区，因而都要引入深度负反馈，利用反馈网络实现各种数学运算。七、集成运算放大器的基本应用(1)比例运算比例运算中的输出电压与输入电压成倍数关系。1)反相输入比例运算电路。图4-24反相输入比例运算电路a)电路图b)反相理想运算放大器的“虚短”分析七、集成运算放大器的基本应用图4-25同相输入比例运算电路a)电路图b)同相理想运算放大器的“虚短”2)同相输入比例运算电路。利用理想运算放大器的“虚短”特性，可知七、集成运算放大器的基本应用图4-26电
19、压跟随器(2)加法运算图4-27所示为反相加法电路。图4-27反相加法电路七、集成运算放大器的基本应用(3)减法运算减法运算电路如图4-28a所示，其电路参数对称。根据叠加定理，首先令ui1=0，当ui2单独作用时，电路成为反相比例运算电路，如图4 28b所示，其输出电压为图4-28减法电路及单输入信号时的简化电路a)减法运算电路b)反相比例运算电路c)同相比例运算电路七、集成运算放大器的基本应用图4-29仪用放大器例4-4图4-29所示是一个由三级集成运算放大器组成的仪用放大器，试分析该电路的输出电压与输入电压的关系。七、集成运算放大器的基本应用(4)微积分运算1)积分运算。2)微分运算。样
20、为“虚地”，即uA0。再根据“虚断”的概念，i-0，则iRiC。假设电容的初始电压为零，那么式(4-12)表明，输出电压为输入电压对时间的积分，且相位相反。七、集成运算放大器的基本应用图4-30积分运算a)积分运算电路b)积分电路的波形变换七、集成运算放大器的基本应用图4-31微分运算a)微分运算电路b)微分电路的波形变换七、集成运算放大器的基本应用3.滤波电路(1)滤波电路的分类及幅频特性所谓滤波，就是保留信号中所需频段的信号，抑制其他频段信号的过程。根据输出信号中所保留的频率段的不同，可将滤波分为低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等四类。它们的幅频特性如图4 32所示，被保留的频率段称
21、为“通带”，被抑制的频率段称为“阻带”。Au为各频率的增益，Aum为通带的最大增益。七、集成运算放大器的基本应用图4-32滤波电路的幅频特性a)低通滤波b)高通滤波c)带通滤波d)带阻滤波七、集成运算放大器的基本应用1)通带范围内信号无衰减地通过，阻带范围内无信号输出；2)通带与阻带之间的过渡带为零。图4-33无源滤波电路a)R、C网络为无源低通滤波电路b)C、R网络为无源高通滤波电路七、集成运算放大器的基本应用(2)无源滤波电路图4-33所示的R、C网络为无源滤波电路。由于R及C上有信号压降，使输出信号幅值下降；带负载能力差，当负载变化时，输出信号的幅值将随之改变，滤波特性也随之变化；过渡带
22、较宽，幅频特性不理想。七、集成运算放大器的基本应用()有源滤波电路为了克服无源滤波电路的缺点，可将RC 无源滤波电路接到集成运算放大器的同相输入端。1)有源低通滤波电路。图4-34有源低通滤波电路a)一阶b)二阶七、集成运算放大器的基本应用图4-35有源高通滤波电路2)有源高通滤波电路。同低通滤波电路的分析类似，可以得出有源高通滤波电路的下限截止频率为f0=1/(2RC)，对于低于截止频率的低频信号，|Au|0707|Aum|。七、集成运算放大器的基本应用4.电压比较器电压比较器是对输入信号进行鉴别和比较的电路，与运算电路一样，它也是集成运算放大器的应用之一，是构成集成运算放大器复杂电路的基本
23、单元电路，广泛应用于测量、控制、波形发生等方面。(1)单门限电压比较器反相输入电压比较器的基本电路如图4 36a所示，其传输特性如图4 36b所示。七、集成运算放大器的基本应用图4-36单门限电压比较器a)反相输入电压比较器b)a对应的传输特性c)同相输入电压比较器d)c对应的传输特性e)不带基准电压的电压比较器f)e对应的传输特性七、集成运算放大器的基本应用(2)滞回电压比较器单门限电压比较器的状态翻转时的门限电压是某一个固定值。采用滞回电压比较器能够解决这一问题。滞回电压比较器的电路图如图4 38a所示。1)电路特点。UTH1=u+=UREF+Uom（4 14）2)传输特性和回差电压UTH
24、。UTH=UTH1-UTH2=2Uom图4-38滞回电压比较器a)滞回电压比较器电路图b)滞回电压比较器的传输特性图4-37外界干扰的影响七、集成运算放大器的基本应用5.集成运算放大器的使用常识 集成运算放大器的用途广泛，在使用前必须进行测试，使用中要注意其电参数和极限参数应符合电路要求，同时还应注意以下问题。(1)集成运算放大器的输出调零为了提高集成运算放大器的精度，消除因失调电压和失调电流引起的误差，需要对集成运算放大器进行调零。图4-39A741调零电路七、集成运算放大器的基本应用(2)单电源供电时的偏置问题双电源集成运算放大器单电源供电时，该集成运算放大器内部各点对地的电压都将相应提高
25、，因而输入为零时，输出不再为零，这是无法通过调零电路解决的。图4-40外调零电路a)外调零电路图1b)外调零电路图2七、集成运算放大器的基本应用图4-41单电源反相输入交流放大电路七、集成运算放大器的基本应用图4-42单电源同相输入交流放大电路七、集成运算放大器的基本应用(3)集成运算放大器的保护集成运算放大器的保护包括输入端保护、输出端保护和电源保护三方面。图4-43输入端保护1)输入端保护。2)输出端保护。3)电源保护。七、集成运算放大器的基本应用图4-45电源保护图4-44输出端保护七、集成运算放大器的基本应用(4)相位补偿集成运算放大器在实际使用中遇到的最棘手的问题就是自激。图4-46相位补偿a)自激的补偿方法b)RC为输入端补偿法
